數字教育出版情境創設的路徑探析

摘要：教育部印發的《義務教育生物學課程標準（2022年版）》提出，在教學過程中，教師要選擇恰當的真實情境，設計學習任務。學生要能夠運用科學思維探討真實情景中的生物學問題。情境的創設是數字出版的重要手段，數字出版能為教學創設更好的情境，二者相輔相成。然而，并非以數字化手段呈現的情境都是有效的，如果設計理念不正確，就無法達到預期效果。所以，數字出版應基于新課程標準要求，注重資源制作中情境創設的有效性、合理性。文章從教師、教學素材和學生三個角度出發，以初中生物學中的“光合作用”內容為例，闡述在數字教育出版中通過“創設交互情境—構建概念體系—解決真實問題”模式，有效創設教學情境，提升數字出版質量的方法。

關鍵詞：情境創設；數字出版；科學史；學科素養；建模

中圖分類號：G434；G633.91 文獻標志碼：A 文章編號：1674-8883（2022）23-0204-04

一、教育出版情境創設現狀

（一）忽視情境創設

學生核心素養是否得到了發展，其根本在于能否利用學到的知識解決現實生活中的問題。因此，學生要掌握重要的知識概念，并掌握解決問題的方法。然而，目前已有的大部分數字資源在講解知識概念時，直接呈現知識原理，并不重視情境創設，即沒有為學生提供理解概念和解決問題的舞臺。

例如，在初中生物學“光合作用”這一內容的學習過程中，學生要掌握概念，就必須要知道光合作用的原料、反應條件、反應場所及產物等。在策劃這一數字資源時，可以基于學生的生活經驗提出問題，呈現相應的場景，讓學生在真實情景中分析問題并形成概念。在此基礎上，再將知識遷移到現實生活中，嘗試解決問題。

（二）情境創設失真

學生所使用教材的文字是經過專家團隊逐字逐句反復推敲過的。一句看似簡單的話語，一幅看似常見的插圖，其都可能具有豐富的含義。在教師解讀教材信息前，學生很難深入領悟其內涵。數字技術可以多維度、立體化、可視化地呈現抽象概念，能提升學習興趣，有效降低學習難度。

然而，如果情境設計不合理，則無法達到預期效果。信息在傳遞和轉換過程中出現的衰減趨勢被稱為“漏斗效應”。一些平臺為學生提供的數字出版資源，其對教材內容的解讀，對某些知識點的講解并未真實、準確地呈現知識的內涵，甚至出現斷章取義的情況，給學生提供了錯誤的情境元素。

（三）難以體現教師教學的個性化

現成的情境化教育資源能夠豐富教師的課堂教學，更好地呈現微觀的、抽象的、豐富多彩的知識世界。學生是具有獨立思想的個體，需要擺脫束縛、釋放個性，進行個性化學習[1]。教師也是獨立的個體，他們也需要根據自己學生的學習特點、自身的特長和教學習慣，制定一套有利于師生共同成長的個性化教學方案。然而，目前常見的情境化數字教育資源，如動畫、視頻等，無法二次編輯，難以滿足教師多樣化的教學需求。

針對以上問題，筆者嘗試以“光合作用”這一內容為例，談談如何通過數字出版為中小學教育教學創設情境，并兼顧學生的個性化學習和教師的個性化教學。

二、課程標準強調有效情境創設

新課標要求高度關注學生學習過程中的實踐經歷，要選擇恰當的真實情境，設計學習任務，讓學生解決真實情境中的問題或完成實踐項目。教師評價時，要以真實的任務情境為背景……[2]以“光合作用”為例，新課標的要求是“學生能夠運用植物光合作用解釋生產生活中的相關現象”。教師上課時可以引導學生通過科學史，了解科學家探究光合作用的歷程，認識到科學的發展是眾多科學家長期探索、共同努力的結果等[3]。

“光合作用”是中學生物學的重要內容，科學家們的探究歷史資料豐富，其中有一系列經典實驗。如果能讓學生站在科學家們的角度，在相應的時代背景下，針對遇到的問題提出解決方案，那么能夠鍛煉學生的思維能力，有效提升科學素養。

三、教育出版情境創設的有效路徑

教育部等部門聯合印發的《關于大力加強中小學線上教育教學資源建設與應用的意見》和《關于推進教育新型基礎設施建設構建高質量教育支撐體系的指導意見》，均對數字教育資源建設提出要求。課堂教學是教師、教學材料、學生三者之間相互作用的過程[4]。優質的數字化教學材料是教學過程的催化劑，能讓教師的課堂更精彩，讓學生的學習更有效。

例如，“光合作用”是初中生物的學習重點。光合作用看不見、摸不著，具有一定的抽象性，學生理解、運用這個知識點有一定難度。在中學階段，還有很多與之類似的知識。這一類難點應該如何突破？筆者認為，可以從根源出發，找到知識出處，挖掘其背后的有趣故事。

以“光合作用”為例。歷史上，多位科學家接力式地探索，“謎團”才逐漸被揭開。市面上與科學史相關的書籍大多深奧晦澀，數字出版技術則能將抽象的科學史形象直觀地展現出來，為學生再現歷史情境。在這類數字資源的建設中，需要注意六點。

（一）情境素材的選取應適切，聚焦有效信息

從范·海爾蒙特到普利斯特萊、揚·英根豪斯、薩克斯、恩格爾曼、魯賓和卡門、卡爾文，這幾位科學家的經典實驗將光合作用的原料、條件、發生場所、產物描述清楚了。這些科學史材料適于提供給學生，而科學歷史上其他的科學家，如分離出葉綠素的佩利蒂歐和卡文陶，測出光合作用釋放的氧氣和吸收的二氧化碳體積比值接近1的梅耶等[5]，則無須在教學情境中為學生一一呈現。

數字教育資源增強了信息的承載能力，加速了信息的傳播，同時也易造成信息泡沫[4]，給學生增加學習負擔，所以選材要適切，不能為了創建情境堆砌素材。教學情境的創設是為了讓學生置身于光合作用探究歷程中，跟隨科學家的腳步，還原當時的探究過程，逐步構建出清晰的概念。“葉綠素的分離”“釋放的氧氣和吸收的二氧化碳體積的比值”這樣碎片化的情境一旦出現在初中生的學習素材中，勢必割裂他們的思維過程，分散他們的注意力。對于常年從事科學研究的，有豐富科研經驗的科學家來說，全面的研究資料能夠讓他們獲取靈感。但對于初中生而言，龐雜而無效的情境碎片，會讓他們迷失在概念構建的過程中。

（二）情境素材的呈現須真切，還原真實場景

范·海爾蒙特的實驗發生在17世紀上半葉，教學中呈現他的科學研究一般是為了分析其“錯誤的結論”——樹木重量的增加來自雨水而非土壤。但是，反觀其開展實驗的年代，在400多年前，他通過實驗稱量得出“土壤在五年時間里減少了0.6克”，如此精確的實驗結果令人驚嘆，能有這樣的發現實在很不簡單。而且，當時海爾蒙特做這個實驗是為了證明“水是所有物質的源泉”。海爾蒙特對自己的實驗結果很滿意，他認為他的實驗證明了水是植物生長的最基本的要素[6]。雖然他的實驗結論并不準確，但這一實驗結果仍能啟發學生思考：海爾蒙特的柳樹實驗中，減少的0.6克是誤差嗎？這些“土壤”是如何“散失”的？其實，這缺失的0.6克“土壤”是植物生長消耗掉的養分。通過對科學史情境、素材的客觀評價與深度挖掘，能為學生提供更多可以探尋的教學切入點。

在展現這一科學史料時，需要充分了解人物的時代背景，以及科學研究的前因后果，使數字資源的畫面背景、人物著裝、人物形象符合時代背景以及人物性格。

海爾蒙特出身于貴族家庭，在學有所成之后，經歷過迷茫而又叛逆的青年時代。得益于偶然的機會，他被點醒，開始博覽群書，成為一位不求名利的科研人員。他悉心鉆研，追求真理，認為生命基本上是一個化學現象[6]。在呈現海爾蒙特實驗這一情境的資料時，可以在動畫或視頻畫面上添加一些元素，讓學生了解到，海爾蒙特是一位擅長化學研究的科學家，讓學生了解這位偉大的科學家的重大貢獻。通過對科學史料的深度挖掘，為學生呈現更加接近歷史真相的情境素材，而不是一段架空研究背景的現代動畫，這會讓學生受益匪淺。

（三）情境素材的設計重交互，鼓勵學生參與

新課標提出，教學過程重實踐，學生的學習過程是主動參與的過程，要選擇恰當的真實情境，設計學習任務，讓學生積極參與動手和動腦的活動[3]。怎么讓學生參與到遙遠的歷史中，“親歷”科學家的探究之路呢？筆者嘗試通過Html 5技術，設計交互程序，讓學生了解科學家所處的時代背景，嘗試動手構建實驗模型，觀察“實驗”結果。

在光合作用研究歷史中，科學家普利斯特萊發現，因為動物呼吸或蠟燭的燃燒而使得“有害”的空氣能被植物重新復原[6]。這個發現對初中學生來說，理解的難點不在于實驗結論本身，而在于普利斯特萊為什么要設置這樣的實驗，什么是“有害”的空氣？經過小學科學的學習，學生已經熟知空氣、氧氣、二氧化碳等前概念，他們不理解，普利斯特萊所描述的“有害”空氣就是現在所說的二氧化碳。他們獲得的前概念反而成為學習該實驗的障礙，要了解普利斯特萊實驗設計的精妙之處只能通過情境創設來呈現。

制作交互型數字資源時，首先要將當時的科研背景交代清楚，即人們還不清楚空氣的具體成分。普利斯特萊在實驗前一直認為動物和植物對空氣的影響是相同的。并不知道植物能夠產生氧氣。此外，當時有科學家提出，空氣中含有某種“生命的神秘食物”在植物的生長過程中起到了作用[6]。交代清楚這些事實后，在交互程序中為學生們提供研究“素材”：動物（小鼠）、植物、點燃的蠟燭、玻璃鐘罩，還原研究場景，如圖1。

學生在交互程序中進行虛擬設計，通過動手操作，構建實驗模型。在本交互程序的設計中，所有實驗場景都需要以太陽作為背景，以強調普利斯特萊是在有光照的條件下完成實驗的；玻璃鐘罩罩在任何物體上后，默認鐘罩內是密閉的環境，如圖2。

交互程序的響應需要符合這樣的邏輯：當學生將點燃的蠟燭單獨放在密閉的玻璃鐘罩內，即學生在電腦上將點燃的蠟燭拖拽到玻璃鐘罩里之后，能夠觀察到（界面呈現的效果）蠟燭燃燒一段時間后，逐漸熄滅；將小白鼠單獨放在密閉的玻璃鐘罩內，能夠觀察到小白鼠活動一段時間后，慢慢死亡；將植物與點燃的蠟燭一起放在密閉的玻璃鐘罩內，一段時間后，能夠觀察到蠟燭還未熄滅；將小白鼠與植物一起放在密閉的玻璃鐘罩內，一段時間后，能夠觀察到小白鼠仍然能夠正常地生活，如圖3。

觀察、分析虛擬的“實驗結果”后，能夠得出結論：植物能更新空氣。通過交互程序的虛擬操作，學生深度“參與”了科學實驗模型的搭建，體會科學家的設計思路。

（四）借助思維導圖梳理重點概念，構建知識體系

通過動畫為學生呈現形象的歷史畫面，以及科學家背后的有趣故事。通過交互程序，讓學生動手實驗，重走科學家的探索之路。最后，將科學家們各自的研究結論呈現給學生，讓學生基于自己的理解，構建光合作用的概念。此時，可以為學生呈現光合作用科學史的思維導圖[7]，讓學生回憶海爾蒙特、普利斯特萊、英根豪斯、恩格爾曼這幾位科學家的重要貢獻，嘗試構建光合作用的概念框架，如圖4。

（五）優化資源設計彰顯教學個性，展現教學差異

數字教育出版資源在技術要求上有一定的門檻。例如，動畫制作需要用到專業的軟件，基于Html5的交互設計需要進行專業的界面設計并編寫代碼等。這對于大部分教師來說，即使有數字資源的源文件在手，也無法通過二次加工融入自己的教學設計理念。筆者認為，數字出版行業可以從以下兩個角度，考慮實現教師的個性化使用數字資源。

1.提供碎片化的數字情境資源

對于動畫或視頻類的數字情境資源，可以為教師提供簡短的、碎片化的資源，同時設計相應程序，方便教師根據自己的教學需求選擇視頻資源，調整視頻的播放順序。根據學生的實際情況，自行編寫旁白腳本，對視頻進行重新配音等。或者讓教師將未配音的視頻發送給學生，讓學生基于自己對知識點的理解，對視頻進行同步講解，再將合成的視頻提交給教師，作為本節課的數字化“作業”。

教師可以點評每位學生的講解，評選出優秀的“講解員”，給予鼓勵。這個過程，是學生將所學的知識輸出并真正內化的過程，能夠鍛煉其語言表達能力、邏輯思維能力等，是檢測學習效率的有效方法，也是教師從多個角度了解自己學生的重要途徑。

2.提供多樣化的數字情境資源

在課堂教學中，教師提供的情境資源一般源于學生的生活，與生產生活聯系密切，經典定律或概念的得出與科學史息息相關。日新月異的技術以及最新研究進展則為教材注入了活力。因此，建設數字情境資源時，需要根據不同的學科知識，基于學生的知識儲備，創設多種多樣的教、學情境，讓教師在教學中有所選擇。教材的篇幅有限，更新需要一定的周期，而數字化的資源不受篇幅的限制，在更新速度上更是具有得天獨厚的優勢，數字化出版是提供多樣化情境資源的最佳途徑。

（六）基于真實情境解決實際問題，完成教學閉環

學生在歷史情境中重走科研之路，理解了光合作用的發現過程，他們是否能運用所學知識解決實際問題？遇到問題時，他們是否能從自己的知識庫中尋找到相應知識，針對性地解決問題？

筆者嘗試結合數字技術手段，建構光合作用檢測模型，包括現實情境問題表達（將現實問題轉化為生物學問題）、在生物世界中求解（運用生物學理論設計解決方案）、將結果翻譯成符合情境的結果（將解決方案運用于現實問題），最后再評價結果是否能夠解答現實問題。

以問題情境“如何使農作物增產”為例。首先，在數字資源中以直觀的曲線圖展示糧食的人均占有量隨著人口增長而下降的動態變化。其次，將這個問題轉化為生物學界的問題——如何增加光合作用的反應物，優化反應條件，使得產物增加？再次，呈現光合作用反應式，讓學生嘗試將現實世界中的問題轉化為生物學問題。

通過反應式可以看出，增加光合作用的原料、改善光合作用的條件等都能提高產量。這就在生物學理論層面上解決了提高光合作用產物的問題。畫面中，在相應的反應物的反應條件旁，直觀地標出需要增加的反應物，以及需要改善的條件，如圖5。

最后，將這一“理論成果”應用到現實世界中：可以在農田中增施農家肥，讓微生物發酵，產生大量二氧化碳；同時合理密植、間作套種等。

以3D動畫的形式，將植物體內發生的微觀變化可視化地呈現出來——將葉片逐漸放大，直到“看清”葉綠體的立體結構，再通過三維特效，帶學生“進入”葉綠體，“觀看”有機物的產生和氧氣的釋放。最終，讓學生在腦海中清晰地構建光合作用檢測模型，如圖6。

四、結語

學習的實質是個體參與實踐，與他人和環境相互作用的過程。這個過程有助于個體形成參與實踐活動的能力、提高社會化水平，為將學生培養成全面發展的人才提供了有力抓手。通過數字化手段，將現實情境問題的提出、分析、解決、應用與檢測過程完整地“呈現”給學生，讓抽象的概念可視化，遙遠的歷史真實化，微觀的知識直觀化，理論知識實踐化，充分發揮生物學科的育人價值。在建設數字情境資源時，充分考慮不同學生學、不同教師教的個性化特點，重視情境化，增強資源的適應性、多樣性，更好地為生物學教學的情境化創設提供優質資源。

參考文獻：

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[6] 洛伊斯·N.瑪格納.生命科學史[M]. 3版.上海：上海人民出版社，2012：220-221.

[7] 郭生鴻.淺談思維導圖在初中生物學概念教學中的應用[J].新課程，2021（6）：16-17.

作者簡介 劉瀅，碩士，編輯，江蘇鳳凰電子音像出版社有限公司編輯，研究方向：數字出版、教育融合出版、知識服務。