基于數據探究理論的高中生物數字化學習探索與實踐

羅東才

“數字化學習”是一種在大數據環境下，以提高學生科學素養特別是數據素養為宗旨，以探究式教學為鮮明特征，以科學思想、科學方法特別是數據挖掘方法為核心的學習模式。它不僅把數字化工具、媒體、網絡和軟件等技術作為輔助教學的工具，而且強調要利用數字化技術建構一種新型的教學環境，以支持自主探索、多重交互、情境創設、合作學習、資源共享的學習方式。本著這樣的理念，我們從必修課、選修課、特色課等多方面展開了“數字化生物學習”的實踐研究。

一、數字化學習的應用

在人教版高中生物教材中，編者引入了大量的數字化研究方法，如種群生長曲線、基因頻率及基因型頻率的推演等。但我們讓學生突破教材，選用各種多媒體輔助軟件開展深度探究學習。比如，學生們用傳感器測酶活性，用計算機繪制光合作用圖線，用數碼相機對植物固碳釋氧量進行估算，用傳感器研究填海區土壤生態與微生物的關系，用數碼相機和幾何畫板研究動物生態識別，用紅外測溫儀研究植物體溫調節，用數碼照片估算灌木地上生物量，等等。

二、數字化學習的作用

1.幫助學生完成由形象到抽象的思維升華

生物學科有些內容比較抽象，看不到、摸不著，學生無法想象，無法在腦海中建立圖景，妨礙了學生對生物規律的深入理解。

例如，葉綠體的功能與結構密切相關，因其亞顯微結構較為抽象，我便和學生一起，將數碼相機功能調至“微距”或“放大”后拍攝教材圖片，然后轉至電腦進行圖片的編輯和處理，再制成更為清晰的放大的教學圖片，彌補教材教學圖片的不足。再如，在群落結構的教學中，學生用數碼相機拍取熟知的校園或周邊生物的水平結構和垂直結構，再通過PowerPoint播放圖片，既有真實感，貼近生活，又與教學內容有效接軌。

一次課堂討論時，學生對斑馬的黑白條紋非常感興趣，他們查閱文獻，對文獻中“種群識別、保護色、驅趕蚊蠅”等觀點產生質疑，并提出自己的觀點：斑馬條紋是否可以控制體表溫度？據此提出假設：黑白條紋如果可以降低溫度，可能是因為在黑白條紋的上方，空氣形成氣壓差，衍生小氣流，因而降低體表溫度以適應非洲炎熱環境。于是，他們開始建立斑馬條紋的物理模型；進而研究不同粗細黑白條紋瓶的控溫效果；最后再建立黑白相間條紋產生空氣對流的數學模型。學生經歷了從生物現象到物理建模再到數學模型的思維遞進升華（見圖1）。

2.加速學生思維過程，提高教學質量

數字化研究方法能夠把動態的數據實時地反映在計算機中，以便師生深入挖掘其數字內涵，加速從觀察現象、建立模型到認識本質的思維過程，提高教學效果。在必修1“影響過氧化氫酶的活性因素”的教學中，我們借助氧氣傳感器，在電腦中同步記錄下各種蔬菜、水果及動物肝臟提取液分解過氧化氫的速率隨時間變化圖像（見圖2），對特殊點附上坐標值，讓學生分析生物酶是通過降低化學反應活化能而起到催化作用。這對于高一學生是一個不小的挑戰。學生對來自于生活、來自于自身的問題充滿求知興趣和探索欲望，理性的教學中洋溢著激情，興奮的操作中突破了難點。

3.培養學生的問題意識和數據探究能力

古人云“工欲善其事，必先利其器”，有了數字化方法這個強大的工具和環境，學生的問題意識大大增強，總是希望能夠借助它解決更多的問題。在“光合作用”的學習中，我們利用傳感器測定金魚藻光合作用強度（見圖3）。

在此基礎上，學生對探究不同單色光對光合作用強度的影響充滿興趣，提出能否驗證植物體溫變化規律、調節機制與光合作用的關系。他們上網查閱資料，沒有發現相關的研究和結論，真是一項挑戰。經過討論，大家確定利用紅外熱像儀獲得植物紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應，將物體發出的不可見紅外能量轉變為可見的熱圖像（見圖4）。熱圖像的不同顏色代表被測物體的不同溫度。此外學生利用紅外測溫儀于夏季早、中、晚不同時段對同一植物體溫進行連續觀察，得出植物體溫隨時間變化曲線，從而發現光合作用強度與植物體溫變化的規律。

4. 促使學生從指向性學習到跨界學習

教學中聚焦熱點，關注前沿。從熱門話題的導入、熱點問題的辯論、網絡信息的引入、生活問題的解決等方面探究生物跨學科融合的學習策略，讓學生學以致用，提高學生的科技意識和應用意識。例如，學生通過觀看《廣州“蚊子工廠”周產2000萬只“益蚊”》新聞報道，思考：科研人員沒有選擇城市住宅區，而是選擇了一個小島先行實驗，為什么呢？其中的實驗模型如何構建？為找到答案，學生必須研究該小島——沙仔島的綜合情況，比如分析其地理位置、生態狀況、物理環境等信息，然后才能做出如遺傳漂變等綜合分析。教師進而引導：要實現人工“益蚊”優先交配權，達到良好的控蚊效果，人工飼養的雄蚊應按什么比例、什么方式投放？需要考慮哪些因素？這都是跨界學習的深層次問題了。

總之，大數據時代已經來臨，我們希望數字化的生物學習模式能夠加強學生與生活、現代社會及科技發展的聯系。無論學生未來從事怎樣的工作，都能有良好的科學素養和數據素養，保有對科學、對數據的敏感和探索的熱情。

（作者單位：深圳北京師范大學南山附屬學校）

責任編輯：肖佳曉