數字化技術與中學生物探究實驗整合的策略與實踐

陳錚

[摘 要]針對中學生物實驗教學中微觀、抽象、操作困難的實驗內容或環節，通過與數字化技術相整合的方式，有效呈現探究性學習情景，提供記錄思維方式的工具，展示思維過程，落實了教學重難點，形成了有效的數字化教學策略。通過問卷調查、評價實驗報告、觀測課堂反饋發現，數字化技術與生物實驗的整合有利于推動學生探究性學習，有利于學生提高學習能力，強化理性思維。

[關鍵詞]數字技術；實驗教學；整合策略

生物學是一門實驗科學，實驗是生物教學的重要組成部分。但中學生物中的很多實驗對象不易獲得，或比較微觀（如細胞工程和基因工程方面的實驗常涉及細胞和有機分子等微觀物質結構），或實驗原理抽象，實驗操作具有一定的技術難度。為此，有效應用信息技術，如利用數碼技術展示顯微觀察實驗和具有較強技術性、原理抽象的實驗，更便于學生理解實驗原理，快速掌握設計實驗的思路與實驗操作方法。

建構主義學習理論認為，學習者獲得知識的過程，并不是通過教師的傳授，而是在一定情境下，在教師和同伴的幫助下，利用必要的學習資料，通過意義建構獲得知識的過程，強調學生是意義的主動建構者[1]。數字化技術與生物實驗教學的整合點，應是學生不容易建構新知識的難點，需要教師幫助學生營造情境或制造機會，通過提供學法，搭建展示平臺等方式降低學習難度，落實重點，激發學生進一步探究的欲望。以下是高中生物實驗教學中合理利用數字化技術的幾點方法。

一、模擬生物進化實驗，幫助學生體驗進化本質

生物教學中的一些宏觀實驗，不能直接用實際生物作為實驗材料，如高中“生物進化”的內容。傳統課堂通常用模型進行模擬實驗，由于模型的非生物屬性與生物的自然屬性有本質區別，因此模擬實驗往往缺少真實性，只能體現生物某一方面的特性，不利于學生對實驗原理產生本質而全面的認識。對于這種情況，可選擇利用網絡學習軟件模擬一些實驗情景，通過豐富的圖文、視頻資料，引導學生進行模擬研究，更深入地了解實驗原理，學習實驗方法，體會實驗樂趣[2]。

1.基因頻率改變實驗中多媒體技術的應用

實驗模擬基因頻率的改變，需要大量不同顏色的樺尺蠖，這是難以在課堂上滿足的條件。以往，這一模擬實驗采用不同顏色的紙片代替樺尺蠖，用彩紙作背景，但由于場地和彩紙顏色的限制，實驗結果不能生動體現進化的本質。采用CAI課件創設情境的方法可以更好地引導學生探究自然選擇在生物進化中的作用。

一是可模擬從19世紀中期到20世紀中期，英國曼徹斯特地區淺色型樺尺蠖和黑色型樺尺蠖所占比例發生劇烈變化的過程。19世紀中期長滿地衣的淺色樹干及樹干上所棲息的淺色與黑色樺尺蠖的數量比例是9∶1。用課件展示隨著英國工業的發展，工廠排出的煤煙使地衣不能生存，結果深色的樹皮裸露，樹干上棲息的淺色與黑色樺尺蠖數量比例變成了1∶9。

二是可設計模擬鳥類捕食樺尺蠖的活動。活動開始，讓學生背對電腦屏幕，教師哨聲一響，學生轉身迅速找到一個樺尺蠖，用鼠標點擊后消失，下一次哨聲響起時，背過身去。這樣重復多次后，統計剩下的兩種顏色樺尺蠖的數量，記在表格中，可計算出不同環境下樺尺蠖種群的基因頻率。通過分析實驗前后的基因頻率，就可以認識到生物進化的實質是基因頻率的改變。進化的過程很漫長，語言的描述相對抽象，而通過計算機模擬，學生直觀地感受并理解了在若干代的自然選擇中樺尺蠖基因頻率的變化。

2.研究生物進化的歷程時多媒體技術的應用

當實驗主要依靠化石證據作為研究依據時，學校也不可能提供很多真正的化石，這時，可通過數字化技術來創設實驗情境和提供研究資料，模擬科學家研究生物進化的歷程。

如播放Discovery研究性學習立體課程軟件電影院中的《生物的進化概述》。Discovery研究性學習立體課程是京文多媒體教育公司與美國DCI公司等多家國內外教育文化傳播機構合作，根據我國素質教育的實際需求開發的一套研究性學習教材。其中包括綜合能力訓練互動軟件、學習體驗VCD、教師和學生參考書，內容涉及地理、化學、生物、物理等操作性較強的基礎學科。其中每張光盤都有一個相對獨立的探究主題，每個主題都有自己的電影院、圖書館、實驗室等。

觀看短片后，由學生小組根據情景提出本組所感興趣的問題。教師將每組提出的問題一一列舉在黑板上，由全班學生共同分析討論其中哪些問題是大家都關心和感興趣的問題，并把這些問題確定為首要問題。經討論得出的首要問題有：現在看到的各種多姿多彩的生物是怎樣形成的？生物進化的證據是什么？生物進化的原因是什么？恐龍是怎樣滅絕的？最后統一將其歸結為“生物進化的歷程”這一探究主題。

根據學生認知能力和自主學習能力的不同，教師可給學生發放平板電腦，讓學生利用Discovery研究性學習立體課程軟件中“化石的證據”主題進行自主學習。教師在這一過程中巡視，回答學生提出的各種問題或進行個別輔導，并鼓勵學生積極探索、克服困難。每個學生要獨立地把各自獲得的知識進行小結，將自己所學習到的知識按一定的邏輯關系理清脈絡、形成一定的知識構架，再依照自己的思路制作PPT文件，并將文件通過網絡平臺與其他同學共享。學生之間將對彼此的研究結果進行評價或提出疑問，再根據班級內交流的結果，進一步修改自己PPT中不準確或需要改進的地方。本著資源共享的原則，學生可以自由選擇保存其他同學的PPT，可以補充到自己的作品中，整合成一份更完善的研究成果。

數字化技術為生物課堂教學開辟了一個新的發展空間，如使生硬的化石資料變得生動活潑，使每個學生都能自由獲取信息，通過數字資料可以看化石，也可以看復原圖，更可以自主比較古生物的特點，形成生物進化的觀點。同時，此過程也是模擬研究科學家不斷發現問題，收集整合資料，思考解決問題的方法，最終得到結論的過程。

可見，利用信息技術創設教學情境帶來的直接效果是，針對一些宏觀實驗，能夠最大化地還原科學研究過程，讓學生在不知不覺中投入其中，更真切地體驗實驗過程，感受探究的樂趣，不斷深化對科學本質的認識，逐漸形成理性思維，提升分析問題和解決問題的能力[3]。

二、數碼設備應用于生物實驗，

提高實驗課的實效性

受實驗條件所限，有一些生物實驗并不能讓全體學生同時操作；還有些實驗的過程步驟較多，若完全用語言敘述，比較繁瑣，學生難以理解和識記，在操作過程中容易出現前后順序顛倒等失誤，造成實驗失敗。為此，筆者曾經嘗試用視頻演示實驗步驟，但是視頻演示過程較快，也不利于學生操作時參考。最終，課題組通過研究發現：以圖代說，將實驗步驟拍照，自制成實驗流程示意圖展示出來，能讓學生一目了然，大大提升了實驗的成功率。

1.以數碼相機記錄實驗過程，自制實驗流程示意圖

組織學生分組實驗，利用數碼相機記錄實驗過程，按照實驗步驟，做成視頻或幻燈片，然后在班級中利用視頻展示真實的實驗過程，對于實驗中遇到的問題、困難以及沒有解決的問題，可以在班級中共同討論，探究解決辦法。

例如，在初中生物“探究不同魚鰭的作用”實驗教學中，一個小組的學生不可能通過實驗探究所有魚鰭的作用，所以實驗分組進行，每個組對某一種魚鰭的作用進行探究，捆綁固定某個魚鰭后放在水里，觀察魚游泳的姿態，同時利用數碼相機錄下每組的實驗過程及實驗現象，待實驗結束后回放，全班學生共同討論實驗結果，得出實驗結論。這使每個組的學生不只能看到自己組的實驗，還能看到其他組的實驗，對完整的實驗有了更全面的了解，增加了實驗的有效性和科學性。

2.以數碼顯微設備直接展示觀察對象，提高觀察實驗的實效

在初中生物實驗中，觀察實驗相對較多，尤其是觀察單細胞生物時，有些學生因顯微鏡操作不熟練而找不到清晰的物像，或者不能辨別出要觀察的對象，這時就會很著急，越急越慌亂，越是觀察不到結果。有的學生甚至離開座位去看其他同學的顯微鏡物像，課堂秩序混亂，觀察效果也不理想。針對這種情況，教師利用數碼顯微鏡，將裝有觀察對象臨時裝片的物像投影出來，清晰的物像很快就吸引了這些學生的注意。他們明確了實驗對象的真實特點以后，再次投入到觀察實驗中，循著目標找物像，成功率就大大提高了。

在高中生物“植物的質壁分離及復原”實驗中，利用數碼顯微設備直接投影的效果也非常顯著。學生參照投影，就能很快找到觀察對象，并且也便于學生更直觀地感受到洋蔥外表皮細胞作為實驗材料的優越性，意識到適宜的實驗材料對實驗成功的重要意義。

三、結語

信息技術的發展，促進了學生學習方式、教師教學方式和師生互動方式的變革，信息技術的優勢為學生的學習和發展提供了豐富多彩的教育環境和有力工具[4]。通過問卷調查、評價實驗報告、觀測課堂反饋發現，數字化技術與生物實驗的整合有利于推動學生探究性學習，有利于學生提高學習能力，強化理性思維，發展學科素養。

參考文獻

[1]張榮華.信息技術與中學生物課程集散式整合途徑探討[J].中國電化教育，2012（11）：117-134.

[2]陳冬梅.構建專題學習網站踐行高效生物課堂[J].科學教育，2010（2）：65-66.

[3]陳宏冬.淺談信息技術環境下現代化生物實驗儀器的使用——例談數碼生物顯微鏡在高中生物實驗中的運用[J].文理導航，2013（3）：49.

[4]胡慶芳.課例研究，我們一起來：中小學教師指南[M].北京：教育科學出版社，2011.

（責任編輯 郭向和）