基于智能實驗的混合式教學模式探討*
——以“探究酵母菌的呼吸方式”為例

胡 昊 陳 思

(皖西中學 安徽六安 237000)

《普通高中生物學課程標準(2017年版)》中提出,高中生物學課程應著眼于適應未來社會發展和個人終身發展的需要,從生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任等方面培養學生的學科核心素養,充分體現生物學學科特點和育人價值。其中,科學探究是高中生物學素養的主要內容之一。科學探究通常指通過探究性情境或實驗,使學生通過自主學習活動獲得經驗,并將經驗納入自身的知識框架內。其步驟主要包括對生物、生物學現象進行觀察和描述,基于現象提出問題、作出假設、設計實驗并驗證假設、進行合理的思維判斷得出結論。在此過程中利用學生不同的特性進行合作與交流能夠培養學生的科學思維和科學探究能力。在實際的科學探究過程中,由于實驗條件的限制,每個學生的實驗機會受限,難以滿足全體學生對實驗操作的需求。受季節和氣候影響,部分實驗材料難以獲取,外部條件不能穩定,影響實驗的科學性和可行性。不同教師的教學理念不同,教學方式不同,有時角色定位不準確,探究過程并不能激發學生的學習興趣和積極性。這些問題使生物實驗教學的質量和效果難以得到保證,因此高中生物教師需要探索新的教學模式。

一、混合式教學與智能實驗

混合式教學模式是一種將傳統教學方法與現代科技手段相結合的教學模式。其能夠在課堂教學中充分利用在線資源,通過多樣化的學習方式和教學手段,促進學生深入理解知識并培養學生的學習興趣。智能實驗則是利用人工智能技術創設虛擬實驗平臺,模擬真實實驗環境,使學生可以通過虛擬實驗來體驗實驗的過程并得出結論。混合式教學與智能實驗相結合,首先可以彌補傳統實驗的不足,提高教學效果和學生的實驗能力。學生可以通過虛擬實驗平臺進行多次實驗,不受時間和實驗設備的限制,提高實驗的可重復性和實驗數據的準確性。其次,還可激發學生的學習興趣和主動性。學生能夠通過探究和實踐的方式來獲取知識,而不是單純地接受教師的知識灌輸。此外,智能實驗還可以提供更多的實驗案例和實驗數據,幫助學生更全面地理解實驗原理和現象。

二、教學設計

基于智能實驗的混合式教學的主要教學環節包括(圖1):①課前自主預習,自主探究。教師上傳實驗相關視頻和資料至網絡教育平臺,指定學生在相關網站尋找資源,在規定時間進行線上分析、交流與討論,提高學生核心素養。②課堂中進行探究實驗,學生之間相互探究。學生進行分組討論,確定實驗中所使用的材料、原理、預期的結果等,通過智能設備預先模擬實驗過程,分析可能出現的現象及其原因,總結匯報給教師后開始進行實驗。教師依據學情確定教學策略,參與學生的討論,引導學生關注實驗細節和要點,通過討論解決核心問題,突破重難點。③實驗后進行數據分析。教師利用多媒體對學生數據進行可視化處理,組織學生對異常的實驗結果進行溯因分析,發展學生的科學思維。④課后拓展,聯系實際。針對課堂上出現的部分問題,布置學生課下查找資料并解決,匯總后在線進行交流和點評。教師上傳與生活相關的實驗視頻,深化學生對知識的了解和應用。

圖1 教學環節示意圖

“探究酵母菌的呼吸方式”是人教版普通高中教科書生物學《必修1·分子與細胞》第五章第三節中的探究性實驗。通過該實驗,學生不僅對“單細胞生物的酵母菌的呼吸方式”“在有氧和無氧條件下酵母菌呼出的產物的不同”“生物無氧呼吸的類型”等問題的認知從感性上升到理性,而且引出無氧呼吸和有氧呼吸概念和原理的學習,同時通過探究性實驗的準備、進行、數據分析、討論和總結提高了學生的科學探究和科學思維能力。

(一)課前自主預習,自主探究

在混合式教學中,教師充分利用線上和線下的資源,引導學生進行自主學習,提高學生學科核心素養。在課前環節,教師向班集體的學科群(如釘釘群)上傳教材附帶的“探究酵母菌呼吸作用”實驗微課,并發布課前學習任務單,要求學生完成以下幾個任務:觀看教師上傳的實驗視頻并完成導學案;登錄國家中小學智慧教育平臺,觀看微課,記錄實驗中的疑惑或者看不懂的點,上網查閱資料嘗試解決。通過課前預習,學生初步形成對于實驗的認識。在此過程中教師可以在學科群中發布任務來收集學生學習過程產生的問題,基于此設計課堂核心問題,有針對性地制定教學方案。例如,針對學生的問題“酵母菌進行無氧呼吸和有氧呼吸的產物是否相同?”,延伸出問題“相同條件下無氧呼吸和有氧呼產生的二氧化碳量是否相同?如何來定量測定二氧化碳的產生量?”等,這樣可以將核心知識與思維方法聯系在一起,以鍛煉學生思考能力。

(二)課堂中進行探究實驗,拓展思維

1.創設情境,導入實驗

創設情境能夠吸引學生注意力,保證學習效果。教師可以利用課前收集到的學生問題創設情境,采用問題驅動法進行啟發式教學,組織學生討論并解決相關的問題。在這個過程中,為了保證每個同學都能夠參與進來,可以按照同組異質、異組同質的原則進行分組,實現線上線下教學同步進行、隨時切換,運用多種教學方法促進學生對知識的理解、掌握和應用。情景實例一:教師展示包子、饅頭等發酵前后的狀態圖,并提出“面粉發酵過程中是什么在發揮作用?為什么發酵后的面粉會變得更加蓬松?說明發酵過程中產生了什么?”等問題,學生分析得出此過程中是酵母菌在發揮作用,產生的二氧化碳可以使面粉變蓬松,進而引入實驗。情境實例二:教師播放“兩分鐘學會啤酒的工藝流程”的動畫,并提出“啤酒在制作過程中產生了什么物質?釀造啤酒有什么條件?”問題,學生借助平板電腦和多媒體設備搜索答并進行課堂搶答。在引入實驗之后,各小組進行討論,細化實驗流程。首先,教師安排小組成員共同完成實驗變量的分析和現象估測并填寫在發放的表格中。然后,利用平板電腦,學生分別在“智慧校園課堂應用平臺”上的模擬軟件上進行實驗模擬,記錄每次實驗的結果。教師匯總學生的實驗結果,在多媒體中展示,組織學生分析異常實驗結果出現的原因。采用智能實驗在線上進行實驗模擬能夠讓學生發現實驗條件改變對結果的影響,理解變量與變量之間的關系,了解實驗的核心所在。分析異常實驗結果增強了學生發現問題和解決問題的能力,提高了學生的核心素養。

2.進行智能實驗與數據分析

教師播放實驗視頻,學生仔細觀看后進行實操。在活動中合理組織學生共同進行實驗,比如某些同學負責活化酵母菌,某些同學負責配置葡萄糖溶液,某些同學負責連接實驗裝置,某些同學負責通過二氧化碳傳感器記錄實驗數據。教師將實驗結果與模擬實驗的結果進行對比并分析,引導學生提出新的問題并進行思考討論,在提高學生分析能力的同時,構建學生新的知識體系,使探究活動能夠不斷向更深層次方向發展。教師參與學生的討論過程,對于難度較大的問題給出思考的方向,保證探究方向的正確性,適時可以對討論給予正面評價,提高學生的積極性。最后,教師借助多媒體設備對學生進行評價,將各小組在每個步驟的表現通過表格的方式展現,分析各小組出現的問題以及解決方法,對于表現積極的小組和優秀的小組進行表揚,對于表現較差的學生進行指正并鼓勵。

(二)課后拓展,聯系實際

依據實驗的效果,教師在學科群中發布實驗練習幫助學生鞏固知識,同時讓學生搜集生活中應用到發酵、無氧呼吸的案例,并在規定時間內發布至學科群與同學們共享,分析這些案例中蘊含的生物知識,將知識與實際生活聯系在一起。教師也可鼓勵學生在家自己進行生活小實驗,制作發酵類的食品。

三、教學思考

在教學上,教師需要根據學情和教材的不同靈活地選擇教學方法。智能實驗教學,能夠將傳統實驗教學中定性的結論轉變為定量的結論。在檢驗酵母菌呼吸作用下的產物二氧化碳時,通過傳統的方法只能觀察到有無氣泡產生或者澄清的石灰水是否變渾濁,無法測量氣體的量。通過二氧化碳傳感器可以比較無氧條件和有氧條件產生二氧化碳量的區別,實驗結果更加直觀。同時,智能實驗可以借助網上資源進行實驗的模擬,在實驗時,實驗的模擬能夠更準確的定位實驗中出現的變量,通過對實驗結果的分析和討論也能夠更好地達到探究性實驗的目的。智能實驗的缺點在于:對于學校設備具有一定要求,且使用設備需要一定的熟練度;對于學習積極的同學具有很好的提升效果,但需要教師實時關注學生狀態。混合式教學模式是現代教育的發展趨勢。線上教學需要關注學生的任務的完成情況。同時,線上學習與線下課堂之間不是簡單的拼接,結合對線上學習的結果、學情和教材的分析,教師設置合適的問題和教學方法來設計教學過程,才能凸顯混合式教學的優勢。

總而言之,基于智能實驗的混合式教學模式能夠為生物實驗教學帶來新的可能性。通過結合智能實驗和混合式教學的優勢,我們不僅能夠提供更豐富的實驗案例和數據資源,而且能夠激發學生的學習興趣和主動性,提高學生的實驗探究能力和科學研究能力。然而,智能實驗與混合式教學在應用中還存在一些挑戰,如師資培養、教學資源的開發和平臺的使用等。因此,未來需要進一步研究和改進,以更好地將其應用于實際教學場景中,提高學生的核心素養。