利用WISE“光合作用”項目促進初中生物學實驗教學創新

姚海霞

[摘? ?要]遵循勢科學理論，基于信息技術中的WISE虛擬實驗平臺，以平臺中的“光合作用”項目為例，通過校本改造，開展網絡虛擬探究與真實實驗整合的初中生物學實驗教學創新實踐。

[關鍵詞]WISE“光合作用”項目;本土化;實驗教學;創新

[中圖分類號]? ? G633.91? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2019）17-0011-03

勢科學理論提出創新人才的培養應遵循“差別促進聯系，聯系擴大差別”的勢增原理，其教育動力學本質就是營造最強的教育信息勢。在初中生物學實驗教學中，教師發掘一些反差大的情景，激發學生的學習熱情和好奇心，即營造強大的教學信息勢，可以使學生主動調動已有知識和經驗查找解決問題的方法，通過主動思考、實驗觀察、實踐探究獲得新知識。下面以《光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣》一節為例，闡述如何利用WISE“光合作用”項目促進初中生物學實驗教學創新。

一、WISE中的“光合作用”項目簡介

WISE是Web-based Inquiry Science Environment（基于網絡的科學探究環境）的簡稱，是美國國家科學基金會資助加州大學伯克利分校瑪麗·琳教授團隊開發的一種網絡虛擬仿真探究學習平臺。該平臺已開發出了包括物理、化學和生物等多個全球免費開放的資源庫，教師可修改里面的課程用于個性化教學。

WISE中的“光合作用”項目最初是2012年伯克利大學的Ryoo和Linn教授發布的，適用于美國六至八年級學生的項目，學習時間為4～5小時。該項目包含大量的虛擬實驗、仿真動畫和動態模型等學習工具，它能將不易看到的、復雜抽象的知識形象化、生動化和趣味化。例如，虛擬探究“影響植物光合作用的因素”，不僅能讓學生直觀觀察自己設計的實驗結果，而且可以同步處理實驗數據。但是該項目沿著“能量來源→能量轉化→能量利用”的主線組織探究，涉及光合作用、能量守恒定律、氧化還原、生態系統、食物鏈、食物網等知識，跟人教版初中生物學教材的編寫邏輯不同，故需進行本土化改造方可用于教學。

二、WISE中的“光合作用”項目的本土化改造

（一）內容與學情分析

光合作用相關內容隸屬《義務教育生物學課程標準（2011年版）》第四大主題“生物圈中的綠色植物”，要求教師幫助學生形成一個重要概念“綠色植物能利用太陽能（光能），把二氧化碳和水合成貯存了能量的有機物，同時釋放氧氣”，要求學生學會：1.闡明綠色植物的光合作用;2.舉例說出綠色植物光合作用原理在生產中的應用;3.說明綠色植物有助于維持生物圈的碳氧平衡。《義務教育生物學課程標準（2011年版）》建議開展“探究光合作用的條件、原料和產物”活動。

人教版初中生物學教材將光合作用分為兩節來學習。第四章《綠色植物是生物圈中有機物的制造者》，通過實驗“綠葉在光下制造有機物”闡明光合作用制造有機物（淀粉）、綠葉進行光合作用的重要條件，以及光合產物構建了植物體也養育了其他生物;第五章第一節《光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣》闡述光合作用的實質及其原理在生產實踐中的應用，強調了光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣具有調節大氣碳-氧平衡的作用。兩節內容共同呈現了光合作用的完整概念，強化了綠色植物作為生產者在生物圈中的作用。此外，教材設置了經典實驗分析、設計探究實驗、演示實驗等內容，加深學生對光合作用概念的理解。通過第四章的學習，學生對光合作用有了新的認知，知道“光合作用使光能轉化成化學能儲存在有機物質中”“光合作用養活了地球上的生物”，形成了“生態系統中流動的能量來自于光合作用固定的光能”等初步概念。

信息時代的學生對網絡遠程學習的接受能力非常強，只需給予簡單的說明就可以摸索探究出網頁操作方法和技巧，所以他們使用WISE虛擬實驗平臺沒有操作性障礙。

因此，學生能理解美國WISE中“光合作用”項目以能量為主線的描述，我國教師根據課程標準對該項目進行改造，開展“慕課”教學是可行的。

（二）本土化改造

根據以上內容與學情的分析，筆者對WISE“光合作用”項目進行了本土化改造，一是刪除了平臺上關于太陽光的組成、能量的守恒、氧化還原反應等物理、化學探究活動;二是從任務清單中刪除植物的生長、生態系統、食物鏈和食物網等知識，使之成為輔助閱讀材料;三是根據教學內容和教學目標，添加學習資料和設置新的學習任務;四是根據學習任務的難度利用WISE設計項目的分組功能，將遠程學習的內容分為獨立完成的任務（簡稱“獨學任務”）和小組合作的任務（簡稱“合作任務”）;五是利用WISE設計項目的分步呈現功能，將“學習反饋”模塊的探究任務隱藏至面授課才呈現。此外，為培養學生的科學思維和思辨思維，筆者設計項目“探究任務”時，將每一個任務的第一個活動均設計為引導學生調動已有知識經驗的探究活動。

三、開展網絡虛擬探究與真實實驗整合的創新教學實踐

《初中生物實驗有效教學研究》（劉艷紅，2013）指出，虛擬實驗可有效幫助學生熟悉實驗步驟、評價設計實驗方案;實驗周期長不易觀察現象的實驗，如“探究種子的萌發”“探究光對植物生長的影響”，適合用虛擬實驗教學。虛擬實驗不能代替真實實驗，同一實驗學生做真實實驗產生的“情感信息勢”更大。據此，筆者將虛擬實驗與真實實驗有機整合，開展相關創新教學。教學過程如下：

（一）觀看小電影《瑪麗的煩惱》，領受學習任務（布置任務）

教師先播放小電影《瑪麗的煩惱》：“紐約州6年級小學生瑪麗，需要在冬天種植黑麥草給她的寵物兔子吃。她在溫暖的玻璃陽臺用花盆種麥草，可是麥草長得很不好。她非常苦惱，她想知道怎樣做才能種出能量最豐富的麥草給兔子吃。”然后提問：“同學們，你們能幫助小瑪麗解決她的煩惱嗎？你們覺得她應該怎樣布置陽臺才能種出能量豐富的麥草？”

教師布置任務：

任務1：登錄“WISE”課程網址，按時完成指定課程的學習。（網址：http：//wise.berkeley.edu/ ;課程編號80128）

任務2：小組合作繪制玻璃溫室的設計圖。要求設置合理，環保節能，及培育出的植物茁壯成長，能量豐富;注明每項設計的科學原理。

設計意圖：本環節是《綠色植物是生物圈中有機物的制造者》課堂教學的最后環節“實踐拓展”，意在創造教學“情感信息勢”，激發學生運用所學知識解決生活實際問題的熱情。“設計溫室”是貫穿整個第五章的學習任務主線。

（二）登錄WISE，完成遠程探究課程（自主研學）

學生按照指引登錄學習賬號，進入課程學習頁面，根據探究地圖完成學習任務;教師登錄平臺監控和觀察學生的學習情況，督促學習進度落后的學生加快學習進度，解決學生學習中遇到的問題。

設計意圖：WISE是基于網絡的信息交流和查詢平臺，師生、生生在課程中的交流既可以設為私密交流，也可公開討論，這既讓學生有安全感，又讓教師的輔導更有效。

“獨學任務”要求學生在參與合作探究前必須儲備信息和知識，并自己內化。“合作任務”難度較大，需要收集更多的信息，群策群力。總之，這是為了讓學生主動思維，積累自身發展的信息勢的教學環節。

（三）真實實驗探究“光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣”（課堂合作）

導入新課：通過網絡學習，大家對小瑪麗的溫室小屋又有什么新的設想呢？植物光合作用除了需要光以外還需要什么條件？還能產生哪些物質？

學生根據研究計劃自主探究“葉綠體是光合作用的場所嗎？”“二氧化碳是光合作用的原料嗎？”等等。教師的工作是巡視指導、組織評價交流活動。

教學活動流程為：實驗探究→實驗分析→得出結論→展示交流→評價反思→設計改良→驗證實驗→撰寫報告。

設計意圖：因為時間的限制，傳統的實驗課幾乎沒有時間讓學生分析實驗結果，反思實驗操作。把實驗設計方案放在網絡遠程輔導，讓教師和學生在實驗前準備更充分，實驗速度更快，這就讓師生能夠從容地分析實驗結果，反思和重復實驗，更有利于培養學生的思辨思維。

（四）闡明光合作用實質（課堂提升）

七年級學生的抽象思維能力較弱，他們通過網絡學習和真實實驗獲取了大量的信息，但是這些信息是呈碎片狀散亂地分布在他們的大腦里的。腦科學研究指出，只有有序排列的信息才能在需要使用時迅速調取出來。故教師設計了如下活動引導學生逐步概括光合作用的實質。

1.復習舊知，為新課做好鋪墊。

活動一：展示優秀的實驗報告，回顧真實實驗現象，概括實驗結論。

2.引導探究，闡明光合作用的實質。

活動二：利用表格總結光合作用的原料、場所、產物、條件，分析光合作用過程中物質和能量的變化規律。

活動三：利用WISE平臺上的模型繪制板，繪制一幅光合作用過程示意圖（如圖1）并向你的同桌介紹你所繪的示意圖。

《義務教育生物學課程標準（2011年版）》倡導“有條件的學校還可以適當引入多媒體技術進行虛擬實驗”。虛擬實驗平臺能讓學生在虛擬環境下參與實驗的整個過程，成為實驗的親歷者而不再是旁觀者。但初中生物虛擬實驗平臺很少，可以免費使用的主要有國內的同步實驗室與美國的WISE。利用WISE中的已有項目，根據學校和學生的實際進行本土化教學，是營造實驗教學強大教育信息勢的有效手段，是初中生物學實驗教學創新的有益嘗試。

（責任編輯? ? 黃春香）