信息技術視域下三維動畫在高中生物教學設計中的有效融合

摘 要：依托皮亞杰的認知發展理論和知識可視化理論，將三維動畫融入高中生物教學設計。從問題引領的情景教學、能力培養的實驗教學、立體逼真的沉浸式教學等不同視角出發，探索將信息技術融入高中生物教學的路徑與人才培養目標的達成維度，目的是在技術賦能視域下推動教學創新和學習方式轉變，促進學生開展有意義的學習，培養他們的科學素養和終身學習的興趣。

關鍵詞：信息技術；三維動畫；教學設計；科學素養

“三維動畫”又稱“3D動畫”（Three-Dimensional Animation），起源于20世紀初。近年來，人們利用新興動畫制作技術，能夠在虛擬的三維空間中，通過構建主題角色和相應場景、設置光照效果及動畫過程，完成高度還原與仿真的三維視覺影像。作為一種新型教學表達形式，三維動畫在教學過程中能夠引導學生多感官參與，提供多層次刺激，有助于學生快速、長久地記憶信息［1］。進入21世紀，隨著信息技術的飛速發展，技術賦能推動著教育革新，驅動著學習方式轉變［2］。目前，三維動畫已廣泛應用于醫學、教育、軍事、娛樂等多個領域，特別是在教育領域，如何依托信息化技術輔助教學，更好地達成人才培養的三個維度，引起了廣泛關注與積極探索。

21世紀是生物科學的世紀。過去二十年間，生物科學領域取得了豐碩的研究成果，而將這些成果傳承與普及，尤其是在青少年中開展生物科學教育與能力培養，是提高全民生物科學素養的重要手段。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》明確指出，生物科學素養是公民科學素養的重要組成部分，要求公民具備參與社會活動、經濟活動、生產實踐、個人決策所需的生物科學知識、探究能力，以及相關的情感態度與價值觀。為順應生物科學從現象到本質、從簡單到復雜、從定量到定性的研究與發展歷程，中學生物課程在內容設置上需要綜合考慮中學生的認知水平、知識儲備等因素。例如，初中生物課程以“人與生物圈”為主線，主要講授生物學宏觀層面的基礎知識；而高中生物課程則呈現出知識跨度大、知識點密集、微觀和抽象概念居多的特點，側重生命活動的原理及化學變化［3］。因此，教師在教學方式方法上應與時俱進，積極探索信息時代對傳統教學的輔助與升級路徑，了解新時代學生的學習需求與特點，從而更好地達成面向全體學生、倡導探究性學習、與現實生活聯系密切的育人效果。

本文探討將三維動畫引入高中生物教學的策略，充分利用技術賦能教育革新，創新教學思維與開闊專業視野，促進教師科學開展教學設計，鼓勵學生“在做中學”，旨在利用多媒體技術和信息資源，促進學生開展有意義的學習。

一、整合優質資源，激發學生學習興趣

三維動畫具有生動、直觀以及能將抽象知識可視化呈現的優勢，不僅可以展現事物的外部形態，還能夠通過局部剖面或透明處理展現物體的內部結構，同時借助物體的運動、變化和轉換重現復雜的生命現象。知識可視化的價值實現取決于視覺表征方式，即將思維化或抽象化的信息通過視覺化手段進行表述與再現，對改變傳統的認知方式，促進有意義的學習具有積極作用［4］。三維動畫具有強大的可塑性，利用圖形、圖像處理軟件，人們可以對物體、角色、場景和材質等進行數字化建構，在視覺認知層面實現仿真效果。在中學生物教學中，運用三維模型和動畫模擬細胞、組織、器官等微觀結構，可顯著加深學生對知識的理解。教師應充分發揮三維動畫的優勢，將抽象知識以可視化方式呈現，并將其滲透于各個教學環節，幫助學生客觀認識抽象現象及其內在規律，快速理解和消化新知。

以人教版高中生物學必修1第3章第3節“細胞核的結構和功能”的教學設計為例，首先，教師可以創設問題情境，引導學生思考染色體與染色質的關系，并通過三維動畫演示染色質動態螺旋、折疊形成柱狀染色體的完整過程，讓學生明白染色體和染色質是同種物質在不同時期存在的兩種形態，同時為后續學習基因重組、染色體變異等內容奠定基礎。在教學設計中，教師運用動畫，形象、科學地展示微觀世界，不僅能使學生更輕松地接收信息，還能通過問題引領，促使學生主動構建抽象知識體系（如圖1）。

新課程改革強調以學生的發展為本，重視學生在學習過程中的主體地位，要求教師重新定位自身角色。教師不再是教科書的忠實執行者，而應成為與學生共同學習的合作者。在信息時代背景下，教學理念發生了深刻變革，高中生物教師應勇于創新，有效創設三維動畫教學情境，凸顯學生課堂主體地位，引導學生主動參與學習活動，科學構建知識體系。

二、發揮感官優勢，有效促進深度學習

多感官學習可有效調動學生的學習積極性。根據皮亞杰的認知發展理論，高中生已經處于形式運算階段，這表明其思維能力已發展到較為成熟的水平，能夠脫離具體事物進行假設演繹推理［5］。段戴平等運用三維動畫開展探究式教學，實踐證明這種方式能顯著提高學生的科學探究精神和創新意識［6］。張巧靈等指出，將三維動畫應用于解剖學教學，能帶給學生強烈的視覺沖擊，提高學習的直觀性與科學性［7］。三維動畫能夠刺激學習者的視覺、聽覺和思維系統，學生在觀察動畫的過程中，可以充分調動各個感官，實現多感官的協調配合。三維動畫正是利用了這種多重感官刺激，將文本、圖片、聲音以綜合的形式輸出，實現圖文并茂、學練結合。特別是在實驗教學環節，借助形象真實、生動易懂的三維動畫視頻，學生可以更加高效地掌握生命科學研究方法和實驗技能，從而進一步提升他們在實驗課中“做中學”的積極性與高效性。

以人教版高中生物學必修1第6章第1節“細胞的增殖”的實驗教學為例。首先，教師講解有絲分裂實驗原理，突出重難點知識，幫助學生建立清晰的理論框架。其次，進行實驗過程演示與指導，注重實驗操作細節與顯微鏡下有絲分裂不同階段染色體變化特征的觀察，培養學生的動手操作能力和判斷能力。再次，播放三維動畫，展示有絲分裂過程中核仁、核膜、染色體、紡錘體的動態變化過程，還原微觀實驗的真實細節。最后，發起小組討論，組織學生將實驗觀察結果與動畫模擬進行比較，分析異同、查找原因并反思不足，實現微觀與宏觀呼應、理論與實驗互融的教學效果，達成“在做中學，在學中思”的教學目標（如圖2）。

三維動畫色彩豐富、視覺效果靈動，將其融入實驗教學可增強教學的立體感和空間感，對學生的學習興趣、記憶力、理解能力、交流能力和分析能力等方面具有積極影響。三維動畫能夠揭示外部現象與內在規律之間的邏輯聯系，幫助學生透過現象看本質，突破思維局限，提升思維的廣度和深度，培養思維的活躍性、發散性。因此，教師應充分利用三維動畫的優勢，引導學生多感官參與教學全過程，讓學生“會學、樂學”，激發其探究欲望，提高其深度學習能力。

三、呈現逼真效果，培養學生想象力

用三維動畫呈現的教學內容具有生動的立體效果和空間感，有助于教師創設形象、逼真的學習場景，使學生在觀察過程中仿佛身臨其境，從而更好地理解晦澀難懂的知識。借助三維動畫展示教學內容，不僅能夠呈現靜態與動態相結合的三維效果，還能將抽象的理論轉化為直觀、生動的畫面［8］。三維動畫能夠將復雜的理論知識以直觀的方式展現，使知識從文字轉變為動畫，將傳統的靜態文字知識轉化為富有表現力的動態內容，能夠激發學生的想象力和創造力，打破學生思維的局限，培養他們對生物學等科學的興趣。

以人教版高中生物學必修2第3章第4節“基因通常是有遺傳效應的DNA片段”的互動教學設計為例。在學習單細胞基因測序技術，如“CRISPR-Cas9基因編輯技術”時，教師可以利用逼真的三維動畫演示“Cas9蛋白切割→sgRNA導向→DNA特定靶點切割→DNA基因修飾”的動態過程，使學生理解復雜的基因編輯技術，熟悉圖形渲染、三維建模、人機交互操作和實驗結果自動分析等流程（如圖3）。教師可以讓學生根據自身興趣，利用三維動畫進行學習與互動，在虛擬場景中充分發揮想象力，突破思維局限，從而落實指向因材施教和學生個性化發展的沉浸式教學。

三維動畫所創造的沉浸式學習環境，不僅能使學生輕松地掌握學科知識，還能培養學生敢于想象、大膽創新、開拓進取的精神，使其形成正確的科學觀和世界觀。教師應靈活運用三維動畫，創設生動的教學情境，努力實現培養學生科學素養、創新能力的教學目標。

結語

以三維動畫為代表的“互聯網+教育”，成為培養新時代高素質人才的關鍵手段。21世紀以來，國家間的競爭日趨激烈，其核心是人才的競爭。要在這一競爭中搶占先機，占據有利位置，必須培養符合新時代發展需求的高科技創新人才。近年來，我國積極推動“互聯網+教育”發展，通過多種方式完善信息技術，不斷探索教育信息化的實施途徑、呈現方式，持續推進信息技術與教育教學的深度融合，提升教育質量，促進教育公平。我國始終堅持用現代化信息技術和文明成果豐富人民認知，推進教育觀念、教育內容、教育方法、教育手段等與時俱進，逐步提升教育競爭力，努力培養適應國際競爭和社會需求的新型勞動者與高素質人才。

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》明確指出，當今世界科技進步日新月異，網絡新媒體迅速普及，人們生活、學習、工作方式不斷改變，兒童青少年成長環境深刻變化，生物學學科核心素養面臨新的標準和挑戰。生物課程教學要緊跟時代步伐，將科技進步的新成果、新技術融入教學設計與實踐，充分體現時代性和創新性。把三維動畫引入生物教學領域，無疑是對生物教學方式的改革與創新。隨著信息技術的不斷進步，生物學三維動畫教學資源日益豐富，展現出關注自然環境、人類社會、科技文明、環境保護和人文關懷等多元化視角。三維動畫在呈現復雜知識、激發學生興趣、培養思維能力等方面具有獨特優勢，為學生實現知識、技能以及情感態度與價值觀的發展提供了重要助力。而隨著信息技術融入教學領域，尤其是虛擬仿真技術的應用，對學校硬件設施和教師專業能力提出了更高的要求。如何深度整合新技術和傳統教學內容，設計適配的教學方案，探索科學的育人路徑，成為廣大教育工作者需要思考與探索的問題。

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