生物智創課堂理念的基本原則和現實意義

宋娟

摘要：在人工智能時代，智慧型、創新型人才的培養是當前基礎教育的基本趨向。本文基于《教育信息化2.0行動計劃》（教技〔2018〕6號）和《普通高中生物學課程標準（2017年版）》的要求，結合具體的課例，從生物智創課堂的理念、基本原則和現實意義三個維度探討構建生物智創課堂的有效途徑。

關鍵詞：高中生物;智創課堂;人工智能

《教育信息化2.0行動計劃》（教技〔2018〕6號）指出，以人工智能、大數據、物聯網等新興技術為基礎，依托各類智能設備及網絡，積極開展智慧教育創新研究，推動新技術支持下教育的模式變革和生態重構。開展智慧教育探索與實踐，推動教育理念與模式、教學內容與方法的改革創新，為智慧型、智能型、創造性、創新性課堂建構理念的提出奠定了理論基礎，明確了研究方向。

一、生物智創課堂理念的提出

2019年3月5日《政府工作報告》提出，打造工業互聯網平臺，拓展“智能+”，為制造業轉型升級賦能。從“互聯網+”到“智能+”，加深這些概念與各個領域的滲透融合，成為國家創新引領的新動能，智能化時代人才的培養也成為當前基礎教育教學的迫切任務。因此，在課堂教學中，轉變教學策略，培養智慧與能力并舉的創新型人才，成為一種必然的課堂教學理念?！镀胀ǜ咧猩镎n程標準（2017年版）》（以下簡稱《課標》）指出，生物學課程要求學生主動地參與學習，在生物學知識的學習過程中，養成科學思維的習慣，形成積極的科學態度，發展終身學習及創新實踐的能力。

基于以上要求，筆者提出了生物智創課堂的理念，并將其定義為：堅持教育教學規律和學生學習規律，將智慧、智能、創造、創新等因子融入課堂教學，以實驗、實踐活動等為載體，有效整合科學技術、傳統文化等資源，對課堂教學進行科學管理的教育教學機制。

二、生物智創課堂的基本原則

1.??? 科學性原則

堅持科學論證是普通高中課程修訂工作的基本原則，它強調以科學理論為指導，遵循教育教學規律，用科學的態度和方法處理問題，形成先進思想和成果，并將其應用于教育教學實踐之中。因此，構建生物智創課堂，必須依據高中生物學科特點，遵循學生思維認知規律，將生物教學內容與教學實踐活動有機結合，并通過科學探究的過程去感知生命、認識世界，提升學生的學科核心素養。

2.??? 生態性原則

《課標》指出，生物學不僅是一個結論豐富的知識體系，也包括人類認識自然現象和規律的一些特有的思維方式和探究過程。生態哲學是生物學科的一個基本觀念，它崇尚整體性和多樣性，注重各要素之間的動態平衡，強調系統的開放性和可持續性[1]。生物智創課堂以“關注情感、尊重差異、促進發展、自然和諧”為教學理念，以生為本，注重教與學過程的互動生成，根據學生的需求設計不同的教學任務，關注學生的可持續發展;在教學中留給學生適當的學習空間，增強學生的可塑性，提高課堂的開放性;遵循以評價促發展的理念，注重評價主體的情感體驗，制定尊重學生個體差異、促進學生全面發展的教學評價策略，彰顯課堂教學的完整與和諧。

3.??? 創新性原則

創新性原則是通過觀察、推理、驗證、探究等思維過程，揭示事物本質的過程。生物智創課堂創造性地轉變教學方式、教學手段和教學內容等，引導學生主動參與知識的學習過程。在教學中創設真實情境，提高學生的活動體驗;運用現代化多媒體技術輔助教學，例如基于VR/AR技術的生物學教學系統可通過傳統實驗的虛擬化、微觀構成的可視化、代謝過程的動態化等，幫助學生有效突破重難點，理解生命現象;注重學生動手實踐能力的培養，指導學生創造性地設計探究活動，滲透“由做題到做事，由解題到解決問題”的高階思維能力。

4.??? 人文性原則

《關于深化教育體制改革的意見》指出，深入開展以愛國主義為核心的民族精神和以改革創新為核心的時代精神教育、道德教育、社會責任教育、法治教育，加強中華優秀傳統文化和革命文化、社會主義先進文化教育。構建生物智創課堂，要結合高中生物學知識，引導學生學習科學史背景材料、了解中國傳統文化中蘊含的生物學原理、利用生物所學知識辨別生活中的“偽科學”現象等，在多樣化的生物實踐活動中滲透家國情懷、培養人文底蘊，實現科學思維與人文精神的融合，落實好立德樹人根本任務。

三、生物智創課堂的現實意義

1.??? 讓生命觀念在課堂教學中自然生成

《課標》指出，生命觀念是人們在認識生命世界的過程中形成的學科特有的觀念和方法，包括“結構與功能觀”“穩態與平衡觀”和“物質與能量觀”等，發展學生的生命觀念是新課標的重要理念之一。在教學實踐中，可通過創設特定的教學情境引導學生完成生命觀念的構建，并以此為指導，探究生命規律，解決實際問題。

例如，高中生物必修1第5章的第3節“ATP的主要來源——細胞呼吸”。學生初中階段對“細胞呼吸”的認知是“在細胞線粒體中發生的將有機物分解成二氧化碳和水并釋放能量的過程”。教師在考慮學生已有知識結構的基礎上，設計問題引導學生完成對高中“細胞呼吸”這一核心概念的認知：（1）?? 原核細胞沒有線粒體結構，如何進行呼吸作用？（2）? 細胞呼吸的各個階段有哪些化學反應，嘗試說出各反應場所的適應性結構特點？（3）試分析細胞呼吸過程中物質的變化和能量的流動情況。

隨后引導學生進行課堂分析：原核細胞雖沒有線粒體，但其生命活動也需要通過呼吸作用提供能量，因此，高中“細胞呼吸”的定義是“有機物在細胞內經過一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其它產物，釋放能量生成ATP的過程”?？紤]到原核細胞的結構特點，細胞呼吸的場所不再局限于初中學過的線粒體，產物也有所不同。之后要求學生結合問題探討描述細胞呼吸的場所、各場所的結構特點等完成“細胞呼吸”的概念構建，初步樹立結構與功能觀、物質與能量觀。

細胞呼吸是微觀的生命過程，內容抽象，對于學生來講是記憶難點。為了加強記憶，更深刻地理解細胞呼吸的內涵，教師結合生活情境創設問題，進行了如下設計：“某活酵母化妝品自稱可通過體溫激活酵母發酵，深入皮膚肌底層，吃掉皮膚上的死皮、角質、粉刺等臟東西，排出皮膚所需的膠原蛋白和氧氣等?！币螅海?）以小組為單位，嘗試結合線粒體結構圖總結細胞呼吸的過程;（2）依據細胞呼吸的過程，對廣告詞進行辨析;（3）有女性使用產品后面部出現紅腫等癥狀，分析原因。

真實的情境有助于完成知識的構建。本節課結合學生的學情特點，通過問題的鋪設，使學生了解不同細胞的呼吸方式和產物，樹立結構與功能相適應、物質伴隨能量生成等生命觀念。“線粒體結構圖”“活酵母化妝品廣告”等情境的引入，使得“細胞呼吸”的過程在學生動手操作中變得形象直觀，加深記憶效果的同時促進所學概念的遷移應用。這樣的課堂教學不僅能幫助學生理解概念本質，而且使學生認識到生物知識在生活中的實踐價值，提高了學生對生活實際做出理性解釋和判斷的能力。

2.??? 讓科學思維在實驗教學中逐步提升

《課標》要求學生能夠結合生物學知識，運用歸納與概括、演繹與推理、批判性思維等科學思維認識事物、解決實際問題。生物是以實驗為基礎的自然科學，回顧生物科學史的發展過程，發現都是在科學思維的指導下，通過探究活動證實生物學概念、原理的。在教學實踐中，筆者通過驗證型實驗的創新、探究型實驗的論證和設計型實驗的拓展等途徑構建以科學探究為引領的生物實驗智創課堂，引導學生利用科學思維進行實驗活動，實現創新能力的培養。

例如驗證型實驗“探究酵母菌呼吸產物”，筆者認為該課本實驗有以下不足：（1）實驗裝置氣密性不易掌控，操作繁瑣;（2）該實驗裝置需要較長的反應時間;（3）實驗設計不科學，如無氧呼吸的實驗裝置不嚴謹、實驗材料葡萄糖未排除其它雜菌的干擾、缺少對照等。因此，在教師指導下，學生利用注射器對實驗裝置進行改進。

教材指出，依據酸性條件下重鉻酸鉀使酒精呈灰綠色的原理檢測酒精的生成。在實際操作中，有學生誤將此指示劑滴入葡萄糖溶液中，發現溶液也變灰綠色。查閱化學資料后，學生得知重鉻酸鉀是一種強氧化劑，與葡萄糖溶液也會發生氧化反應，干擾了實驗結果。經討論后有學生提出先用斐林試劑檢測葡萄糖是否反應結束，再用指示劑檢測酒精的生成更具有科學性。

在該實驗教學中，學生不僅創新性地采用注射器進行實驗設計，解決了實驗的氣密性問題，而且根據探究性實驗的設計原則，以質疑、聯想、審辯等科學思維為指導，對課本實驗進行批判性分析、改良和探究，實現了創新思維能力的培養。酸性重鉻酸鉀使葡萄糖溶液變灰綠色的發現，激發了學生的求知欲，促使學生開展進一步的探究，將驗證性實驗和探究性實驗結合，實現了生物與化學知識的交叉滲透，體現了知識的綜合性。

3.??? 讓科學探究在人工智能應用中錦上添花

發現生活中的生物學問題，分析論證后對結果進行交流探討是《課標》對學生科學探究能力的要求。高中生物教學中培養學生科學探究能力可提高學生的積極性，發展自主學習能力，逐步提升科學素養。縱觀高中生物教材，探討生命的本質大多以微觀為主，要將知識快速深刻地被學生掌握，需要結合生活資源，依靠直觀的教學手段。近年來，隨著人工智能技術在各行業的迅速崛起，人工智能與學科教學相結合成為未來教學的發展趨勢。以生物傳感器為例，它是一種對生物物質敏感并將其濃度轉換為電信號進行檢測的儀器，能夠將定量實驗的結果用數字、圖表等形式精確地顯示出來[2]。

例如，在驗證性實驗“探究酵母菌呼吸產物”中，利用CO2傳感器、溶解氧傳感器、數據采集器等，可將此定性實驗提升為定量實驗，直觀地觀察到酵母菌在呼吸過程中的CO2和O2含量的變化情況。在酵母菌活化的基礎上，將平底三口燒瓶固定在磁力攪拌器上，一個口加入酵母菌培養液，一個口插入溶解氧傳感器，另一個口插入CO2傳感器，將傳感器連接數據采集器，再連接電腦，這樣就可以同時測定酵母菌溶液中溶解氧和密閉裝置中CO2濃度的變化。

本實驗自變量是溶解氧濃度，通過溶解氧傳感器進行實時監控;因變量是呼吸速率，通過CO2傳感器進行定量測定。通過傳感器實時記錄的數據，分析不同時間段的溶解氧濃度和CO2變化速率，既可以分析出酵母菌的呼吸方式，也可以反映出O2濃度對酵母菌細胞呼吸速率的影響。

4.??? 讓社會責任在實踐活動中落地生根

實踐活動與課堂教學相輔相成，在活動中可以幫助學生領悟自然科學的內涵，提高生物學習的趣味性，培養學生解決實際問題的能力。高中是價值觀、世界觀的形成期，以社會責任感為核心的實踐活動能夠幫助學生開拓視野，樹立造福人類的使命意識。因此，在生物教學中，可通過挖掘生物教材、參觀生物企業、開發本地生物資源等途徑將社會責任感的培養融入實踐活動的教學中，豐富教育教學途徑，弘揚奉獻精神。

例如，高中生物必修2第6章第2節中的資料分析介紹了轉基因生物和轉基因食品的安全性，在此基礎上，教師設計了課外實踐活動《轉基因食品的安全性》。課例要求：（1）到超市調查是否存在轉基因食品，了解其類別和比例;（2）查閱文獻或實地調查我國轉基因食品的相關法律法規、產品的研發和推廣現狀;（3）通過調研活動所搜集的資料，組織以“轉基因食品是否安全”為辯題的辯論賽。

為了進一步幫助學生了解生物工程，樹立生命科學的研究意識，課余時間教師帶領學生參觀學習了本市的生物企業——“七河生物”，了解企業發展歷史的同時觀看了菌種的生產技術，其中通過當地野生菇的分離純化和單孢子雜交技術培育的“七河7號”香菇菌棒，引起了學生的興趣，他們結合生物所學的雜交育種知識向科研人員討教學習。“七河生物”感恩社會，回報社會的企業文化讓學生深有感觸，學習科研技術的同時滲透社會責任感的生成。

理論是從直接經驗出發的，通過對教材章節內容的深度分析，將實踐活動融入其中，加深學生對知識理解的同時增強了生物教學的系統性，為培養學生解決生產生活問題的能力奠定基礎。定期帶學生參觀相關企業廠區和車間，能夠加深學生對產品制造流程的深入了解，提高學生參與社會事務討論的能力和主人翁意識。

參考文獻：

[1]?? 岳偉，劉貴華.走向生態課堂——論課堂的整體性變革[J].教育研究，2014（08）.

[2]?? 蔡三娟.傳感器在中學生物學實驗中的應用[J].生物學教學，2016（01）.

【責任編輯 郭振玲】

該文為山東省淄博市教育科學“十三五”規劃2018年度立項重點課題“基于審辯思維立意的生物智創課堂建構策略研究（2018ZJZ017）”的部分成果