基于智能傳感器的混合式實驗教學模式的初探

摘要：以“探究環境因素對光合作用強度影響”實驗為例，圍繞課前線上自主學習，課中線下觀看虛擬實驗和模擬實驗、進行實驗實操及數據收集與分析，課后線上歸納與延伸三個教學環節開展課堂教學，運用智能傳感器技術，實施混合式實驗教學，注重學生的自主探究和合作學習，鼓勵學生提出問題和解決問題，以發展學生的生物學科核心素養。

關鍵詞：智能傳感器" 混合式實驗教學" 光合作用

《中國高考評價體系》中明確指出學生要能夠運用實驗等方法，解決實際生活問題。開展高中生物實驗過程中，要訓練學生的科學探究能力，即讓學生能依據實驗現象、提出假設、設計實驗方案并進行驗證，形成反饋，進而判斷假設的正確性。科學探究是高中生物學科四大核心素養之一，科學探究通常是通過探究性情境或實驗進行，學生在這一過程中通過自主學習獲得經驗，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、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。在教學過程中，應利用學生個體的不同引導其進行互補與協作，以培養學生的科學思維和探究思維能力。然而，高中課程、教材內容、教學模式及實驗條件的限制，使得每位學生的實驗機會受到約束，無法充分滿足學生對實驗操作的需求。受季節和氣候的影響，部分實驗材料難以獲取，外界條件的不穩定性也會直接影響實驗的科學性和可行性。此外，不同教師教學理念、教學方式和角色定位的差異，可能導致探究過程缺乏互動性與個性，學生的學習熱情與積極性無法得到充分展現。這些問題導致學生在提問、探究、交流與辨析、總結實驗結論等方面的能力得不到有效的鍛煉，進而影響學科核心素養的落實。因此，我們需要改進現有的實驗教學模式。在此背景下，混合式實驗教學應運而生。

一、混合式實驗教學與智能傳感器

混合式實驗教學是將線上實驗教學與線下傳統實驗課堂教學相結合，通過課前和課后進行線上實驗教學，以及課中進行傳統線下實驗課堂教學的交替方式，實現互聯共識的一種實驗教學模式。具體地說：課前，教師將有效的網上資源上傳至在線平臺或移動終端，引導學生在線上進行情景創設和自主學習基礎知識。課中，學生帶著問題進行線下學習，并利用網上資源如微課、短視頻等資源直接解答疑問，或作為相互之間討論的素材；教師則進行答疑和總結。課后，教師在線上進行課后作業的布置、批改與評價，并組織課后討論。

智能傳感器的使用可實現實驗數據的實時測量、采集，并能將測量的數據轉化為圖像，顯示在大尺寸液晶屏幕供師生觀察和進行數據分析。混合式實驗教學與智能傳感器的應用，能夠彌補傳統實驗方法的不足，滿足實驗條件和人力資源的需求，進而提升教學效果和學生的實驗能力。借助虛擬實驗平臺，學生可以不受時間和實驗設備的限制，進行多次實驗嘗試，從而提高實驗的可操作性和實驗數據的精準性。同時，實驗結果可視化，方便學生在線上課堂準確分析實驗現象，比較不同實驗小組的實驗數據，進行誤差分析，極大地提高學生對生產生活實際問題的解決能力。

二、教學環節設計

基于智能傳感器的混合式實驗教學模式主要包括以下環節（圖1）：①課前自主學習與鉆研。教師建構學生網絡平臺，上傳“用智能傳感器做本實驗”的教學視頻、相關網站鏈接、自主學習任務清單和實驗設計方案，并要求學生在規定時間內在線上進行分析、交流討論，進而滲透核心素養。②課中進行分組探究預實驗與正式實驗，學生之間相互研討。先播放虛擬仿真實驗和教師演示該實驗的視頻，講解本實驗的重難點，指出實驗操作時的注意事項；接著學生進行細化分組并討論，各小組借助智能傳感器（如手機傳感器、二氧化碳傳感器等）進行預實驗，身臨其境地感受科學探究的妙趣，探索實驗方案的科學性和可行性，同時交流討論修改不足；然后全班同學進行正式實驗，通過智能傳感器直接觀察自變量同因變量的關系，同時各小組展示實驗結果并分析；最后教師講解、答疑和總結。對于異常的實驗數據，啟發學生多角度多方位地進行誤差分析，培養學生分析問題與解決問題的能力。③課后歸納與延伸，聯系生活實際。教師將課堂上各組正常的實驗數據和異常數據進行有效的整合，加入事先設計好的遞進式問題制作成微課，引導學生在線上進行交流和點評，進而發現新的問題，教師進行答疑、總結、延伸。最后，教師聯系實際，播放與此相關的學科前沿視頻，并根據學生不同水平布置分層作業，因材施教，提升相應技能。

三、教學模式實踐

“探究環境因素對光合作用強度的影響”是人教版《生物學必修1 分子與細胞》第五章第四節“探究·實踐”活動。此探究活動與現實生產生活密切相關，是高中生物學實驗教學的寶貴資源。它要求學生根據新情境設計并實施實驗，對結果進行分析并得出有效的結論，從而更深入地理解光合作用的過程與原理。同時，學生還需要分析農業生產現象，找出解決實際問題的措施。通過準備、進行探究性實驗和數據分析總結，學生提高了探究思維能力。

課前進行線上自主學習與鉆研。教師深入挖掘教材，利用網絡優質資源，將智能氧氣（二氧化碳或手機）傳感器的使用說明、該實驗所需試劑和材料等相關內容制作成微課，并上傳至釘釘班級群中。同時，根據學生的認知水平和科學探究的常規思路，制作學習任務清單（表1）并發布到釘釘班級群中。學生觀看教師上傳的實驗視頻，并登錄國家中小學智慧教育平臺，記錄實驗中的疑惑或者看不懂的地方，借助網絡查閱資料嘗試解決。之后，教師收集學生完成的任務清單，以了解學生已掌握和未掌握的問題。這樣有助于實驗小組的劃分，并為課堂開展針對性實驗教學做鋪墊。例如，對于“環境因素”這一部分，有的同學只關注光照強度，有的同學只關注二氧化碳濃度，因此可以將這些探究一個自變量的同學分為一組。還有的同學想到在黑暗情況下，利用智能傳感器測量綠色植物的呼吸作用強度，于是在課堂上就可以安排一個“測量”小組，這有利于學生更直觀地理解真正的光合作用和凈光合作用。通過這種方式，可以將核心知識與思維方法聯系在一起，從而更好地鍛煉學生的思維能力。

課中進行線下的課堂教學和實驗探究，以實現思維階梯的落實。首先，以“精準扶貧”的主題情境導入，理論聯系實踐，引導學生思考如何幫助貧困戶老張增加水稻的產量，從而提升學生解決問題的能力，并增強學生的社會責任感。接著，依據學生完成自學任務清單的情況進行分組。第一、第二組改變光照強度，第三、第四組改變二氧化碳濃度，第五組測量該植物的呼吸作用強度和凈光合作用強度。為了保證不同的光照強度，采用不同功率的燈泡（燈泡與植物的距離保持不變）；而二氧化碳濃度的變化可以通過使用不同濃度的二氧化碳緩沖液來實現。將借助智能傳感器獲取的單位時間內氧氣的改變量作為光合作用（呼吸作用）強度的衡量指標。然后，展示部分學生提出的新的實驗方案，引導學生找出其中的不足，并通過小組討論提出優化方案。各小組按照優化后的實驗方案開展預實驗。在這個過程中，學生們有不同的分工，有的負責改變自變量，有的負責檢測因變量，有的負責連接裝置。他們通過相互交流與團隊合作完成實驗。預實驗完成后，教師給予評價，并將評價結果作為課后布置不同層次作業的重要依據。隨后，播放教師錄制的正確操作視頻，引導學生邊學邊發現問題。教師邊巡視邊對各小組進行針對性指導，提醒學生實驗的注意事項。學生們記錄本組實驗中出現的問題并進行分析。之后，各小組進行正式實驗。在實驗過程中，需要通過改變自變量四個數據來觀察實驗現象。小組成員記錄智能傳感器得到的數據以建構曲線圖并進行分析。教師用PPT展示各小組的實驗數據和曲線圖，先請各小組長進行分析，再請相應小組的同學進行補充與解釋；對于異常數據，相應小組的同學需要進行誤差分析。教師將學生的實驗結果匯總并在多媒體中展示，組織學生分析異常實驗結果出現的原因。利用手機傳感器的小程序和平板電腦在線上進行反復實驗模擬，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，掌握實驗的核心操作。總結歸納探究性實驗的常規步驟，能夠增強學生的科學思維能力和科學探究能力。

課后進行線上歸納與延伸，聯系生活實際。將課堂實驗中利用智能傳感器收集的實驗數據以及繪制的圖表、本次實驗的重難點等內容制作成微課或微視頻，為學生提供拓展學習平臺。將各小組的實驗過程錄像上傳至釘釘班級群，幫助學生深入理解實際光合作用和表觀光合作用的差異，增強對農業生產的認識，構建完整的知識體系和思維導圖。同時，對各小組的實驗表現進行細致評估，如評選最佳實驗方案創新小組、表現積極小組、實驗數據準確小組等。布置分層作業，通過釘釘或微信進行單獨上傳。例如，對于提問能力稍差的學生，可以布置實驗步驟錯誤的作業讓其查找并糾正；對于實驗數據分析能力較弱的學生，可以布置誤差分析；對于不熟悉智能傳感器的同學，可以在下次實驗中安排其參與數據檢測等。

四、教學模式評析

本實驗遵循科學探究的總體框架進行，旨在激發學生對生物實驗的興趣，并取得了良好的實驗效果。然而，實驗過程中也存在一些不足。由于實驗操作時間較長，涉及預實驗和正式實驗兩個階段，部分小組未能完成正式實驗。這使得某些數據不完整或異常。為了有效運用智能傳感器的混合式教學模式，課前、課中、課后三個環節必須緊密聯系，以形成完整的體系，從而培養學生的生物學科核心素養。在線上課前預習環節中，應致力于激發學生自主學習，培養他們的科學思維。在課堂教學中，借助智能傳感器進行實驗，有助于學生提升科學探究能力和動手能力，同時認識到團隊合作的重要性，進一步實踐科學探究和社會責任。此外，在線上課后復習環節中，進行思維導圖式小結和延伸，豐富學生的生物學知識，并針對不同水平的學生安排不同層次的作業，以實現因材施教。然而，混合式實驗教學模式對教師的信息水平和實驗操作能力都有較高的要求。同時，線上學習與線下課堂之間不是簡單地拼接，基于線上的學習結果、對于學情和教材的分析，教師設置合適的思考題和采用合適的教學方法來設計教學過程，才能凸顯混合式教學的優勢。鑒于混合式教學包含的線上教學部分是一種無監管狀態，在面臨高中學業壓力和自媒體誘惑的情況下，高中生可能會無法抵制誘惑，無法自主完成預習，導致學習效率降低，因此，混合式教學要求學生具備更強的自我控制能力，能夠抵制誘惑并合理安排時間完成學習任務。

總之，混合式實驗教學模式符合新課程改革的要求，既充分彰顯學生的主體地位，又充分體現教師的主導地位。該模式貫穿于課前、課中、課后不同階段，跨越真實課堂與虛擬空間，利用微課、微視頻和課堂實錄等互聯網資源，在信息資源平臺的幫助下，使學生從學會到會學，從知識層面到素養高度，既培養學生的高階思維能力，又提升其生物學科的核心素養。實踐證明，混合式實驗教學是實現學科核心素養在不同時空課堂教學中落地的有效途徑，也是符合時代發展需求的合理教學模式。

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責任編輯：黃大燦

*本文系全國教育科學“十三五”規劃教育部重點課題“中小學智能實驗教學系統的構建與應用實踐研究”子課題“智能實驗教學環境下高中生物必修1模塊實驗教學模式與教學策略研究”的研究成果，課題批準號為DCA190327—34022。