利用WISE“光合作用”項(xiàng)目促進(jìn)初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新

姚海霞

[摘? ?要]遵循勢(shì)科學(xué)理論，基于信息技術(shù)中的WISE虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以平臺(tái)中的“光合作用”項(xiàng)目為例，通過校本改造，開展網(wǎng)絡(luò)虛擬探究與真實(shí)實(shí)驗(yàn)整合的初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新實(shí)踐。

[關(guān)鍵詞]WISE“光合作用”項(xiàng)目;本土化;實(shí)驗(yàn)教學(xué);創(chuàng)新

[中圖分類號(hào)]? ? G633.91? ? ? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? ? A? ? ? ? [文章編號(hào)]? ? 1674-6058（2019）17-0011-03

勢(shì)科學(xué)理論提出創(chuàng)新人才的培養(yǎng)應(yīng)遵循“差別促進(jìn)聯(lián)系，聯(lián)系擴(kuò)大差別”的勢(shì)增原理，其教育動(dòng)力學(xué)本質(zhì)就是營造最強(qiáng)的教育信息勢(shì)。在初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師發(fā)掘一些反差大的情景，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和好奇心，即營造強(qiáng)大的教學(xué)信息勢(shì)，可以使學(xué)生主動(dòng)調(diào)動(dòng)已有知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)查找解決問題的方法，通過主動(dòng)思考、實(shí)驗(yàn)觀察、實(shí)踐探究獲得新知識(shí)。下面以《光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣》一節(jié)為例，闡述如何利用WISE“光合作用”項(xiàng)目促進(jìn)初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新。

一、WISE中的“光合作用”項(xiàng)目簡介

WISE是Web-based Inquiry Science Environment（基于網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)探究環(huán)境）的簡稱，是美國國家科學(xué)基金會(huì)資助加州大學(xué)伯克利分校瑪麗·琳教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的一種網(wǎng)絡(luò)虛擬仿真探究學(xué)習(xí)平臺(tái)。該平臺(tái)已開發(fā)出了包括物理、化學(xué)和生物等多個(gè)全球免費(fèi)開放的資源庫，教師可修改里面的課程用于個(gè)性化教學(xué)。

WISE中的“光合作用”項(xiàng)目最初是2012年伯克利大學(xué)的Ryoo和Linn教授發(fā)布的，適用于美國六至八年級(jí)學(xué)生的項(xiàng)目，學(xué)習(xí)時(shí)間為4～5小時(shí)。該項(xiàng)目包含大量的虛擬實(shí)驗(yàn)、仿真動(dòng)畫和動(dòng)態(tài)模型等學(xué)習(xí)工具，它能將不易看到的、復(fù)雜抽象的知識(shí)形象化、生動(dòng)化和趣味化。例如，虛擬探究“影響植物光合作用的因素”，不僅能讓學(xué)生直觀觀察自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而且可以同步處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但是該項(xiàng)目沿著“能量來源→能量轉(zhuǎn)化→能量利用”的主線組織探究，涉及光合作用、能量守恒定律、氧化還原、生態(tài)系統(tǒng)、食物鏈、食物網(wǎng)等知識(shí)，跟人教版初中生物學(xué)教材的編寫邏輯不同，故需進(jìn)行本土化改造方可用于教學(xué)。

二、WISE中的“光合作用”項(xiàng)目的本土化改造

（一）內(nèi)容與學(xué)情分析

光合作用相關(guān)內(nèi)容隸屬《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》第四大主題“生物圈中的綠色植物”，要求教師幫助學(xué)生形成一個(gè)重要概念“綠色植物能利用太陽能（光能），把二氧化碳和水合成貯存了能量的有機(jī)物，同時(shí)釋放氧氣”，要求學(xué)生學(xué)會(huì)：1.闡明綠色植物的光合作用;2.舉例說出綠色植物光合作用原理在生產(chǎn)中的應(yīng)用;3.說明綠色植物有助于維持生物圈的碳氧平衡。《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》建議開展“探究光合作用的條件、原料和產(chǎn)物”活動(dòng)。

人教版初中生物學(xué)教材將光合作用分為兩節(jié)來學(xué)習(xí)。第四章《綠色植物是生物圈中有機(jī)物的制造者》，通過實(shí)驗(yàn)“綠葉在光下制造有機(jī)物”闡明光合作用制造有機(jī)物（淀粉）、綠葉進(jìn)行光合作用的重要條件，以及光合產(chǎn)物構(gòu)建了植物體也養(yǎng)育了其他生物;第五章第一節(jié)《光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣》闡述光合作用的實(shí)質(zhì)及其原理在生產(chǎn)實(shí)踐中的應(yīng)用，強(qiáng)調(diào)了光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣具有調(diào)節(jié)大氣碳-氧平衡的作用。兩節(jié)內(nèi)容共同呈現(xiàn)了光合作用的完整概念，強(qiáng)化了綠色植物作為生產(chǎn)者在生物圈中的作用。此外，教材設(shè)置了經(jīng)典實(shí)驗(yàn)分析、設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)、演示實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容，加深學(xué)生對(duì)光合作用概念的理解。通過第四章的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)光合作用有了新的認(rèn)知，知道“光合作用使光能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲(chǔ)存在有機(jī)物質(zhì)中”“光合作用養(yǎng)活了地球上的生物”，形成了“生態(tài)系統(tǒng)中流動(dòng)的能量來自于光合作用固定的光能”等初步概念。

信息時(shí)代的學(xué)生對(duì)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)的接受能力非常強(qiáng)，只需給予簡單的說明就可以摸索探究出網(wǎng)頁操作方法和技巧，所以他們使用WISE虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)沒有操作性障礙。

因此，學(xué)生能理解美國WISE中“光合作用”項(xiàng)目以能量為主線的描述，我國教師根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行改造，開展“慕課”教學(xué)是可行的。

（二）本土化改造

根據(jù)以上內(nèi)容與學(xué)情的分析，筆者對(duì)WISE“光合作用”項(xiàng)目進(jìn)行了本土化改造，一是刪除了平臺(tái)上關(guān)于太陽光的組成、能量的守恒、氧化還原反應(yīng)等物理、化學(xué)探究活動(dòng);二是從任務(wù)清單中刪除植物的生長、生態(tài)系統(tǒng)、食物鏈和食物網(wǎng)等知識(shí)，使之成為輔助閱讀材料;三是根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)目標(biāo)，添加學(xué)習(xí)資料和設(shè)置新的學(xué)習(xí)任務(wù);四是根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)的難度利用WISE設(shè)計(jì)項(xiàng)目的分組功能，將遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)的內(nèi)容分為獨(dú)立完成的任務(wù)（簡稱“獨(dú)學(xué)任務(wù)”）和小組合作的任務(wù)（簡稱“合作任務(wù)”）;五是利用WISE設(shè)計(jì)項(xiàng)目的分步呈現(xiàn)功能，將“學(xué)習(xí)反饋”模塊的探究任務(wù)隱藏至面授課才呈現(xiàn)。此外，為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和思辨思維，筆者設(shè)計(jì)項(xiàng)目“探究任務(wù)”時(shí)，將每一個(gè)任務(wù)的第一個(gè)活動(dòng)均設(shè)計(jì)為引導(dǎo)學(xué)生調(diào)動(dòng)已有知識(shí)經(jīng)驗(yàn)的探究活動(dòng)。

三、開展網(wǎng)絡(luò)虛擬探究與真實(shí)實(shí)驗(yàn)整合的創(chuàng)新教學(xué)實(shí)踐

《初中生物實(shí)驗(yàn)有效教學(xué)研究》（劉艷紅，2013）指出，虛擬實(shí)驗(yàn)可有效幫助學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)步驟、評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案;實(shí)驗(yàn)周期長不易觀察現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)，如“探究種子的萌發(fā)”“探究光對(duì)植物生長的影響”，適合用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)。虛擬實(shí)驗(yàn)不能代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)，同一實(shí)驗(yàn)學(xué)生做真實(shí)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的“情感信息勢(shì)”更大。據(jù)此，筆者將虛擬實(shí)驗(yàn)與真實(shí)實(shí)驗(yàn)有機(jī)整合，開展相關(guān)創(chuàng)新教學(xué)。教學(xué)過程如下：

（一）觀看小電影《瑪麗的煩惱》，領(lǐng)受學(xué)習(xí)任務(wù)（布置任務(wù)）

教師先播放小電影《瑪麗的煩惱》：“紐約州6年級(jí)小學(xué)生瑪麗，需要在冬天種植黑麥草給她的寵物兔子吃。她在溫暖的玻璃陽臺(tái)用花盆種麥草，可是麥草長得很不好。她非常苦惱，她想知道怎樣做才能種出能量最豐富的麥草給兔子吃。”然后提問：“同學(xué)們，你們能幫助小瑪麗解決她的煩惱嗎？你們覺得她應(yīng)該怎樣布置陽臺(tái)才能種出能量豐富的麥草？”

教師布置任務(wù)：

任務(wù)1：登錄“WISE”課程網(wǎng)址，按時(shí)完成指定課程的學(xué)習(xí)。（網(wǎng)址：http：//wise.berkeley.edu/ ;課程編號(hào)80128）

任務(wù)2：小組合作繪制玻璃溫室的設(shè)計(jì)圖。要求設(shè)置合理，環(huán)保節(jié)能，及培育出的植物茁壯成長，能量豐富;注明每項(xiàng)設(shè)計(jì)的科學(xué)原理。

設(shè)計(jì)意圖：本環(huán)節(jié)是《綠色植物是生物圈中有機(jī)物的制造者》課堂教學(xué)的最后環(huán)節(jié)“實(shí)踐拓展”，意在創(chuàng)造教學(xué)“情感信息勢(shì)”，激發(fā)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決生活實(shí)際問題的熱情。“設(shè)計(jì)溫室”是貫穿整個(gè)第五章的學(xué)習(xí)任務(wù)主線。

（二）登錄WISE，完成遠(yuǎn)程探究課程（自主研學(xué)）

學(xué)生按照指引登錄學(xué)習(xí)賬號(hào)，進(jìn)入課程學(xué)習(xí)頁面，根據(jù)探究地圖完成學(xué)習(xí)任務(wù);教師登錄平臺(tái)監(jiān)控和觀察學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，督促學(xué)習(xí)進(jìn)度落后的學(xué)生加快學(xué)習(xí)進(jìn)度，解決學(xué)生學(xué)習(xí)中遇到的問題。

設(shè)計(jì)意圖：WISE是基于網(wǎng)絡(luò)的信息交流和查詢平臺(tái)，師生、生生在課程中的交流既可以設(shè)為私密交流，也可公開討論，這既讓學(xué)生有安全感，又讓教師的輔導(dǎo)更有效。

“獨(dú)學(xué)任務(wù)”要求學(xué)生在參與合作探究前必須儲(chǔ)備信息和知識(shí)，并自己內(nèi)化。“合作任務(wù)”難度較大，需要收集更多的信息，群策群力。總之，這是為了讓學(xué)生主動(dòng)思維，積累自身發(fā)展的信息勢(shì)的教學(xué)環(huán)節(jié)。

（三）真實(shí)實(shí)驗(yàn)探究“光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣”（課堂合作）

導(dǎo)入新課：通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)，大家對(duì)小瑪麗的溫室小屋又有什么新的設(shè)想呢？植物光合作用除了需要光以外還需要什么條件？還能產(chǎn)生哪些物質(zhì)？

學(xué)生根據(jù)研究計(jì)劃自主探究“葉綠體是光合作用的場(chǎng)所嗎？”“二氧化碳是光合作用的原料嗎？”等等。教師的工作是巡視指導(dǎo)、組織評(píng)價(jià)交流活動(dòng)。

教學(xué)活動(dòng)流程為：實(shí)驗(yàn)探究→實(shí)驗(yàn)分析→得出結(jié)論→展示交流→評(píng)價(jià)反思→設(shè)計(jì)改良→驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)→撰寫報(bào)告。

設(shè)計(jì)意圖：因?yàn)闀r(shí)間的限制，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課幾乎沒有時(shí)間讓學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，反思實(shí)驗(yàn)操作。把實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案放在網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程輔導(dǎo)，讓教師和學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備更充分，實(shí)驗(yàn)速度更快，這就讓師生能夠從容地分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，反思和重復(fù)實(shí)驗(yàn)，更有利于培養(yǎng)學(xué)生的思辨思維。

（四）闡明光合作用實(shí)質(zhì)（課堂提升）

七年級(jí)學(xué)生的抽象思維能力較弱，他們通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和真實(shí)實(shí)驗(yàn)獲取了大量的信息，但是這些信息是呈碎片狀散亂地分布在他們的大腦里的。腦科學(xué)研究指出，只有有序排列的信息才能在需要使用時(shí)迅速調(diào)取出來。故教師設(shè)計(jì)了如下活動(dòng)引導(dǎo)學(xué)生逐步概括光合作用的實(shí)質(zhì)。

1.復(fù)習(xí)舊知，為新課做好鋪墊。

活動(dòng)一：展示優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，回顧真實(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，概括實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

2.引導(dǎo)探究，闡明光合作用的實(shí)質(zhì)。

活動(dòng)二：利用表格總結(jié)光合作用的原料、場(chǎng)所、產(chǎn)物、條件，分析光合作用過程中物質(zhì)和能量的變化規(guī)律。

活動(dòng)三：利用WISE平臺(tái)上的模型繪制板，繪制一幅光合作用過程示意圖（如圖1）并向你的同桌介紹你所繪的示意圖。

《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》倡導(dǎo)“有條件的學(xué)校還可以適當(dāng)引入多媒體技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)”。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能讓學(xué)生在虛擬環(huán)境下參與實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程，成為實(shí)驗(yàn)的親歷者而不再是旁觀者。但初中生物虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)很少，可以免費(fèi)使用的主要有國內(nèi)的同步實(shí)驗(yàn)室與美國的WISE。利用WISE中的已有項(xiàng)目，根據(jù)學(xué)校和學(xué)生的實(shí)際進(jìn)行本土化教學(xué)，是營造實(shí)驗(yàn)教學(xué)強(qiáng)大教育信息勢(shì)的有效手段，是初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)創(chuàng)新的有益嘗試。

（責(zé)任編輯? ? 黃春香）