基于大數據支撐的生物學智慧課堂

李偉

目前，智慧課堂己在部分學校深入開展和應用。生物學智慧課堂的各個環節產生了多維度、全方位、全程化的教學大數據。這些海量的數據分析對改進教學設計、優化教學過程、差異化課后學習具有重要的價值。基于大數據分析重構高效互動、輕負高質的生物智慧課堂，為解決傳統的整齊劃一、低效重壓課堂教學問題提供了參考。

1基于大數據改進智慧課堂教學設計

教師通常在進行教學設計時，往往是根據課標要求，憑個人經驗和理解細化生物學科知識體系，確定教學重點和難點，甚至憑經驗設計出教師想當然認為學生應該感興趣的問題情境，一定程度上將課堂教學中的各種“可能”設定了框架。教師對學生實際學情的了解一般通過作業或階段考試，具有一定的滯后性。

基于大數據的智慧課堂教學設計是以學生學情大數據的精準分析為起點，以學定教。在教學設計進行前，教師可根據新課標教學要求，遵循學生的認知規律，對教學內容進行預習化設計，聯系諸多相關實際問題和學習資源，再通過智慧課堂教學平臺推送給學生。學生接受預習任務后，可在規定時間內在智學終端自主安排學習。教師通過智學教學平臺教師端進行數據分析，了解學生的問題和關注點，再進一步進行綜合分析，結合學生的實際情況，精準定位教學重點和難點，創設最佳問題情境，構建有針對性的教學設計和教學策略。

例如，在“細胞的能量通貨——ATP”一節中，為構建更有針對性的教學設計，教師可以先預設以下問題推送給學生（這些問題也可以設計成客觀題形式）：

（1）核糖、核糖核苷酸、核糖核酸之間有什么關系？

（2）能為生命活動提供能量的物質有哪些？

（3）請嘗試進行下列有關ATP的科學探究：

①ATP熒光檢測儀已成為中國衛生監督和中國食品藥品監督官方部門指定的衛生監督和食品安全相關的專用檢測設備。ATP熒光檢測技術基于螢火蟲發光原理，利用ATP能使“熒光素酶一熒光素體系”發光快速檢測三磷酸腺苷ATP。由于所有生物活細胞中含有恒量的ATP，所以ATP含量可以清晰地表明樣品中微生物與其他生物殘余的多少，用于判斷衛生狀況。請結合資料進行下列實驗研究。

實驗目的：探究能使“熒光素酶一熒光素”溶液發光的物質。

實驗材料：螢火蟲的螢光器制成的“熒光素酶_熒光素”溶液，ATP溶液，等濃度的葡萄糖溶液，脂肪溶液，蒸餾水，A、B、C、D四支試管及其他實驗所需材料。

請寫出實驗設計思路。

②請設計實驗探究螢火蟲的螢光器發光強度和發光時間與ATP量的關系。實驗材料：螢火蟲的螢光器曬干后研磨成的粉末，ATP粉末，蒸餾水，大小相同的小燒杯若干，大小相同的試管若干，標簽紙若干及其他實驗所需材料。請寫出實驗設計思路。

③實驗探究：結合以下背景資料和提供的實驗材料探究主動運輸消耗的能量是否由ATP提供。

背景資料：HgCl2是一種可以抑制ATP水解的物質。將番茄在含Ca²⁺和Mg²⁺的培養液中培養一段時間，培養液中Ca²⁺和Mg²⁺濃度會因番茄主動運輸吸收而明顯下降。

實驗材料：A、B兩組長勢相同的含Ca²⁺和Mg²⁺培養液培養的番茄，蒸餾水，HgCl2溶液。請寫出實驗設計思路。

（4）1997年諾貝爾化學獎的一半授予了美國的保羅·博耶和英國的約翰·沃克，以表彰他們在進行ATP方面研究所取得的成就。假如你是科學家，你打算對ATP這樣一個物質的哪些方面作出一些預期并進一步研究：

①ATP分子必須具備什么樣的特點？②ATP在細胞中的含量如何？③ATP能接受糖類等能源物質釋放的能量嗎？……

教師分析學生課前預習的數據，可以很好地了解學生原有相關知識的掌握情況，并以此來調整課堂教學的難點。教師還可以了解學生感興趣的問題來設計本節課的問題情境，再圍繞問題情境來構建課堂結構進行教學設計：也可以根據大數據分析，改進教學策略和教學方法，為課堂教學以探究方式展開選擇最佳切入點，真正落實科學探究、科學思維等學科核心素養的培養。

2基于大數據優化智慧課堂教學過程

傳統的教學過程對發現學生的共性問、題收集反饋信息具有一定的滯后性，同時師生間和生生間的交流范圍和程度都非常有限，教師得到的反饋信息也是局部的。因而教師發現的關鍵性問題有可能是片面的、盲目的。大數據可以隨時動態精確反饋學生學習情況，教師可以解決學生的共性問題，又可以合理安排適合學生自身發展的課程結構和方法，調動學生的主觀能動性，激發學生自身內在需求。同時，教師還可以兼顧學生差異，強調學生間的溝通與合作、交往與共享，真正體現面向全體學生。

例如，在“細胞的能量通貨——ATP”一節教學中，學生討論建構ATP的分子結構模型時，教師往往會讓學生利用紙條、剪刀和膠帶等構建ATP分子結構模型，形式較為單一，教學效果一般。在智慧課堂中可以設計成活動進行推送，如圖1所示。

學生只需拖動智慧教學終端屏幕上的相關圖片，進行ATP分子結構模型的構建，然后提交到智學平臺。教師利用智學平臺可以及時知道學生的思維過程和模型構建情況。學生提交后，可以看到其他同學的模型構建情況，實現互動交流。教師依據智學平臺，對教學信息進行智能化處理，實施精準教學，有針對性地展示、交流，在師生和生生互動、反饋中把學生的共性問題進行充分挖掘，同時進行教學內容的實時調整，開展有針對性的講解，進而促進學生歸納出ATP分子結構特點，提煉結構與功能相統一的生物學觀點。在此基礎上，教師還可以進一步利用ATP的結構模型引入ADP結構，拓展與RNA基本單位核糖核苷酸的關系。這樣不僅加大了師生間、生生間交流的范圍和深度，也真正實現了深度學習，充分拓展了課堂教學學生思維的時間和空間。同時，還可將教學過程中生成的問題分類儲存，為后續的教學積累數據，也可為學生的學習收藏錯題和模糊問題，建立題庫。教師還可以依據大數據反饋的學生問題的具體信息，適當個性化推送微課、慕課等教學輔助資源，精準幫助學生及時解決學習過程中沒有解決或理解的問題，提高學習效率。

基于大數據的生物智慧課堂也為滿足不同層次學生學習需求，實現差異化教學提供了實現路徑。由于學生的個體差異具有多層次性、多結構性、多變化性等特點，教師僅靠課堂教學過程中對學生的觀察和理解，往往難以達到對學生的準確診斷，因而難以實現對學生的推進教學。大數據分析和精準及時的反饋既可解決學生共性的問題，又能精準定位不同層次的學生。通過教師差異化推送不同的學習任務，滿足不同層次學生的學習需求，然后通過智學平臺進行師生互動交流，生生間合作學習，真正提高了課堂教學的實效性和針對性，在因材施教的同時實現學生個性化發展。

3基于大數據分析提供差異化課后學習內容

課堂教學完成后，教師結合大數據的分析，發掘學生優勢，針對學生個體差異，通過智學平臺，給每個學生推送“處于學生最近發展區”且學生樂意接受的具有挑戰意義的學習內容，使不同水平的學生都有收獲。在課后學習內容安排上，按照學生的實際狀態，設計靈活多樣、層次各異的生物學習內容（包括相關實際問題的探究，個性化的思維導圖、復習資料以及課后習題等）供學生選擇，幫助學生鞏固和理解課堂學習內容，為學生提供更廣闊的生物學習空間。

設計有層次的課后學習內容時考慮學生的差異，并不意味著消極被動地適應學生的差異。教師推送的差異化課后學習內容要力求讓所有的學生通過努力都能完成，而不會帶來過大的壓力，使每個學生的學習潛能都在原有的基礎上得到充分的發展。

課后學習內容可以是傳統紙質的形式，學生完成后，統一掃描輸入智學平臺進行數據分析，也可以以電子文檔的形式推送至智學平臺，學生在智學終端完成再進行數據分析。智學平臺處理的數據分析精準反饋到教師端。通過數據分析，教師可以準確把握學生的學習情況：時間分配上是否存在問題，各類題目上的得失分情況如何，哪些知識的應用上存在缺陷;同時與班級其他學生進行橫向對比，薄弱項目和失分較多的題型又有哪些，分析學生的知識缺陷所在，等等。這樣，教師可以及時對學生的學習進行干預，利用大數據提出精準的糾錯方案。同時也為教師進一步的教學提供精準的反饋信息，及時調整課堂教學的難易度及進度，進而對學生有針對性地開展課后輔導。教師還可以利用大數據實現精準的教學反思，優化自身課堂教學，根據數據分析所得出的結果，改進教學方案，提升教學效果。學生不僅能即時核對答案，還能通過微課、慕課等看到不同形式的解析，同時師生間可互動交流。錯題被收藏在錯題本，方便學生錯題重做，也可分階段隨機選擇性重做。這種大數據分析實現了對每位學生的實時跟蹤精準診斷，并且還能構建數據庫，生成學生學習情況的診斷分析報告，以及學生在一定時期內學業發展的曲線變化趨勢圖等，對學生學習過程的評價更加客觀真實精準。

總而言之，大數據下的高中生物學智慧課堂將大數據與課前教學設計、課堂教學、課后學習等環節深度融合。教師要充分挖掘大數據所蘊含的價值，做出基于數據的教學決策，重構課堂生態，促進課堂教學的優化與發展，加速教育教學改革，提高教育質量，真正實現基于數據的教育。