“SPOC+虛擬實(shí)驗室”模式在“細(xì)胞代謝”教學(xué)中的應(yīng)用探索

一、引言

在教育技術(shù)飛速發(fā)展的當(dāng)下，傳統(tǒng)生物學(xué)教學(xué)正經(jīng)歷著轉(zhuǎn)變。特別是在細(xì)胞代謝這一關(guān)鍵教學(xué)領(lǐng)域，實(shí)驗教學(xué)顯得尤為重要。然而，實(shí)驗資源的局限性制約了教學(xué)效果的提升。近年來，‘ 虛擬實(shí)驗室”模式，結(jié)合了網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的靈活性與虛擬實(shí)驗的交互性，為突破傳統(tǒng)教學(xué)瓶頸提供了新的可能。“ SPOC+ 虛擬實(shí)驗室”教學(xué)方式如何運(yùn)用到細(xì)胞代謝教學(xué)，并通過哪種機(jī)理影響教學(xué)結(jié)果，是本文所關(guān)注的問題。

二、傳統(tǒng)教學(xué)模式在“細(xì)胞代謝”教學(xué)中的局限

（一）學(xué)生理解細(xì)胞代謝過程的難點(diǎn)分析

對學(xué)習(xí)復(fù)雜的細(xì)胞代謝過程，傳統(tǒng)教學(xué)方式往往難以讓學(xué)生深入理解。細(xì)胞代謝包含很多生化反應(yīng)和分子機(jī)制，要求學(xué)生能夠清晰地追蹤從底物到生成物的轉(zhuǎn)化，以及能量的轉(zhuǎn)換。然而，在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師通常依賴課本以及口頭講解，在黑板上進(jìn)行書寫。在書寫過程中，未能生動地向?qū)W生展現(xiàn)細(xì)胞代謝的實(shí)際過程，導(dǎo)致學(xué)生在理解上遇到難題。例如，糖酵解、三羧酸循環(huán)、氧化磷酸化等代謝途徑步驟繁多且抽象，學(xué)生難以將這些抽象的圖形或者文字組合成一個完整的代謝過程。此外，細(xì)胞代謝過程中涉及的酶促反應(yīng)、ATP和NADH等能量載體的作用，以及代謝過程中的調(diào)控機(jī)制，都需要從多個角度進(jìn)行解讀和聯(lián)系。這些都是傳統(tǒng)教學(xué)方法的局限性[1]。

（二）傳統(tǒng)教學(xué)方式對學(xué)生微觀認(rèn)知的制約

細(xì)胞代謝指的是分子級的過程和現(xiàn)象，包括底物、產(chǎn)物、酶和能量載體之間的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)和作用機(jī)制。然而，傳統(tǒng)的教學(xué)方式一般以宏觀為主，難以有效地傳達(dá)微觀世界的復(fù)雜性和動態(tài)性給學(xué)生。鑒于代謝途徑的酶的催化作用、分子結(jié)構(gòu)的變化和能量轉(zhuǎn)變等教學(xué)需求，采用三維可視化和動態(tài)模擬圖示顯得尤為重要。相比之下，傳統(tǒng)教學(xué)一般多依賴于表格和文字描述，難以直觀展現(xiàn)這些概念。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中往往缺乏對微觀世界和實(shí)際概念的深刻理解，這可能導(dǎo)致概念不清和模糊[2]。此外，傳統(tǒng)教學(xué)過于依賴抽象概念，而細(xì)胞代謝包含很多專用名詞和生物化學(xué)原理。由于缺乏直觀感受，學(xué)生可能會將這些抽象概念分割為零散的知識點(diǎn)，難以將這些知識點(diǎn)融入實(shí)際的生物過程中去理解，從而缺乏直觀認(rèn)識。這種學(xué)習(xí)方式不僅影響學(xué)生的思維能力，也會大大降低學(xué)習(xí)積極性[3]。

三、“SPOC + 虛擬實(shí)驗室”模式的引入與優(yōu)勢

（一）SPOC平臺在“細(xì)胞代謝”教學(xué)中的應(yīng)用價值

SPOC平臺在“細(xì)胞代謝”領(lǐng)域的應(yīng)用顯著提升了傳統(tǒng)教學(xué)的成效，使得細(xì)胞代謝知識的教授變得生動有趣。SPOC平臺具有可改變性和交互性，為學(xué)生提供了量身定制“教育工具”，旨在適應(yīng)每位學(xué)生的節(jié)奏、速度和偏好。借助這些工具，學(xué)習(xí)者能夠在較短的時間內(nèi)掌握復(fù)雜的代謝知識。在“細(xì)胞代謝”教學(xué)中，掌握糖酵解過程、三羧酸循環(huán)過程和氧化磷酸化等代謝過程的機(jī)制往往頗具挑戰(zhàn)。SPOC平臺運(yùn)用動畫、視瀕和動態(tài)圖表等多媒體技術(shù)，將這些復(fù)雜的代謝過程形象化，幫助學(xué)習(xí)者構(gòu)建更加清晰的概念框架；同時，SPOC平臺還提供了及時反饋和討論功能，學(xué)習(xí)者可以實(shí)時提出疑難，并與教師和同伴進(jìn)行交流，從而將書本上的知識轉(zhuǎn)化為個人理解，這有助于學(xué)習(xí)者鞏固基礎(chǔ)概念、培養(yǎng)獨(dú)立思考的能力。SPOC平臺還提供了多種學(xué)習(xí)資源，包括在線測驗、模擬實(shí)驗和案例分析等，這些資源有助于學(xué)習(xí)者將所掌握的知識與日常生活聯(lián)系起來。

（二）虛擬實(shí)驗室在突破微觀視角限制中的作用

細(xì)胞代謝構(gòu)成了生命代謝中的精細(xì)化學(xué)反應(yīng)及其分子機(jī)制。遺憾的是，傳統(tǒng)的實(shí)驗教學(xué)方法根本無法讓學(xué)生直觀地觀察到細(xì)胞代謝過程中發(fā)生的一系列生化反應(yīng)和分子機(jī)制。然而，虛擬實(shí)驗室利用現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢，通過模擬和三維建模，生動地展示了細(xì)胞代謝的各個階段。學(xué)生可以通過這些三維模型，觀察到酶與底物結(jié)合時分子構(gòu)象的動態(tài)變化，從而深人理解酶促反應(yīng)的機(jī)制。這種可視化能力克服了傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生對整個微觀世界的理解障礙，使他們能夠充分認(rèn)識酶促反應(yīng)的每一個細(xì)節(jié)，進(jìn)而全面理解細(xì)胞代謝過程。虛擬實(shí)驗室能夠高度仿真地再現(xiàn)細(xì)胞代謝過程，如糖酵解、三羧酸循環(huán)、氧化磷酸化等。學(xué)生在虛擬實(shí)驗室中可以調(diào)整實(shí)驗參數(shù)，觀察不同代謝狀態(tài)下的反應(yīng)變化，從而深入理解細(xì)胞代謝活動的調(diào)節(jié)機(jī)制。這種實(shí)驗教學(xué)方式既靈活又具有探究性，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并培養(yǎng)他們的科學(xué)探究思維。

（三）SPOC與虛擬實(shí)驗室的協(xié)同效應(yīng)

基于SPOC教學(xué)模式的自主性、多樣性、個性化特點(diǎn)，學(xué)生能夠按照自己的節(jié)奏進(jìn)行學(xué)習(xí)，并通過反饋信息針對性地查漏補(bǔ)缺。結(jié)合虛擬實(shí)驗室技術(shù)，學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗得到豐富，能夠直觀感受課程內(nèi)容，擺脫微觀空間的限制，從而實(shí)現(xiàn)二者的結(jié)合與互補(bǔ)，最終提高教學(xué)成效。例如，學(xué)生在SPOC教學(xué)模式下學(xué)習(xí)糖酵解知識后，即可登錄虛擬實(shí)驗室模擬實(shí)驗，親身體會葡萄糖變成丙酮酸的過程，將抽象知識轉(zhuǎn)化為具體實(shí)踐。此外，SPOC教學(xué)模式與虛擬實(shí)驗室的結(jié)合還體現(xiàn)在數(shù)據(jù)對接上。“理論一模擬實(shí)驗一數(shù)據(jù)對接”，學(xué)生在虛擬實(shí)驗室完成模擬實(shí)驗后，能夠即時將實(shí)驗結(jié)果上傳至SPOC教學(xué)平臺。教師將針對學(xué)生的模擬操作過程及結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并指出其中的不足之處。基于數(shù)據(jù)的教學(xué)方法能更直觀地評估學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，并針對性地指導(dǎo)學(xué)生在掌握知識后進(jìn)行查漏補(bǔ)缺。SPOC教學(xué)模式還支持在線討論功能，學(xué)生在完成虛擬實(shí)驗后，可以與其他學(xué)生交流虛擬實(shí)驗感悟，分享實(shí)驗結(jié)果，形成共識并突破難點(diǎn)。

四、 SPOC+ 虛擬實(shí)驗室模式在“細(xì)胞代謝”教學(xué)中的具體實(shí)施

（一）虛擬實(shí)驗室的動態(tài)展示與操作

教師根據(jù)教學(xué)進(jìn)度，在SPOC平臺上向?qū)W生推送學(xué)習(xí)任務(wù)，要求學(xué)生提前預(yù)習(xí)細(xì)胞代謝相關(guān)知識，如糖酵解反應(yīng)、三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化途徑的步驟及分子機(jī)制等。學(xué)生在虛擬實(shí)驗中可以借助三維建模和動態(tài)模擬，從宏觀層面觀察細(xì)胞代謝的具體過程，有效打破宏觀思維局限。在介紹糖酵解反應(yīng)時，虛擬實(shí)驗室能夠展示葡萄糖分子逐步轉(zhuǎn)化為丙酮酸的過程，動態(tài)呈現(xiàn)ATP及NADH的生成。通過實(shí)驗操作模塊，可調(diào)控溫度、 ΔpH 值、調(diào)節(jié)酶等條件，觀察反應(yīng)速率變化，從而深人理解酶促反應(yīng)的調(diào)節(jié)過程。此外，在虛擬實(shí)驗室中還能設(shè)置小組實(shí)驗任務(wù)，在教師引導(dǎo)下，學(xué)生利用三羧酸循環(huán)動態(tài)圖，觀察三羧酸循環(huán)過程中底物及產(chǎn)物的變化，親手繪制糖酵母溶液反應(yīng)過程，并實(shí)時查看反應(yīng)能量，分析能量轉(zhuǎn)換規(guī)律。在虛擬實(shí)驗室的環(huán)境中，通過動態(tài)展示和操作細(xì)胞代謝過程，學(xué)生能夠在課上加深對細(xì)胞代謝反應(yīng)的直觀理解。這不僅有助于他們在理解的基礎(chǔ)上更深入地掌握這部分知識，還能提高他們在細(xì)胞代謝物質(zhì)轉(zhuǎn)化方面的探究能力，以及相關(guān)數(shù)據(jù)處理和分析的能力。如圖1所示。

（二）SPOC平臺的教學(xué)設(shè)計與資源整合

在以‘ SPOC+ 虛擬實(shí)驗室”模式開展“細(xì)胞代謝”教學(xué)的過程中，通過SPOC平臺進(jìn)行的教學(xué)設(shè)計與資源整合，已成為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化、個性化學(xué)習(xí)內(nèi)容與資源提供的重要手段。這一點(diǎn)在細(xì)胞生物學(xué)教學(xué)中得到了驗證，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和自主學(xué)習(xí)能力得到了顯著提升。在此方面，教師需針對“細(xì)胞代謝”教學(xué)的實(shí)際開展，在SPOC平臺中精心設(shè)計學(xué)習(xí)階段任務(wù)，針對糖酵解、三羧酸循環(huán)以及氧化磷酸化等復(fù)雜代謝途徑，細(xì)化操作步驟的處理。與此同時，每個階段任務(wù)均明確學(xué)習(xí)目標(biāo)、關(guān)鍵知識點(diǎn)，并配備教學(xué)視頻、交互式表格以及在線測評等資源，逐漸引導(dǎo)學(xué)生掌握代謝操作步驟。同時，在實(shí)際教學(xué)課堂的開展過程中，教師需利用SPOC平臺布置教學(xué)任務(wù)，并向?qū)W生提出預(yù)習(xí)要求，確保他們在課前對代謝過程有初步了解；通過平臺提供的視頻資源和圖文資料，學(xué)生可以進(jìn)行初步操作，從而獲得基礎(chǔ)的代謝操作學(xué)習(xí)成果與知識。在課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，教師應(yīng)利用SPOC平臺輔助教學(xué)，通過在線答疑和互動式測評，逐步準(zhǔn)備課堂討論資源。教師要求學(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)平臺的相關(guān)資源進(jìn)行具體討論，并以問題形式提出疑問，結(jié)合平臺上的資源進(jìn)行解答。有效的線上和線下互動可以幫助學(xué)生理解教學(xué)內(nèi)容，加深認(rèn)識，并促進(jìn)學(xué)生形成獨(dú)立的判斷、批判、解決思維與能力。

圖1糖酵解圖

（三）學(xué)生參與操作體驗

學(xué)生在虛擬實(shí)驗室中可運(yùn)用調(diào)節(jié)工具，調(diào)整實(shí)驗變量，如實(shí)驗溫度、 pH 值或者酶濃度，以分析不同實(shí)驗結(jié)果，從而了解代謝的調(diào)節(jié)，也可以根據(jù)調(diào)節(jié)結(jié)果，分析實(shí)驗操作環(huán)節(jié)，了解代謝的調(diào)節(jié)規(guī)律。例如，在三羧酸循環(huán)中，教師可根據(jù)課堂安排布置任務(wù)，指導(dǎo)學(xué)生分析底物濃度或調(diào)節(jié)酶作用，引導(dǎo)其了解每一步底物和產(chǎn)物的變化，并探討能量轉(zhuǎn)換規(guī)律。并通過探究，了解探究設(shè)計操作實(shí)驗的規(guī)律等。教師可以通過SPOC平臺進(jìn)行直播教學(xué)，實(shí)時監(jiān)控操作進(jìn)度，并借助平臺的互動性指導(dǎo)教學(xué)實(shí)踐。學(xué)生能在互動環(huán)節(jié)中操作實(shí)驗并分析。例如：在面臨氧化磷酸化的疑惑時，可通過平臺反饋獲取操作步驟的指導(dǎo)，或者利用聊天功能討論實(shí)驗步驟，以此促進(jìn)自我反思，提升學(xué)習(xí)興趣

五、教學(xué)效果與反思

（一）學(xué)生理解深度的顯著提升

在SPOC平臺的體系化教學(xué)中，學(xué)生可以在不同的階段系統(tǒng)地學(xué)習(xí)糖酵解、三羧酸循環(huán)以及氧化磷酸化等復(fù)雜代謝過程的關(guān)鍵知識。通過虛擬實(shí)驗室中的動態(tài)模擬和操作，學(xué)生能夠?qū)⒊橄罄碚撧D(zhuǎn)化為直觀可見的實(shí)踐效果。例如，在虛擬實(shí)驗室中，通過改變實(shí)驗參數(shù)來觀察代謝反應(yīng)的變化，直觀地體驗酶促反應(yīng)的調(diào)控規(guī)律和能量轉(zhuǎn)化的原理。這種實(shí)踐與理論的結(jié)合，不僅加深了學(xué)生對代謝過程的認(rèn)知與理解，而且培養(yǎng)了他們的科學(xué)思維。SPOC平臺提供的信息反饋和一對一指導(dǎo)，使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中能夠解決難以理解的知識和現(xiàn)象等難題。例如，在模擬氧化磷酸化實(shí)驗過程中遇到理解障礙時，教師可以通過SPOC平臺發(fā)送指導(dǎo)信息或進(jìn)行在線交流，幫助學(xué)生反思實(shí)驗步驟并調(diào)整操作方案，從而促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)與理解的正向循環(huán)。

（二）教學(xué)效率與資源的優(yōu)化

SPOC教學(xué)系統(tǒng)能夠高效整合包括教學(xué)視頻、動態(tài)圖表及在線練習(xí)題在內(nèi)的多樣化學(xué)習(xí)資源。通過利用平臺的交互功能和虛擬實(shí)驗室的動態(tài)仿真技術(shù)，它為學(xué)習(xí)者提供直觀和互動的學(xué)習(xí)體驗。動態(tài)虛擬化實(shí)驗室的仿真技術(shù)不僅提高了教師的教學(xué)效率，還允許學(xué)生調(diào)整代謝反應(yīng)的參數(shù)，直觀掌握酶促反應(yīng)的調(diào)控機(jī)制和能量轉(zhuǎn)化過程。這種直觀的操作性不僅使學(xué)生擺脫了傳統(tǒng)實(shí)驗因條件限制而導(dǎo)致的效率低下，還能通過SPOC平臺實(shí)現(xiàn)即時的、可追溯的學(xué)習(xí)反饋和數(shù)據(jù)分析。這使得教師能夠及時掌握學(xué)生的不同學(xué)習(xí)狀態(tài)，并據(jù)此進(jìn)行針對性調(diào)整，如根據(jù)在線練習(xí)題的反饋情況，及時推送不同知識點(diǎn)的在線學(xué)習(xí)資源。

（三）教師角色的轉(zhuǎn)變與能力提升

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，教師通常扮演著知識傳遞者的角色。然而，在‘ 虛擬實(shí)驗室”的教學(xué)模式下，教師的角色轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)的設(shè)計者、指導(dǎo)者和支持者。在SPOC平臺上，教師根據(jù)教學(xué)計劃設(shè)計學(xué)習(xí)活動，融合教學(xué)視頻、交互圖形、在線習(xí)題等多種教學(xué)資源，并根據(jù)學(xué)生的需求適時調(diào)整教學(xué)內(nèi)容。比如，在講解三羧酸循環(huán)時，教師可以利用SPOC平臺布置布置預(yù)習(xí)任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生觀看動態(tài)演示視頻，了解三羧酸循環(huán)的反應(yīng)過程。結(jié)合虛擬實(shí)驗室的操作環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠更深人地掌握代謝過程中的反應(yīng)細(xì)節(jié)。這種教學(xué)設(shè)計的轉(zhuǎn)變有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率和激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。虛擬實(shí)驗室的動態(tài)演示功能，使得教師的角色得以創(chuàng)新，從傳統(tǒng)的知識灌輸者轉(zhuǎn)變?yōu)橐龑?dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究實(shí)踐的指導(dǎo)者。

六、結(jié)束語

在“細(xì)胞代謝”教學(xué)中，SPOC與虛擬實(shí)驗室的結(jié)合為傳統(tǒng)教學(xué)帶來了革新。通過動態(tài)模擬與個性化學(xué)習(xí)資源，學(xué)生能夠直觀地理解復(fù)雜的代謝過程，突破微觀認(rèn)知障礙，顯著提升理解深度與學(xué)習(xí)效率。教師角色的轉(zhuǎn)變與能力提升，進(jìn)一步優(yōu)化了教學(xué)設(shè)計與指導(dǎo)。這種模式不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還培養(yǎng)了他們的科學(xué)探究思維與自主學(xué)習(xí)能力。未來，教師可以在課程設(shè)置過程中，結(jié)合此類模式，獲得整體能力的有效提升。同時，對該教學(xué)模式的持續(xù)優(yōu)化和個性化應(yīng)用，以提升整體教作者單位：樊丁寧 甘肅省平?jīng)鍪徐o寧縣文萃中學(xué)質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]錢敏艷.基于SPOC 的高中生物混合式學(xué)習(xí)模式探索[J].中學(xué)生物學(xué)，2020，37（12）：25-27.

[2]王曉燕.SPOC 混合式教學(xué)在高中生物復(fù)習(xí)課堂的應(yīng)用策略[J].幸福家庭，2023，（13）：88-90.

[3]曾如鈺，朱姣姣，陳慧慧，等.SPOC 混合式教學(xué)模式對學(xué)生學(xué)習(xí)效果的影響[J].河南水產(chǎn)，2020，（01）：36-38.