信息技術(shù)視域下三維動畫在高中生物教學(xué)設(shè)計中的有效融合

摘 要：依托皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論和知識可視化理論，將三維動畫融入高中生物教學(xué)設(shè)計。從問題引領(lǐng)的情景教學(xué)、能力培養(yǎng)的實驗教學(xué)、立體逼真的沉浸式教學(xué)等不同視角出發(fā)，探索將信息技術(shù)融入高中生物教學(xué)的路徑與人才培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成維度，目的是在技術(shù)賦能視域下推動教學(xué)創(chuàng)新和學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變，促進(jìn)學(xué)生開展有意義的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)他們的科學(xué)素養(yǎng)和終身學(xué)習(xí)的興趣。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)；三維動畫；教學(xué)設(shè)計；科學(xué)素養(yǎng)

“三維動畫”又稱“3D動畫”（Three-Dimensional Animation），起源于20世紀(jì)初。近年來，人們利用新興動畫制作技術(shù)，能夠在虛擬的三維空間中，通過構(gòu)建主題角色和相應(yīng)場景、設(shè)置光照效果及動畫過程，完成高度還原與仿真的三維視覺影像。作為一種新型教學(xué)表達(dá)形式，三維動畫在教學(xué)過程中能夠引導(dǎo)學(xué)生多感官參與，提供多層次刺激，有助于學(xué)生快速、長久地記憶信息［1］。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，技術(shù)賦能推動著教育革新，驅(qū)動著學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變［2］。目前，三維動畫已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、教育、軍事、娛樂等多個領(lǐng)域，特別是在教育領(lǐng)域，如何依托信息化技術(shù)輔助教學(xué)，更好地達(dá)成人才培養(yǎng)的三個維度，引起了廣泛關(guān)注與積極探索。

21世紀(jì)是生物科學(xué)的世紀(jì)。過去二十年間，生物科學(xué)領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果，而將這些成果傳承與普及，尤其是在青少年中開展生物科學(xué)教育與能力培養(yǎng)，是提高全民生物科學(xué)素養(yǎng)的重要手段?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》明確指出，生物科學(xué)素養(yǎng)是公民科學(xué)素養(yǎng)的重要組成部分，要求公民具備參與社會活動、經(jīng)濟(jì)活動、生產(chǎn)實踐、個人決策所需的生物科學(xué)知識、探究能力，以及相關(guān)的情感態(tài)度與價值觀。為順應(yīng)生物科學(xué)從現(xiàn)象到本質(zhì)、從簡單到復(fù)雜、從定量到定性的研究與發(fā)展歷程，中學(xué)生物課程在內(nèi)容設(shè)置上需要綜合考慮中學(xué)生的認(rèn)知水平、知識儲備等因素。例如，初中生物課程以“人與生物圈”為主線，主要講授生物學(xué)宏觀層面的基礎(chǔ)知識；而高中生物課程則呈現(xiàn)出知識跨度大、知識點密集、微觀和抽象概念居多的特點，側(cè)重生命活動的原理及化學(xué)變化［3］。因此，教師在教學(xué)方式方法上應(yīng)與時俱進(jìn)，積極探索信息時代對傳統(tǒng)教學(xué)的輔助與升級路徑，了解新時代學(xué)生的學(xué)習(xí)需求與特點，從而更好地達(dá)成面向全體學(xué)生、倡導(dǎo)探究性學(xué)習(xí)、與現(xiàn)實生活聯(lián)系密切的育人效果。

本文探討將三維動畫引入高中生物教學(xué)的策略，充分利用技術(shù)賦能教育革新，創(chuàng)新教學(xué)思維與開闊專業(yè)視野，促進(jìn)教師科學(xué)開展教學(xué)設(shè)計，鼓勵學(xué)生“在做中學(xué)”，旨在利用多媒體技術(shù)和信息資源，促進(jìn)學(xué)生開展有意義的學(xué)習(xí)。

一、整合優(yōu)質(zhì)資源，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

三維動畫具有生動、直觀以及能將抽象知識可視化呈現(xiàn)的優(yōu)勢，不僅可以展現(xiàn)事物的外部形態(tài)，還能夠通過局部剖面或透明處理展現(xiàn)物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時借助物體的運動、變化和轉(zhuǎn)換重現(xiàn)復(fù)雜的生命現(xiàn)象。知識可視化的價值實現(xiàn)取決于視覺表征方式，即將思維化或抽象化的信息通過視覺化手段進(jìn)行表述與再現(xiàn)，對改變傳統(tǒng)的認(rèn)知方式，促進(jìn)有意義的學(xué)習(xí)具有積極作用［4］。三維動畫具有強大的可塑性，利用圖形、圖像處理軟件，人們可以對物體、角色、場景和材質(zhì)等進(jìn)行數(shù)字化建構(gòu)，在視覺認(rèn)知層面實現(xiàn)仿真效果。在中學(xué)生物教學(xué)中，運用三維模型和動畫模擬細(xì)胞、組織、器官等微觀結(jié)構(gòu)，可顯著加深學(xué)生對知識的理解。教師應(yīng)充分發(fā)揮三維動畫的優(yōu)勢，將抽象知識以可視化方式呈現(xiàn)，并將其滲透于各個教學(xué)環(huán)節(jié)，幫助學(xué)生客觀認(rèn)識抽象現(xiàn)象及其內(nèi)在規(guī)律，快速理解和消化新知。

以人教版高中生物學(xué)必修1第3章第3節(jié)“細(xì)胞核的結(jié)構(gòu)和功能”的教學(xué)設(shè)計為例，首先，教師可以創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生思考染色體與染色質(zhì)的關(guān)系，并通過三維動畫演示染色質(zhì)動態(tài)螺旋、折疊形成柱狀染色體的完整過程，讓學(xué)生明白染色體和染色質(zhì)是同種物質(zhì)在不同時期存在的兩種形態(tài)，同時為后續(xù)學(xué)習(xí)基因重組、染色體變異等內(nèi)容奠定基礎(chǔ)。在教學(xué)設(shè)計中，教師運用動畫，形象、科學(xué)地展示微觀世界，不僅能使學(xué)生更輕松地接收信息，還能通過問題引領(lǐng)，促使學(xué)生主動構(gòu)建抽象知識體系（如圖1）。

新課程改革強調(diào)以學(xué)生的發(fā)展為本，重視學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體地位，要求教師重新定位自身角色。教師不再是教科書的忠實執(zhí)行者，而應(yīng)成為與學(xué)生共同學(xué)習(xí)的合作者。在信息時代背景下，教學(xué)理念發(fā)生了深刻變革，高中生物教師應(yīng)勇于創(chuàng)新，有效創(chuàng)設(shè)三維動畫教學(xué)情境，凸顯學(xué)生課堂主體地位，引導(dǎo)學(xué)生主動參與學(xué)習(xí)活動，科學(xué)構(gòu)建知識體系。

二、發(fā)揮感官優(yōu)勢，有效促進(jìn)深度學(xué)習(xí)

多感官學(xué)習(xí)可有效調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。根據(jù)皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論，高中生已經(jīng)處于形式運算階段，這表明其思維能力已發(fā)展到較為成熟的水平，能夠脫離具體事物進(jìn)行假設(shè)演繹推理［5］。段戴平等運用三維動畫開展探究式教學(xué)，實踐證明這種方式能顯著提高學(xué)生的科學(xué)探究精神和創(chuàng)新意識［6］。張巧靈等指出，將三維動畫應(yīng)用于解剖學(xué)教學(xué)，能帶給學(xué)生強烈的視覺沖擊，提高學(xué)習(xí)的直觀性與科學(xué)性［7］。三維動畫能夠刺激學(xué)習(xí)者的視覺、聽覺和思維系統(tǒng)，學(xué)生在觀察動畫的過程中，可以充分調(diào)動各個感官，實現(xiàn)多感官的協(xié)調(diào)配合。三維動畫正是利用了這種多重感官刺激，將文本、圖片、聲音以綜合的形式輸出，實現(xiàn)圖文并茂、學(xué)練結(jié)合。特別是在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，借助形象真實、生動易懂的三維動畫視頻，學(xué)生可以更加高效地掌握生命科學(xué)研究方法和實驗技能，從而進(jìn)一步提升他們在實驗課中“做中學(xué)”的積極性與高效性。

以人教版高中生物學(xué)必修1第6章第1節(jié)“細(xì)胞的增殖”的實驗教學(xué)為例。首先，教師講解有絲分裂實驗原理，突出重難點知識，幫助學(xué)生建立清晰的理論框架。其次，進(jìn)行實驗過程演示與指導(dǎo)，注重實驗操作細(xì)節(jié)與顯微鏡下有絲分裂不同階段染色體變化特征的觀察，培養(yǎng)學(xué)生的動手操作能力和判斷能力。再次，播放三維動畫，展示有絲分裂過程中核仁、核膜、染色體、紡錘體的動態(tài)變化過程，還原微觀實驗的真實細(xì)節(jié)。最后，發(fā)起小組討論，組織學(xué)生將實驗觀察結(jié)果與動畫模擬進(jìn)行比較，分析異同、查找原因并反思不足，實現(xiàn)微觀與宏觀呼應(yīng)、理論與實驗互融的教學(xué)效果，達(dá)成“在做中學(xué)，在學(xué)中思”的教學(xué)目標(biāo)（如圖2）。

三維動畫色彩豐富、視覺效果靈動，將其融入實驗教學(xué)可增強教學(xué)的立體感和空間感，對學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、記憶力、理解能力、交流能力和分析能力等方面具有積極影響。三維動畫能夠揭示外部現(xiàn)象與內(nèi)在規(guī)律之間的邏輯聯(lián)系，幫助學(xué)生透過現(xiàn)象看本質(zhì)，突破思維局限，提升思維的廣度和深度，培養(yǎng)思維的活躍性、發(fā)散性。因此，教師應(yīng)充分利用三維動畫的優(yōu)勢，引導(dǎo)學(xué)生多感官參與教學(xué)全過程，讓學(xué)生“會學(xué)、樂學(xué)”，激發(fā)其探究欲望，提高其深度學(xué)習(xí)能力。

三、呈現(xiàn)逼真效果，培養(yǎng)學(xué)生想象力

用三維動畫呈現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容具有生動的立體效果和空間感，有助于教師創(chuàng)設(shè)形象、逼真的學(xué)習(xí)場景，使學(xué)生在觀察過程中仿佛身臨其境，從而更好地理解晦澀難懂的知識。借助三維動畫展示教學(xué)內(nèi)容，不僅能夠呈現(xiàn)靜態(tài)與動態(tài)相結(jié)合的三維效果，還能將抽象的理論轉(zhuǎn)化為直觀、生動的畫面［8］。三維動畫能夠?qū)?fù)雜的理論知識以直觀的方式展現(xiàn)，使知識從文字轉(zhuǎn)變?yōu)閯赢?，將傳統(tǒng)的靜態(tài)文字知識轉(zhuǎn)化為富有表現(xiàn)力的動態(tài)內(nèi)容，能夠激發(fā)學(xué)生的想象力和創(chuàng)造力，打破學(xué)生思維的局限，培養(yǎng)他們對生物學(xué)等科學(xué)的興趣。

以人教版高中生物學(xué)必修2第3章第4節(jié)“基因通常是有遺傳效應(yīng)的DNA片段”的互動教學(xué)設(shè)計為例。在學(xué)習(xí)單細(xì)胞基因測序技術(shù)，如“CRISPR-Cas9基因編輯技術(shù)”時，教師可以利用逼真的三維動畫演示“Cas9蛋白切割→sgRNA導(dǎo)向→DNA特定靶點切割→DNA基因修飾”的動態(tài)過程，使學(xué)生理解復(fù)雜的基因編輯技術(shù)，熟悉圖形渲染、三維建模、人機交互操作和實驗結(jié)果自動分析等流程（如圖3）。教師可以讓學(xué)生根據(jù)自身興趣，利用三維動畫進(jìn)行學(xué)習(xí)與互動，在虛擬場景中充分發(fā)揮想象力，突破思維局限，從而落實指向因材施教和學(xué)生個性化發(fā)展的沉浸式教學(xué)。

三維動畫所創(chuàng)造的沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境，不僅能使學(xué)生輕松地掌握學(xué)科知識，還能培養(yǎng)學(xué)生敢于想象、大膽創(chuàng)新、開拓進(jìn)取的精神，使其形成正確的科學(xué)觀和世界觀。教師應(yīng)靈活運用三維動畫，創(chuàng)設(shè)生動的教學(xué)情境，努力實現(xiàn)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、創(chuàng)新能力的教學(xué)目標(biāo)。

結(jié)語

以三維動畫為代表的“互聯(lián)網(wǎng)+教育”，成為培養(yǎng)新時代高素質(zhì)人才的關(guān)鍵手段。21世紀(jì)以來，國家間的競爭日趨激烈，其核心是人才的競爭。要在這一競爭中搶占先機，占據(jù)有利位置，必須培養(yǎng)符合新時代發(fā)展需求的高科技創(chuàng)新人才。近年來，我國積極推動“互聯(lián)網(wǎng)+教育”發(fā)展，通過多種方式完善信息技術(shù)，不斷探索教育信息化的實施途徑、呈現(xiàn)方式，持續(xù)推進(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)的深度融合，提升教育質(zhì)量，促進(jìn)教育公平。我國始終堅持用現(xiàn)代化信息技術(shù)和文明成果豐富人民認(rèn)知，推進(jìn)教育觀念、教育內(nèi)容、教育方法、教育手段等與時俱進(jìn)，逐步提升教育競爭力，努力培養(yǎng)適應(yīng)國際競爭和社會需求的新型勞動者與高素質(zhì)人才。

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》明確指出，當(dāng)今世界科技進(jìn)步日新月異，網(wǎng)絡(luò)新媒體迅速普及，人們生活、學(xué)習(xí)、工作方式不斷改變，兒童青少年成長環(huán)境深刻變化，生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)面臨新的標(biāo)準(zhǔn)和挑戰(zhàn)。生物課程教學(xué)要緊跟時代步伐，將科技進(jìn)步的新成果、新技術(shù)融入教學(xué)設(shè)計與實踐，充分體現(xiàn)時代性和創(chuàng)新性。把三維動畫引入生物教學(xué)領(lǐng)域，無疑是對生物教學(xué)方式的改革與創(chuàng)新。隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，生物學(xué)三維動畫教學(xué)資源日益豐富，展現(xiàn)出關(guān)注自然環(huán)境、人類社會、科技文明、環(huán)境保護(hù)和人文關(guān)懷等多元化視角。三維動畫在呈現(xiàn)復(fù)雜知識、激發(fā)學(xué)生興趣、培養(yǎng)思維能力等方面具有獨特優(yōu)勢，為學(xué)生實現(xiàn)知識、技能以及情感態(tài)度與價值觀的發(fā)展提供了重要助力。而隨著信息技術(shù)融入教學(xué)領(lǐng)域，尤其是虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，對學(xué)校硬件設(shè)施和教師專業(yè)能力提出了更高的要求。如何深度整合新技術(shù)和傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計適配的教學(xué)方案，探索科學(xué)的育人路徑，成為廣大教育工作者需要思考與探索的問題。

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