中學生物學科“智慧學伴”平臺的構建及其應用

王健　王聰　陳博杰　喬文軍　劉穎

關鍵詞：智慧學伴;精準教學;生物學科能力;學科核心素養;知識圖譜

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

文章編號：1006-9860（2019）01-0059-06

在教育教學過程中，學生在課堂中的各種真實學習行為表現通常具有隱性特點，往往難以直接觀察和記錄。精準教學是一種高效、面向知識的教學方法，將信息技術引入教育教學，從教學準確度方面實現精準教學，避免由于累積效應導致準確度的衰減。精準教學從目標定位、活動設計、評價和數據決策等方面循環推進，確保教學各個環節的精準性。由此可以看出，精準教學可以記錄學生的多種學習表現，為教學和學習的改進提供有力的證據支持，從而激發教學的活力?，F有的精準教學，大都是通過計算機輔助教學單方面地收集學生的作業表現，缺乏對學科特有屬性和學生學科能力模型的支持，僅能對學生的作業表現提供分數或等級的反饋，難以對學生在不同能力維度上的表現提供精細的反饋，也缺乏相應學習資源的支持，不利于開展適應學生個性化發展需求的教育。

近年來，信息技術快速發展，并在教育中得到廣泛應用，如何有效地促進教育形態的轉變與教育質量的提升，需要開展深入的研究。在當前大數據和“互聯網+”的社會背景下，將信息技術引入精準教學，基于生物學科的特定屬性和生物學科核心素養，設計信息技術支持的精準教學模式，收集學生學習表現的過程性數據，對學生的學習進行精細化、科學化的綜合評價，是當前教學改進的重要課題。

一、“智慧學伴”學科系統的開發理念模型

學科知識圖譜、學科能力和生物學科核心素養是學生生物學科學習的重要組成部分，也是其終身發展的重要基石，通過整合這三個部分，形成生物學科的學習表現指標系統（如圖1所示），這是“智慧學伴”生物學科系統開發的重要依據，其最終目標是發展學生的生物學科核心素養。這一理念與當前我國基礎教育生物學課程的發展趨勢是完全一致的，能夠對國家課程的有效實施提供強有力的支持。

（一）生物學科核心素養是平臺開發的重要指導思想

生物學科核心素養是生物學科育人價值的集中體現，是學生通過生物學科的學習逐漸形成的正確價值觀念、必備品格和關鍵能力。生物學科核心素養包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任四個方面。

“智慧學伴”生物學科系統的設計以發展學生的生物學科核心素養為根本宗旨，著眼于學生適應未來社會發展和個人生活需要。“智慧學伴”主要通過收集學生在生物學科學習過程中的各種表現數據，對學生的學習進行精準的體檢和診斷，從而刻畫學生在不同階段的發展狀態。

（二）生物學科能力是平臺開發的內在主線

生物學科能力指學生在學習生物學課程過程中所形成的穩定的心理特征，主要包括科學思維方式和解決生物學問題的基本能力。其內涵是系統化和結構化的生物學科知識技能及核心學科活動經驗圖式（穩定的學科經驗結構）對活動的定向調節和執行調節機制。

根據學習的信息加工模型和情境學習理論，生物學科能力可以劃分為學習理解、實踐應用和遷移創新三個水平，每個能力水平又包含三個能力要素。學習理解作為能力基礎，它是學生信息輸入的過程，對應的情境是學習過程中的原型情境。實踐應用是應用水平，是從認知結構中提取有效信息用于初步解決問題的過程，因此，實踐應用主要是信息和經驗結構的初級輸出過程，對應的情境與學習過程中的原型情境相似，學生相對較為熟悉。遷移創新能力則主要是學生對已有知識和能力的高級應用，是信息或經驗結構的高級輸出過程，通常應用于相對陌生的情境或解決復雜問題過程中。

從以上分析可以看出，生物學科能力可以體現學生的學科能力發展水平和階段，“智慧學伴”作為對學生學習進行在線體檢和精準診斷的平臺，需要深入到學生生物學科能力發展的不同水平，因此，生物學科能力體系是開發“智慧學伴”生物學科系統的內在主線。

（三）生物學科知識圖譜是平臺開發的知識載體

知識是學科屬性的重要體現，“智慧學伴”生物學科系統的開發以生物學科的知識作為載體。生物學科知識圖譜的構建需要從生命本質的角度出發，對中學生物學課程內容進行梳理。構建知識圖譜遵循以下原則：

具有統整性，涵蓋生物學科在不同學段的核心知識。

能夠體現生命的本質。

體現生物的運作機制，如生命的結構基礎、內驅力和信息調節。

根據以上原則，將生命的結構層次、生命系統的物質與能量變化、生命系統的信息傳遞與變化作為3個一級維度構建生物學科的知識圖譜。每個一級維度又包含兩個二級維度，分別從個體和群體的水平闡釋生命的本質。每個二級維度又包含相應的核心概念。在生物學科知識圖譜中主要包括3個一級維度，6個二級維度，16個核心概念，如圖2所示。

（四）學習表現指標是平臺開發的基元

學習表現指標是對學生知道什么和能做什么的陳述，既是設計測評工具的依據，也是制定教學目標和學習目標的重要參照。以學生發展的視角作為基本立場，考量學生在經歷生物學科的學習后應當具備哪些核心知識，完成哪些能力活動，從而構建基于核心素養的學習表現指標。

在“智慧學伴”生物學科系統的開發模型中，學生在學科知識、學科能力、學科核心素養三個維度上的表現構成了立體模型中的具體單元。

以核心概念“細胞的結構與功能”為例，可以從不同的側面表征學生的學習表現，部分學習表現指標如表1所示。

在圖1中，“細胞的結構與功能”核心概念與“生命觀念”素養，以及“觀察記憶”學科能力三者共同投射的學習表現指標之一是“識別細胞的結構，并說出細胞各部分結構的功能”，這就是表1中的具體學習表現指標。針對初中生物學課程的知識圖譜，其學習表現指標共有435項。

二、“智慧學伴”的構成要素及其對精準教學的支持

基于發展學生生物學科核心素養的開發理念，以學生的學習表現指標為平臺開發基元，設計針對特定學習表現指標的測試題和微資源（如微課、任務解析等），同時平臺根據學生的自我診斷，自動生成診斷報告，然后基于診斷結果進行精準的資源推送?！爸腔蹖W伴”主要由學習表現指標系統、微測診斷系統和學習資源系統構成，它們之間的關系如圖3所示。

（一）利用微測診斷系統對學生的學習水平進行精準的在線診斷

在“智慧學伴”平臺中，針對每個學習表現指標，有多個微測題與之相匹配，這樣可以保證學生在不同的自我診斷輪次中回答針對同一指標的不同微測題。在微測題的設計方面，題型既包括客觀題（如選擇題、填空題），也包括主觀題（如簡答題等）。在微測題的管理方面，主要通過題目屬性表（如表2所示）的方式對每個題目進行屬性標定，從而使其與相應的學習表現指標進行匹配。

在具體的教學過程中，教師可以根據教學需求，選擇特定的微測題，對學生的學習成果進行多方位的在線診斷，獲得學生在核心概念、學科核心素養、一級學科能力、二級學科能力、具體學習表現指標等方面的表現情況，進而可以在線生成針對學生個人、班級、學?；騾^域的診斷報告。

診斷結果一方面可以幫助學生進行自我評估，另一方面，還可以幫助教師了解學生存在的問題和不足，診斷出學生的學習優勢，從而為教師的教學設計提供強有力的參考。

（二）基于學生學科能力水平提供精準的學習資源推送

課程資源是課程建設和學生學習效果的重要保證，采用知識管理理念統整基于大數據的資源架構是課程資源的發展趨勢。在“智慧學伴”的微資源建設過程中，就是基于這一發展特點進行設計和開發的。

在微資源的設計方面，依據學習表現指標的具體要求，從問題切入，為學生設疑，然后創設有意義的問題情境進行探索，最后提出問題的解決思路，幫助學生形成科學概念，并構建科學的思維路徑和認識方式。

針對每一項學習表現指標，開發多個相應的微資源，一方面可以保證學生能夠獲取豐富的微資源，另一方面也可以保證平臺能夠隨機為學生進行推送相應的微資源，避免同一資源的重復出現。從圖3可以看出，針對學習表現指標I-1，至少有兩個微測題T-1和T-2與之對應，也至少有兩個微資源S-1和S-2與之匹配。在實際的使用過程中，如果學生所選做的微測題為T-1，若表現未達標，系統將從S-1或S-2中隨機選擇一個微資源，精準地推送給學生學習。在檢驗學習效果時，學生可以選擇T-2進行自我診斷。

三、基于“智慧學伴”促進學生發展的教學模式

（一）理論基礎

在教學中，教師要發現學生學習的最近發展區，然后以此為基礎開展教學。最近發展區是指學生的實際發展水平與潛在發展水平之間的差距。前者由學生獨立解決問題的能力而定，后者則是在專業人員的指導下或與能力較強的同伴合作時，學生所表現出來的解決問題的能力。通過學生自學就可以獲得的知識和經驗，可以安排在課前預習階段完成。通過學生自學無法達成的水平要求，則需要教師或同伴在課堂上給予必要的支持和指導，這是維果茨基所提出的最近發展區理論中核心思想的重要體現。

“智慧學伴”為生物學課堂教學提供豐富的測試和學習資源，因此，教學中需要在尊重學生的學習規律和認知特點的前提下，根據學生的最近發展區選擇恰當的教學資源，充分利用這些資源作為支架開展教學活動，提高課堂教學效率。

（二）教學模式構建

根據最近發展區理論，結合“智慧學伴”的特點，從課前、課中和課后三個不同階段靈活使用“智慧學伴”中的微測和微資源，使其與教學過程進行有機整合，從而構建有效的教學模式（如圖4所示）。

在課前環節，主要是由教師布置任務，由學生利用教科書進行預習和自學。由于以測輔學是精準教學的核心機制，所以教師可以根據本節課的教學內容，針對學習理解水平的學習表現指標，選擇典型的微測題，通過“智慧學伴”平臺推送給學生，由學生在線完成微測。然后，教師可以根據平臺自動生成的診斷報告，對學生的作答情況進行分析，即進行學情診斷。接下來再根據診斷報告，進一步設計特定的教學活動，以幫助學生轉變認識。

在課堂教學環節，主要是針對學生存在的錯誤概念或認識偏差，實施教學活動。在這一過程中，需要學生獨立或以小組為單位完成教師設定的活動任務，通過同伴間的討論和交流，以及教師適時和必要的引導，在多重互動的支持下，幫助學生完成概念轉變或形成科學的思維路徑。一方面，對于觀察記憶和歸納概括類的學科能力目標，學生大都在課前可以通過自學達成要求，這部分內容就不需要再占用課堂的有限教學時間。另一方面，針對無法通過自學突破的內容或思維方式，活動任務的設計需考慮情境性和復雜性，以確保學生通過參與特定的活動任務，突破本節教學內容的重難點，促進生物學科能力和生物學科核心素養的發展。

在課后環節，針對實踐應用能力的學習表現指標，教師選擇相應的微測題，布置課后作業診斷學生的學習效果?！爸腔蹖W伴”平臺將根據學生的自我診斷結果，針對相應的學習表現指標，精準推送相應的微資源，供學生進一步的學習和改進。如果學生的作答情況未達到要求，系統將繼續推送相關的微資源，學生通過學習微資源，再通過微測進行自我診斷，依次循環往復，幫助學生在自我反思的過程中改進學習效果，進而鞏固提高。

在學科能力發展方面，在學生課前自學階段，需要初步達到“學習理解”的水平要求。在課中主要進行重難點的突破，從而實現從學習理解向實踐應用能力的過渡。在課后診斷階段，學生根據智慧學伴平臺的反饋報告和自動化學習資源的推送學習，不斷實現生物學科能力的螺旋提升。

（三）教學模式的應用案例

通過運用圖4所示教學模式，通州某中學陳老師于2018年4月在初一的一個班開展“呼吸作用”一節的教學實踐活動。下面主要從課前、課中和課后三個階段呈現簡要的教學思路。

課前自學階段：教師根據教學內容分析，為學生布置針對觀察記憶、概念擴展和科學解釋方面學習表現指標的微測題。學生根據要求，首先自學教科書中關于“呼吸作用”一節的內容，然后完成教師布置的微測題。課前診斷結果顯示，學生在觀察記憶、概念擴展方面的表現良好，但是在科學解釋相關學習指標上的表現不佳。

下面是關于“運用呼吸作用的原理解釋日程生活中與細胞呼吸有關的現象”這一指標的微測題以及學生的具體作答結果。

下列關于動植物呼吸作用的敘述，正確的是：

A.只有動物才進行呼吸作用 （29%）

B.動物睡眠時不進行呼吸作用 （12%）

C.植物只在晚上才進行呼吸作用（41%）

D.植物在白天也進行呼吸作用 （18%，正確選項）

從以上作答情況可以看出，有41%的學生認為植物只有在晚上才進行呼吸作用，這說明學生針對呼吸作用存在錯誤概念，不能運用呼吸作用針對生活中的現象進行科學解釋。因此，課堂教學中將針對這一情況設計相應的學習活動，進行重難點突破。

課上的主要活動任務：根據課前診斷的結果，教師為學生準備了多種植物材料，放人不同的錐形瓶中一段時間。然后分配給不同的小組，讓他們首先預測各瓶中蠟燭的燃燒情況以及是否能夠使澄清的石灰水變渾濁，然后再進行實驗檢驗，將觀察結果記錄在表3中。

根據對實驗預期和觀察結果的比對，在教師的引導下，組織學生討論，最終總結歸納植物的根、莖、葉、花、果實、種子六大器官均可進行呼吸作用，進而幫助學生構建關于呼吸作用的科學認識，轉變學生的錯誤概念，提升其運用呼吸作用原理解釋生活中生物學現象的能力。

課后鞏固提高：教師選擇關于歸納概括、科學解釋、簡單推理、簡單設計方面的微測題，為學生布置課后作業。

下面是關于“運用呼吸作用的原理，解釋發酵技術制作食品的相關操作方法和發生的現象”這一指標的微測題以及學生的具體作答結果。

饅頭、面包膨大松軟，里面有很多小孔，這是因為在制作過程中加入了酵母菌，它的功能是：

A.分解面粉中的有機物，產生了二氧化碳 （91%，正確選項）

B.分解面粉中的有機物，產生了酒精 （0%）

C.分解面粉中的有機物，產生了氧氣 （9%）

D.分解面粉中的有機物，產生了乳酸 （0%）

從以上作答情況可以看出，有91%的學生能夠將呼吸作用原理與發酵聯系在一起，這說明根據診斷結果設計的教學內容，能夠針對性解決學生暴露問題并使學生具有一定解釋生活現象的能力。但也有9%的學生認為分解有機物產生氧氣，說明學生并不能理解發酵的實質是進行呼吸作用，因此“智慧學伴”系統為這部分學生自動推送相匹配微課資源對應學習表現指標的微資源，例如標題為“饅頭中為什么會有大量的空洞呢？”的微資源，供學生進一步學習，加深對相應概念的理解，達到這一學習表現指標的要求。

四、結語

經過為期兩年半的開發和建設，初中生物學科的“智慧學伴”平臺現已包含了微測題218套（1962題）、微資源798套（7182項），涵蓋了初中生物學課程中的所有16個核心概念及其對應的435項學習表現指標。這些資源既可以輔助學生的學習，也可以為教師基于實證數據的教學提供必要的工具和資源支持，進而為其精準教學提供強有力的支撐作用。在運用“智慧學伴”開展教學的過程中，教師針對微測題和微資源的使用方式開展了深入的研究，探索智慧學伴與常規教學的關系，例如在常規教學中嵌入式運用智慧學伴，或者在常規教學中翻轉式運用智慧學伴等多種不同的方式。通過挖掘多重數據的內在關聯，建構學習表現指標之間的網絡結構，以實現精準學習和教學，提高平臺的智能性和適應性，提升教學效果，促進學生的生物學科能力和學科核心素養的發展。