基于信息技術(shù)融合的生物模型建構(gòu)教學(xué)實踐

[摘 要] 隨著信息技術(shù)在教育領(lǐng)域的普及和應(yīng)用，如何利用信息技術(shù)改變傳統(tǒng)的生物教學(xué)模式、創(chuàng)新教學(xué)形式是當(dāng)前生物學(xué)教育工作者需要思考的問題。本文闡述了在初中生物學(xué)模型建構(gòu)教學(xué)中運用信息技術(shù)手段的途徑，以期實現(xiàn)信息技術(shù)與模型建構(gòu)教學(xué)深度融合。依托信息技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)方式，不僅促進了學(xué)生課前、課中、課后的連續(xù)性學(xué)習(xí)，還有效落實了學(xué)科核心素養(yǎng)，提升了學(xué)生的綜合素質(zhì)。

[關(guān)鍵詞] 信息技術(shù)；初中生物學(xué)；模型建構(gòu)；教學(xué)實踐

《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準（2022年版）》（以下簡稱《標(biāo)準》）指出，教師應(yīng)重視運用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、移動通信技術(shù)和人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)手段，開發(fā)和利用數(shù)字化教學(xué)資源，豐富師生互動交流方式，促進學(xué)生個性化學(xué)習(xí)。這就要求教師要順應(yīng)時代發(fā)展，推進現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)深度融合。生物學(xué)是一門探究性、實驗性很強的學(xué)科，部分教師在教學(xué)中應(yīng)運用模型與建模的方法，幫助學(xué)生建構(gòu)生命觀念，發(fā)展科學(xué)思維，提高探究能力，落實核心素養(yǎng)。

一、生物模型建構(gòu)教學(xué)現(xiàn)狀分析

初中生物學(xué)中部分內(nèi)容比較抽象，通過建模的方法可有效地化抽象為具體、變零散為系統(tǒng)。建模即建構(gòu)模型，是指把原型的映像呈現(xiàn)出來的過程，包括模型創(chuàng)建、修正、檢驗等不斷循環(huán)的環(huán)節(jié)。生物學(xué)教學(xué)中的模型主要包括概念模型、物理模型和數(shù)學(xué)模型等。

（一）概念模型教學(xué)

概念模型指使用文字、箭頭及其他符號，表達抽象概念間的關(guān)聯(lián)，包括圖示圖解、文字符號、思維導(dǎo)圖等。教師一般會使用概念模型來幫助學(xué)生厘清各知識點之間的聯(lián)系，引導(dǎo)學(xué)生理解知識點間隱藏的邏輯關(guān)系，使學(xué)生能夠根據(jù)概念模型快速搭建知識網(wǎng)絡(luò)。同時，在建構(gòu)概念模型的過程中，教師還可以培養(yǎng)學(xué)生比較、分析和歸納等科學(xué)思維方法。

（二）物理模型教學(xué)

物理模型包括實物模型和圖像模型兩類，是指以實物或圖畫形式直觀表征抽象概念，一般會通過一定比例放大或縮小研究對象的原型。《標(biāo)準》中設(shè)定的建模活動有：制作可調(diào)節(jié)的眼球成像模型、自制實驗裝置模擬香煙的危害、設(shè)計制作生態(tài)瓶等。在教學(xué)中，教師可以根據(jù)實際情況安排自制心臟模型、腎單位模型、雞卵模型等活動，使學(xué)生在動手制作的過程中進一步提高實踐能力和創(chuàng)新能力。

（三）數(shù)學(xué)模型教學(xué)

數(shù)學(xué)模型是指利用數(shù)學(xué)關(guān)系反映生命現(xiàn)象和闡釋生物學(xué)概念，運用恰當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)工具，如公式、曲線、柱狀圖等，呈現(xiàn)出生物學(xué)知識的規(guī)律。如在探究酒精對水蚤心率影響的實驗中，可通過Excel軟件計算水蚤的平均心率，并生成折線圖，直觀反映不同體積分數(shù)的酒精對水蚤心率的影響。數(shù)學(xué)模型體現(xiàn)了數(shù)學(xué)與生物學(xué)的交叉融合，有利于培養(yǎng)學(xué)生的邏輯思維。

（四）存在問題

雖然模型建構(gòu)在生物學(xué)教學(xué)中應(yīng)用較為廣泛，但模型建構(gòu)與信息技術(shù)融合的案例較少。在生物學(xué)教學(xué)中，信息技術(shù)的主要應(yīng)用形式包括PowerPoint、視頻等。模型建構(gòu)教學(xué)往往在課中進行，忽略了課前預(yù)習(xí)、課后復(fù)習(xí)與課堂教學(xué)的聯(lián)系，這不利于學(xué)生連續(xù)性思維的培養(yǎng)。《標(biāo)準》倡導(dǎo)信息技術(shù)與課堂教學(xué)深度融合。教師可以利用信息技術(shù)直觀呈現(xiàn)物理模型的過程，將概念模型、數(shù)學(xué)模型通過信息技術(shù)快速建構(gòu)，從而改進教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式，突破教學(xué)重難點，并培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維。

二、基于信息技術(shù)融合的模型建構(gòu)教學(xué)策略

教師可采用“線上+課堂+實踐”混合式教學(xué)策略。包括課前利用信息技術(shù)發(fā)布學(xué)習(xí)任務(wù)、課中運用信息技術(shù)開展模型建構(gòu)探究、課后依托信息技術(shù)完成拓展性作業(yè)，充分發(fā)揮數(shù)字化資源在教學(xué)中的作用，促進學(xué)生自主學(xué)習(xí)與合作探究。基于信息技術(shù)融合的具體教學(xué)策略如下。

（一）課前準備

教師可以利用Camtasia Studio、剪映等視頻編輯軟件制作微課，并在班級群中發(fā)布，鼓勵學(xué)生通過自制模型初步建構(gòu)生物學(xué)相關(guān)概念。也可以利用問卷星等小程序開展問卷調(diào)查，做好課前的信息收集與分析準備。

（二）課中探究

1.運用鴻合交互式白板及其配套軟件、希沃授課助手等工具直觀呈現(xiàn)多媒體資料。豐富的視覺和互動體驗可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強他們的感性認識。

2.通過小組合作、教師演示等方式建構(gòu)生物學(xué)系列模型，運用模型直觀表征抽象概念，幫助學(xué)生建立結(jié)構(gòu)與功能觀，并運用投屏軟件演示實驗過程。

3.運用虛擬仿真技術(shù)開展模型建構(gòu)教學(xué)，突破時空限制，幫助學(xué)生深化對生命現(xiàn)象的理解。

4.運用金陵微校、希沃授課助手等軟件進行課堂評價，利用圖片拖曳、圖片分類、游戲競賽等功能，增強師生互動。

（三）課后延伸

學(xué)生完成拓展性作業(yè)后，利用網(wǎng)絡(luò)平臺收集資料；利用問卷星小程序展開調(diào)查；利用Excel、Word等軟件做好數(shù)據(jù)分析，并撰寫報告；錄制微視頻進行推廣宣傳，物化成果。

三、基于信息技術(shù)融合的模型建構(gòu)教學(xué)實踐

筆者以蘇教版《生物學(xué)》七年級下冊“人體和外界環(huán)境的氣體交換”一節(jié)為例，結(jié)合《標(biāo)準》要求，開展以模型建構(gòu)為主線的創(chuàng)新性教學(xué)活動，從情景創(chuàng)新、實驗創(chuàng)新、教學(xué)重難點的突破等方面，進行了信息技術(shù)的融合應(yīng)用，以期探索生物學(xué)信息化教學(xué)實施的新路徑。

（一）制作微課，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

筆者在課前通過班級群發(fā)布微課“DIY呼吸運動模型”，指導(dǎo)學(xué)生利用塑料瓶、吸管、氣球、膠水等生活中易于獲取的材料制作模型，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生通過建模的方法，初步認識了呼吸系統(tǒng)的組成。

（二）導(dǎo)入真實情境，激發(fā)探究欲望

筆者以生活中真實的問題情境“肺泡呼吸音和粗濕啰音”為切入點，引導(dǎo)學(xué)生認真聆聽并思考人體為什么會出現(xiàn)這樣異常的呼吸音。經(jīng)過討論，學(xué)生認為空氣中存在著大量病菌和顆粒物，可能引起肺部感染。筆者順勢設(shè)疑：病菌或顆粒物是如何隨空氣到達肺部的？通過設(shè)計具有思維深度的問題，引發(fā)了學(xué)生的認知沖突，激發(fā)了學(xué)生的探究欲望，進而引出本課第一個重要概念——呼吸系統(tǒng)。

（三）創(chuàng)新生物模型建構(gòu)教學(xué)

本節(jié)內(nèi)容包括呼吸系統(tǒng)的組成及呼吸運動兩大重要概念。學(xué)生難以理解呼吸道處理氣體的過程、氣壓變化與容積的關(guān)系及呼吸肌的運動是如何引起胸廓容積變化的。因此，可采用模型建構(gòu)的方法直觀表征出這些抽象內(nèi)容。

1.呼吸系統(tǒng)模型建構(gòu)

在建構(gòu)呼吸系統(tǒng)概念模型的過程中，筆者通過圖片、視頻等方式展示鼻、咽、喉、氣管與支氣管、肺的結(jié)構(gòu)，并通過自制模型演示各器官的功能。

在學(xué)習(xí)咽的結(jié)構(gòu)時，筆者設(shè)計的問題是：咽是空氣與食物共同的通道，食物為何不會“迷路”？學(xué)生答出咽部具有會厭軟骨這一特殊結(jié)構(gòu)。此時，筆者利用自制模型演示會厭軟骨的功能，并通過鴻合多屏互動的直播功能進行投屏展示。當(dāng)吞咽食物時，食物經(jīng)過咽，黃色的會厭軟骨模型下落，蓋住氣管入口處，食物順利進入食道。通過投屏展示，學(xué)生能夠直觀認識會厭軟骨的作用，并理解咽成為呼吸道和消化道共同通道的原因。

在學(xué)習(xí)氣管及支氣管的功能時，筆者利用自制氣管模型演示痰液形成的過程。當(dāng)病菌和顆粒物經(jīng)過氣管時，氣管黏膜分泌的黏液會將其包裹住。此時，筆者將氣管模型內(nèi)表面的水晶泥取下包住“病菌”模型，接著引導(dǎo)學(xué)生說出黏液可順著纖毛的擺動依次經(jīng)過喉、咽、口等器官，進而排出體外。整個演示過程通過鴻合多屏互動直播系統(tǒng)進行投屏展示，形象直觀，有助于學(xué)生理解氣管與支氣管的功能。

在學(xué)習(xí)肺的結(jié)構(gòu)時，筆者播放了離體豬肺通氣實驗的相關(guān)視頻，通過觀察肺的收縮和舒張，引導(dǎo)學(xué)生思考問題：肺作為呼吸系統(tǒng)的主要器官，它的哪些特點有利于氣體交換？接著筆者利用肺泡模型進行演示，向模型內(nèi)反復(fù)吹氣，模擬肺泡的通氣過程。學(xué)生通過觀察能夠明確肺泡具有數(shù)量多、表面積大的特點，從而自主建構(gòu)肺的結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀念。

在教師通過多組自制模型和多媒體設(shè)備進行演示后，學(xué)生能夠自主總結(jié)呼吸系統(tǒng)各器官的結(jié)構(gòu)與功能，并學(xué)會運用所學(xué)知識解決真實情境中有關(guān)呼吸系統(tǒng)的常見問題。

2.呼吸運動模型建構(gòu)

呼吸系統(tǒng)從大氣中攝取氧氣，排出代謝產(chǎn)生的二氧化碳，是通過呼吸運動實現(xiàn)的。因此，本階段筆者設(shè)計了三組模型探究實驗，引導(dǎo)學(xué)生自主建構(gòu)呼吸運動的概念。

學(xué)生難以理解氣壓變化引起的呼吸運動過程，因此，筆者利用針筒開展探究活動。學(xué)生小組合作完成驅(qū)動任務(wù)：①不堵住針孔，推拉活塞；②堵住針孔，往里推活塞；③將針筒拉至最大刻度，堵住針孔，盡量往里推活塞，推不動時迅速放手。學(xué)生通過體驗，發(fā)現(xiàn)任務(wù)①針筒可以自由拉動，任務(wù)②針孔處壓力增大，任務(wù)③活塞向外運動。這些現(xiàn)象與氣壓有什么聯(lián)系呢？學(xué)生可以利用兩個壓強傳感器直觀展示針筒容積變化時氣壓的變化：將針筒針頭插入一個傳感器，將另一個傳感器置于大氣中；將傳感器、數(shù)據(jù)采集器與電腦連接，利用LlabV12軟件呈現(xiàn)測定數(shù)據(jù)。根據(jù)測定數(shù)據(jù)可知，當(dāng)針筒內(nèi)容積減小時，氣壓增大，且大于外界氣壓，松手時，氣體由氣壓大的一側(cè)流向氣壓小的一側(cè)，因此活塞向外運動。通過直觀的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，學(xué)生能夠思考并解釋問題，得出氣壓與容積呈反比關(guān)系的結(jié)論。由針筒可類比到我們的胸廓，胸廓容積變小，內(nèi)部氣壓增大，氣體向胸廓外運動，即呼氣；吸氣過程與之相反。通過探究實踐，學(xué)生能夠理解是胸廓大小的改變引起了吸氣和呼氣，學(xué)生的建模思維、類比思維不斷提升，交流合作能力進一步提高，新知也得到了遷移、內(nèi)化和應(yīng)用。

（四）利用信息技術(shù)，落實社會責(zé)任

筆者播放正常的肺泡呼吸音，驅(qū)動學(xué)生思考：正常的肺泡呼吸音與異常的肺泡呼吸音有什么不同？作為學(xué)生，可以為守衛(wèi)呼吸環(huán)境做些什么？筆者通過問題串的設(shè)置，引發(fā)學(xué)生深度討論，使他們關(guān)注身體內(nèi)外各種因素對健康的影響。課后，筆者布置了拓展性作業(yè)，學(xué)生以小組合作形式，搜集有關(guān)塵肺病、肺炎的資料，嘗試提出凈化環(huán)境的合理建議，并錄制成微視頻。這樣有助于學(xué)生參與個人和社會事務(wù)的討論，做出判斷和合理解釋，提高解決生活問題的能力。

四、結(jié)語

在信息化飛速發(fā)展的時代，現(xiàn)代信息技術(shù)深刻改變著人類的思維方式、生產(chǎn)方式、生活方式和學(xué)習(xí)方式。信息技術(shù)與生物學(xué)的融合，是改革教育模式、創(chuàng)新教學(xué)方法和完善教學(xué)手段的重要途徑。教師應(yīng)不斷提升自身信息化素養(yǎng)，以培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)為目標(biāo)，充分利用信息技術(shù)賦能生物學(xué)教學(xué)，促進學(xué)生個性化發(fā)展。

參考文獻

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