基于核心素養的高中生物學可視化教學策略

孟巧想,杜文藝,翟飛紅

(太原師范學院生物科學與技術學院,山西晉中,030619)

傳統的單調的教學模式已無法滿足學生綜合發展的需要,如何促進學生的全面發展引起重視。隨著現代教學技術的更新發展,可視化教學工具已經逐漸走進課堂并不斷得到完善。大量研究表明,可視化教學在輔助學生理解知識、提高學生解決問題的能力上發揮了很大作用。本文以生物學學科核心素養為導向,結合高中生物學教學案例,探討可視化工具在高中生物學課堂教學中的運用和功能,以提高學生的科技創新能力與溝通能力。

一、相關概念界定

(一)高中生物學學科核心素養

核心素養最早由經濟與合作發展組織提出,并從各個角度完善其結構框架,為各國研究適合本國學生發展的核心素養提供了經驗。［1］核心素養所強調的教育不是教會學生預知并處理所有的問題,而是讓學生具備解決問題的內驅力。學生不僅要掌握知識,而且要主動參與實踐,在實踐中主動思考、勇于探究,最終成為具備思辨能力、探究能力和創新能力的新一代青年。

生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任是生物學學科核心素養的四大組成部分［2］,其基本特征可以總結為以下三點:一是主體性,即強調“以學生為主,以教師為輔”的課堂模式,吸引學生主動參與課堂,激發學生的課堂主人公意識;二是融合性,即更加注重學生綜合能力的發展,強調生物學學科與其他學科的融會貫通,培養學生的實踐探索能力;三是實踐性,即突出生物學科的實踐性,強調通過主動實踐讓學生將知識逐漸內化為解決實際問題的能力。

(二)可視化教學

可視化教學是一種結合現代技術發展起來的教學手段,通過借助可視性工具,將復雜抽象的知識直觀化,有助于提高學生科學探究的興趣。在教學實踐中,可視化教學強調教學內容的可視性與學生學習的主體性,可分為知識可視化與思維可視化。知識可視化與思維可視化相結合,能夠為不同類型知識的講述提供合適的可視化教學手段。［3］

一是知識可視化。以圖像、符號等方式將復雜的知識和概念展示給學生,便是知識可視化。隨著信息技術的高速發展,知識可視化工具可以是簡單的概念圖,也可以是復雜的人機交互界面。知識可視化不僅有助于學生理解和記憶知識,而且有益于學生建構可視化的知識認知支架。［4］近年來,知識可視化被廣泛應用于學科教學,能有效提高課堂效率和教學質量。

二是思維可視化。與知識可視化不同,思維可視化更加關注思維路徑、策略與方法的可視化,采用可視化的思維工具將抽象的變化規律直觀地展示出來。思維邏輯能力是學生在不斷積累經驗的過程中培養和內化而來的。思維可視化能夠更好地拓展學生的思維想象空間,有效降低學生理解抽象知識的難度,促進學生認知思維間的聯結。例如,在復習課程或試卷解析中,學生對錯題通常沒有整合各知識點的清晰的解題思路。對此,教師可以借助思維可視化,讓學生思維邏輯清晰化,幫助學生實現知識與解題思路之間的聯結,進而幫助學生學以致用、提高效率。

二、可視化教學的意義

傳統枯燥的教學模式已無法滿足社會發展對高質量人才的需求,創新型的可視化教學逐漸成為課堂教學的重要手段之一。可視化教學是基于雙重編碼理論、建構理論等理論發展的［5］,對生物學教學改革意義重大。隨著可視化教學模式研究的不斷深入,可視化教學手段逐漸成熟,它對教學的意義也得以彰顯。在有條理地建構繁雜的生物學知識體系的過程中,學生需要主動參與課堂,運用發散思維實現知識間的聯結,加深對生命現象的理解。教學信息化是現代信息技術改革的產物,對可視化教學的研究有助于建構新的信息教學模式、促進學生個性發展,在探究過程中培養學生高階思維能力。［6］運用可視化工具輔助教學,不僅有助于提高學生的認知興趣,使其主動參與生物課堂教學,也為生物課程改革提供了新的教學思路。［7］

傳統的教學模式不僅禁錮了學生的思維,也限制了教師自身的發展。在國家大力倡導和推進一線教師教育改革的背景下,可視化教學除了能夠激發學生的學習積極性,對教師的專業成長也有一定的促進作用,如可以增強教師現代化教育理念,更好地促進生物學教學改革的發展。［8］

三、可視化教學的策略

(一)創設可視化教學情境

可視化教學情境是通過圖片、視頻、思維導圖、實物等方式建構起來的,提高了課堂試聽信息的比例,降低了抽象知識的理解難度,讓學生在頭腦中建立詞義的表象。多樣的可視化教學情境讓學生在理解生物學知識的基礎上,將零碎的知識點聯系起來形成一般概念,再通過逐步思考與探究,將復雜知識與現實情境結合起來,從而加深對知識的理解和記憶,逐步培養探究意識與生命觀念。

以高中生物學必修一“細胞器之間的分工合作”的教學為例,首先,教師創設直觀教學情境,借助多媒體展示線粒體、葉綠體、高爾基體、內質網等細胞器的3D生物模型,將細胞器內部結構展示給學生。學生深入理解細胞器的形態結構［9］,嘗試從系統的視角認識生命、認識自然,發展科學的結構功能觀和生命系統觀。其次,教師設計可視化問題情境,借助多媒體課件展示分泌蛋白的合成與運輸動態示意圖,借助概念圖展示問題串形成的可視性問題情境,如圖1所示。通過一系列層次性的問題,學生對細胞器之間分工合作的過程有了清晰的認識,在可視化問題情境中提高科學探究能力。最后,教師創設師生合作情境,以角色扮演活動,讓學生模擬分泌蛋白的運輸過程并講述所模擬細胞器的特點,強化學生對生物學生命觀念的辨析。教師在探究過程中創設生物學可視化問題情境,在探究中不斷提高學生的思考能力,培養學生的探究精神。

圖1 “分泌蛋白的合成與運輸”可視性問題情境圖

(二)利用可視化思維工具

思維工具、思維導圖、概念圖等均有效地影響了思維活動,推動了教學工具的發展。高中生物學知識體系較龐大,大量的知識點需要記憶,高考題常考查易混易錯且細小的知識點。利用對比分類法,借助可視化思維工具,可有效減輕學生的記憶負擔。可視化思維工具是一套使不可見的思維清晰可見的操作工具,不僅有助于學生發現自身的思維障礙點,而且有助于教師根據學生的思維水平引導學生思維科學發展。不同思維工具對思維方式表述的著重點不同［10］,教師只有針對不同學習模塊、不同學情,根據學生的認知水平選擇適當的思維工具,才能促進學生核心素養的發展。

以“基因的表達”為例,DNA的復制與轉錄既是一個統一的連續過程,又是兩個相互獨立的概念。DNA片段與基因是初中生物學的內容。學生在學習了“DNA的半保留復制機制”之后,很容易將前概念代入DNA的轉錄,混淆轉錄過程僅以“DNA的一條鏈作為模板”的特點。對此,教師可以借助如圖2所示的雙氣泡圖,清晰地展現基因表達中兩個過程特點的異同,對DNA的復制與轉錄過程、特點加以辨析,幫助學生準確認識基因表達,理解兩個概念的本質,加深對復制與轉錄兩個過程特點的理解。

圖2 “DNA復制與轉錄概念辨析”雙氣泡圖

(三)建構可視化模型

隨著可視化技術的發展,3D建模、VR以及3D打印等技術被廣泛應用,除了帶給學生更好的視覺體驗,還能激發學生對科技創新的興趣。由此建構的可視化模型成為課程探究活動中常用的教學手段。可視化模型借助可視性、直觀性的材料展示事物復雜的結構,使復雜的事物結構變得更加直觀易懂。在生物學教學中,教師借助具體的事物或其他形象化的手段簡化生命個體的結構與功能,更容易幫助學生理解和掌握生物學規律。學生借助可視化模型不僅能將抽象的知識經過思維的加工直觀化,還能加深對生物過程中生命現象與生物結構的認知。在建構模型與解決問題的過程中,學生在原有的認知基礎上對學習內容進行深度挖掘,形成結構與功能觀,從而增強建模意識,加深對生命觀念的理解,發展科學思維,培養科學探究素養。［11-12］

例如,在“有氧呼吸”章節的教學過程中,首先,教師引導學生正確認識線粒體的亞顯微結構,讓學生對原型有充分了解。然后,教師再讓學生根據線粒體的本質特征,將抽象的結構具體化。最后,教師引導學生利用生活中的橡皮泥、紙條等材料構建如圖3所示的線粒體模型圖。在前期觀察、準備材料和后期制作等一系列流程中,學生不僅能夠迅速而清晰地了解線粒體的形態結構,結合它的特點掌握其生物功能,而且能逐步培養科學探究精神。通過小組分工合作,學生能夠充分掌握和分析模型建構過程體現的線粒體結構知識,進一步理解有氧呼吸過程。

(四)組織可視性實踐活動

按照生物學課程標準的要求,學生要在理解生命和自然現象的基礎上,利用所學的生物學知識參與生物學社會實踐。讓學生體驗在親身參與中掌握知識的情感,是激發學生學習興趣的重要條件。［13］教師組織和開展可視性實踐活動,不僅能夠讓學生將所學知識運用于實際生活,而且能在實踐活動過程中引發學生情感共鳴,激發學生科學探究的內驅力,培養學生的社會責任意識。生物的多樣性與日常生活是緊密相連的,學校和教師應當積極組織可視性實踐活動,鼓勵學生關注社會熱點。

以“毛霉和制作腐乳”為例,在本節課程開始前,教師提前準備一塊長出毛霉的豆腐、鹽、鹵湯以及干凈的瓶子,讓學生觀察豆腐上毛霉的形狀特點并討論。之后,教師引導學生得出“毛霉是單細、絲狀、異養需氧型真菌”的結論,讓學生觀看腐乳的發酵過程。通過可視性的實踐活動,學生不僅理解了毛霉的概念,而且掌握了腐乳的發酵過程。因此,在講解“不同發酵過程”的知識點時,教師可以拓展可視性的實踐活動,讓學生自行探索酸奶、葡萄酒的發酵過程,促進學生的深度學習。理論知識與可視性實踐相結合,既激發了學生探索的興趣,又培養了學生科學思考的習慣。

四、可視化教學的注意事項

第一,增強教師的可視化教學意識。教師只有具備可視化教學意識,才能夠更好地利用可視化教學手段。一是多了解和接觸先進的教學媒體,查閱相關資料,樹立可視化教學意識。二是深度探究可視化教學策略,既要在教學過程中落實可視化教學策略,也要鼓勵學生在學習過程中利用可視化工具。第二,合理開發和利用可視化教學資源。可視化教學是探索培養學生核心素養的一種手段。為了有效提高課堂效率、培養學生的探索精神,教師設計可視化教學活動時應結合生活實際和本地資源,合理開發和利用可視化教學資源。無論學校是否設有數字化多媒體教室,學校都應鼓勵和支持師生共同參與可視化教學資源的開發工作,參與可視化教學的設計工作,結合生活實際、本地資源開展可視化教學實踐活動等。這樣才能真正發揮可視化教學的輔助作用,進一步培養學生的核心素養。

綜上所述,可視化教學旨在調動學生多種感官,打破傳統的單純以聽覺為接受信息的方式,讓學生全面參與課堂教學、深化對知識的理解。然而,可視化教學的評價體系不夠完善等問題仍需更多的一線教師和研究者進一步探索。