初中生物信息化教学设计分析

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摘要：为跟进教育现代化新课程改革的发展要求，文章以初中生物“植物细胞”章节为例，基于系统论、信息技术与课程整合理论，利用NOBOOK虚拟实验室、VR生物公园等信息技术手段，精心设计情景导入、任务分组、虚实演练、VR体验、总结拓展五个课堂教学环节，构建核心素养下生物信息化教学设计过程，以期提高学生学习兴趣，改善生物课堂教学效果。

关键词：初中生物；虚拟实验；核心素养；信息化教学设计

一、引言

自教育部颁布各种全面深化课程改革的有关文件以来，各类教育工作者一直致力于学科核心素养如何落实到课堂教学中的问题，从整体上推动了教育的深层次改革[1]。随着人工智能、大数据、云计算、VR（虚拟现实）、AR（增强现实）等新兴科技的迅猛发展，再次加快了现代化教育教学改革的步伐。如何利用信息技术进行教育教学改革、完善信息化教学设计，成为一线教师面临的首要问题[2]。生物学是对生命基本现象和一般规律的理解与解释，与人们的生产、生活有着密切的关系[3]。与传统教学模式不同，如今的生物课堂教学倡导以学生为主体，利用信息技术手段，精心打造教学设计，在体验中习得生物学知识、培养积极的科学态度、发展终身学习的能力。本文依托生物学核心素养（生命观念、科学思维、科学探究和社会责任[4]）的培养目标，以人教版《生物学》七年级上册“细胞是生命活动的基本单位”这一章的第二节“植物细胞”为例，结合NOBOOK虚拟实验等现代新兴技术进行信息化教学设计，并加以理论的阐释和说明，希冀为广大一线教师提供教学参考。

二、信息化教学设计的理论分析

信息化教学设计作为一种解决教学实际问题的“工具”，离不开学习理论、教学理论、系统论和传播理论四大理论的指导[5]，具体如下：①依据系统论原理，在信息化教学设计中，教师要注重统筹教学过程的各个环节，根据教材内容分析、学习者分析、目标分析等把握设计思路，将导入、探究、练习、总结等各个要素有机结合，把信息化教学设计置于一个整体系统中，打造最佳的教学设计。②建构主义学习理论中“同化、建构和平衡”的思想[6]，指导我们在教学巩固复习部分中运用网络平台、生物狗App等信息技术手段进行设计，学生可随时随地对课堂的重点和难点进行复习检验，完成学习过程的螺旋式自适应循环。③有意义学习教学理论指导教师要根据教学内容，合理运用视频、图片、手机App、虚拟现实等直观性技术创设情境，还要重视生物实验的探究体验，让学生在体验中获得知识。④传播理论指导教学传播过程的有效进行，例如点阵笔的运用可使教师迅速得知学生课堂答题情况，达到实时反馈的传播效果。

三、“植物细胞”信息化教学设计与实施

1.教材分析与设计思路。“植物细胞”这节内容中“观察植物细胞表皮结构”实验的优化设计，有利于培养学生的科学探究精神，增强学习生物的浓厚兴趣。但实验结束后，还是有很多学生无法掌握模型概念，不明白具体的植物细胞结构，也不能理解相应的功能。鉴于初一学生缺乏相关的生物学基础知识，缺少对微观世界的空间感，为强化学生探究体验、改善生物课堂教学效果，教学思路如下：①以视频这一视觉呈现方式趣味导入，激发学生的学习兴趣。②教师提前准备好多种实验材料，便于学生随机选择。③实验中，先以NOBOOK生物虚拟实验平台进行模拟，在学生明确具体的实验操作步骤和安全提示后，再进行真实的实验操作练习，可减少学生因操作不熟练带来的问题。④实验后，学生根据结果观察归纳出植物细胞的基本结构及功能，并指导学生在纸上画出。⑤最后利用VR生物公园向学生展示细胞的立体模型，并让感兴趣的学生课下制作，帮助学生树立生物体结构的三维空间感，为之后的生物学学习奠定基础。2.教学目标。依据初中生物学最新课程标准与生物学核心素养的培养要求[7]，制定如下教学目标：①通过虚拟实验操练、真实实验观察，阐明植物细胞的基本结构及功能，绘制细胞简图，形成生命观念。
  ②通过探究过程，培养学生剖析归纳、模型构建、解决问题的科学思维和态度。③通过科学实验步骤，掌握科学探究方法，提高科学探究能力。④运用细胞结构与功能相适应的观念解释一些生命现象，具有一定的社会责任意识。3.教学重难点。重点：实验后归纳出植物细胞结构及功能。难点：成功制作植物细胞临时装片，形成植物细胞结构简图。4.教学过程。第一阶段：课前学生：通过在线学习平台、App等复习先前显微镜的使用方法、预习本节课植物细胞内容，准备自己想探究的生物材料。教师：询问学生对本节学习内容的想法；准备好材料用具，提供多种植物素材（如菠菜、黄瓜、洋葱等），以便小组随机选择。第二阶段：课中（1）创设情境，引发学习兴趣教师活动：①播放HankGreen老师的网易公开课视频《植物细胞》片段（课前用录屏工具将该片段录制保存，部分内容如图1所示）：这汉堡真的超好吃，这是一种神奇的魔法，但你知道它一部分是由植物做的，你在人生中吃过的大多数东西都是由植物做的……②引导学生从“细胞”这一生物体结构的基本单位开始了解植物，引出本节课的学习内容。学生活动：观看视频，感知任务。设计意图：本节内容以短视频的形式引出，短小精悍、幽默风趣，视频内容紧贴生活饮食，课堂气氛得以充分调动。
  同时，结合“食物大多数是由植物做的”视频为例，引导学生运用生命观念来认知生命世界、解释生命现象，紧扣生物学核心素养的培养目标。（2）准备材料，实施任务分组教师活动：①共同认识实验目的和要求。②实施两人互补的分组方式，让学生合作完成实验，并将准备的实验材料进行随机提供。③教师给出实验结果的记录要求，让学生试着绘制出植物细胞结构简图。学生活动：学生明确任务后，两人一组为单位准备实验观察，学生可使用教师提供的生物材料，也可采用自己准备的材料。设计意图：刚接触生物的初中生对实验的操作还不熟悉，教师需给出详细的实验结果记录要求，以结果为导向促进学生实践。（3）虚拟实验展示，真实实验操练任务一：合作探究，观察植物细胞教师活动：①NOBOOK虚拟实验展示。打开NO-BOOK虚拟实验平台（PC端或网页版）———选择“初中生物”并登录———选择“制作并观察洋葱鳞片叶内表皮细胞临时装片”实验，教师进行虚拟实验演示，引导学生概括制作方法（部分片段如图2所示）。将其虚拟实验过程投放于大屏幕，保证每一位学生及时、完整地接收知识，避免看不清操作步骤的情况。②真实实验操作。根据先前学习由学生主动提出实验步骤，再由教师进行真实实验演示，并针对操作过程中的关键问题做好讲解，不断引发学生的思考。
  ③明确任务，以小组为单位选用生物材料，将临时装片做好后放到显微镜下观察（教师巡视，注意对各小组给予评价）。学生活动：①关注NOBOOK虚拟实验中的每个过程，归纳总结实验方法和步骤。②观看教师实验过程，认真听取、记忆实验注意事项。③学生合作制作临时装片，置于显微镜下观察。设计意图：以NOBOOK生物虚拟实验操作为辅，避免视线看不见的问题，保证每位学生能够及时、完整地接收到具体实验操作步骤，并且减少学生因实验操作不熟练带来的进度参差不齐或存在的安全问题；以真实的实验操作练习为主，学生通过实验步骤的强化、问题的思考与讨论，能更好地理解操作要点。通过归纳、概括实验步骤及方法培养科学思维和科学态度，通过小组合作过程培养学生的科学探究能力。任务二：形象感知，绘制植物细胞结构简图教师活动：①指导学生讨论显微镜下的细胞结构。②布置任务：再次观察，按照绘制要求画出一个植物细胞的生物结构简图，试着理解各部分的功能。③小组代表上台展示绘制出的细胞结构简图，分享本组成果，师生共同总结评价。学生活动：画出细胞结构简图，识别各结构名称。通过小组讨论、师生合作理解植物细胞各部分的功能，体会植物细胞的结构层次。设计意图：通过形象感知、绘制植物细胞简图、讨论细胞结构及功能，不仅能够培养学生的交流、合作能力，还能促进学生的综合素质发展，形成结构与功能相适应的生命观念。
  （4）VR体验，理解细胞模型教师活动：在学生认为完全认识细胞结构后，利用手机上的“VR生物公园”App投屏到多媒体，向学生展示细胞立体模型，让学生在三维世界中进一步理解植物细胞的结构层次与功能。学生活动：亲身体验，身临其境般地感知细胞的基本结构与功能。明白显微镜下所观察到的只是植物细胞的平面结构，而实际的细胞结构是三维的。设计意图：利用虚拟现实技术达到丰富的体验效果，将细胞这一微观概念直观形象化，既能拓宽学生视野，又能引导学生树立生物体结构的立体观和整体观。（5）总结拓展，联系生活实践教师活动：①与学生一起系统归纳本节知识点，利用思维导图软件形成知识网络图。②提出并解释有关生物学知识的常见现象，如沙瓤西瓜里发亮的小颗粒就是一个个游离的细胞；西瓜里流出的许多甜甜的汁液，就是来自于植物细胞的液泡等等。学生活动：梳理本节课知识点，试着运用生物学知识解释生活中的常见现象。设计意图：充分利用知识网络图或脑图等可视化技术进行系统梳理，总结强化本节课的学习内容；通过结合生活实际解释生命现象，进而培养学生的生命观念和社会责任意识。第三阶段：课后教师：提供NOBOOK虚拟实验室平台，让学生复习本节知识要点；给出制作植物细胞立体模型的相关要求，让学生自行组织制作。
  学生：根据教师要求，感兴趣的学生通过自由组合完成模型制作，构建细胞的立体结构。还可写出模型说明书，强调细胞结构与功能，完成后放置班级展示区供大家鉴赏。5.教学反思本节课将信息技术和生物学知识进行了有效融合。对本实验的处理是依托信息技术手段，设计了NOBOOK生物虚拟实验模拟与真实实验操作相结合的教学过程，强化学生的实验步骤与思维过程，减少实验中可能出现的错误，以期改善实验效果，提高课堂教学效率。通过观察、实验操作、生物绘图等活动，以学生为主体，让学生亲历探究，逐步构建植物细胞的基本结构与功能。通过VR生物公园体验立体模型制作，在学生心中埋下了热爱生物的“种子”，增强了生物课堂教学的趣味性，有利于学生生物学学科核心素养的培养。信息技术手段的合理应用和基于生物学核心素养的培养目标，使得本节课高效地完成了教学内容，学生的掌握情况明显好于传统课堂。

四、信息化教学设计的优势分析

1.合理利用信息技术手段提高教学效率。现代信息技术与教育教学的融合，能够打破传统课堂的时空局限，凸显学生的学习主动性[8]。无论是课上幽默视频的导入、学生借助NOBOOK虚拟实验室平台的观察学习、通过“VR生物公园”体验细胞的立体结构，还是课后选择网络或手机App进行复习，这些信息技术的选择都是基于学情和教学实际，高效突破难点，化解重点。2.适当运用虚拟现实技术增强学生体验。在初中生物课堂教学中，尤其是实验教学中，收集虚拟现实技术软件并适当采用，有利于学生感知真实的生物世界，增强体验感[9]。本文对“观察洋葱鳞片叶表皮细胞的结构”这一实验进行了创新，采用以NOBOOK虚拟实验模拟为辅、真实的实验操作练习为主的虚拟与现实相结合的教学过程，让学生在“VR生物公园”中体验真实感，取得了良好的教学效果。3.实现信息技术与生物学教学的有效融合。信息技术与课程整合的基本阶段[10]在本文案例的教学设计中体现为：课前，学生通过网络、手机App提前一步进行知识的学习，减少学生课上学习的认知负荷；课内，通过NOBOOK虚拟实验平台、VR技术等信息技术提供课堂教学创新的新型工具，以期提高“师—生”和“生—生”交互的效果和效率；课后，利用NOBOOK虚拟实验等网络平台辅助学生巩固新旧知识，激发学生对学习生物的持续热情。4.有利于培养学生的学科核心素养。基于信息技术与课程整合理论，积极进行生物教学的创新，有利于学生在合作学习的过程中提升自身能力、培养生物核心素养[11]。导入中创设贴近生活实际的情境、总结中学会运用生物知识解释生活现象，有助于引导学生形成正确的生命观念；充实、愉悦、有效的课堂体验，实验过程中的小组互助、任务探究，有利于培养学生的科学思维能力和探究能力。

五、结语

新兴技术的发展为生物课堂与信息技术的有效融合带来机遇的同时也存在一定的问题，值得我们深思：第一，生物学科知识和信息技术的结合，虽然能够提高教学效率，但要真正做到信息技术与学科教学的整合，还需明确教学问题，在依据内容、遵循一定原则的基础上从资源中选取适合的技术，正所谓“适合的才是最好的”。第二，信息技术与生物学科教学的深度融合还未真正落到实处，还需要政府、教育机构、学校、教师、学生和家长的多方努力，转变教育理念、合理利用技术。如何将信息技术恰当地运用到初中生物教学中，辅助信息化教学设计？笔者有以下三点建议：一是从创设情境、贴近生活处导入；二是从突出重点、突破难点处切入；三是从体验拓展、实际应用处完结。新时代，教师必须充分把握系统论观点，积极落实学科核心素养，利用信息化技术手段更新教育教学方式，精心设计教学过程，打造高效课堂。

参考文献：

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[11]朱荣.基于高中生物学科核心素养的教学设计初探[J].课程教育研究,2019(20):240-241.