基于中央電化教育館“虛擬實驗室”的初中生物實驗深度教學

管曉青

［摘要］ 利用中央電化教育館“虛擬實驗室”引導學生分析實驗現象，培養學生的生物實驗關鍵能力，使學生學會分析和解決問題，在實踐中達成深度學習。基于“虛實結合，以虛促實”，運用“設疑，從個體經驗到人類知識的相互轉化；啟發，在活動中體驗新知；導學，對學習對象進行深度加工”等一系列策略，有效達成教學目標。

［關鍵詞］ 實驗教學；中央電化教育館；虛擬實驗室；深度學習

深度學習是學習者能動地參與教學，為理解基本知能而采用的學習方式，是一種基于理解、追求遷移應用的有意義學習。中央電化教育館（以下簡稱“央館”）“虛擬實驗室”是一種基于Web技術、VR虛擬現實技術構建的，開放式、網絡化的虛擬實驗教學系統，是生物教學實驗數字化和虛擬化的有效載體。本文探討利用央館“虛擬實驗室”促使學生實現深度學習。

一、設疑，從個體經驗到人類知識的相互轉化

深度學習需要喚醒學生的個體經驗，包括日常生活經驗，通過開展教學活動實現對經驗和知識的整合。由于經驗的參與，知識的學習就有了生長的根基，能使知識轉化為與學生個體有關聯、可操作、促思考的內容。例如，蘇科版生物教材七年級上冊第4章第2節“觀察溶液濃度的大小對植物吸水的影響”，為了喚醒學生以往的生活經驗，促使學生實現深度學習，筆者對這節課的實驗教學進行了適當調整。首先，筆者帶領學生進入央館“虛擬實驗室”，點擊3D動畫實驗“觀察溶液濃度的大小對植物吸水的影響”，學生按照實驗步驟，將一株幼苗的根插入盛有自來水的錐形瓶中，將另一株幼苗的根插入盛有食鹽溶液的錐形瓶中，置于光下，點擊時間加速器，五天后觀察莖和葉會出現什么現象。學生分析實驗結果：清水中的幼苗正常生長，食鹽溶液中的幼苗慢慢變黃、萎蔫、死亡。對于幼苗死亡的原因，有的學生認為與食鹽溶液濃度大有關系，植物變黃、萎蔫可能是因為植物細胞失水。通過虛擬實驗，學生可以得出結論：清水中植物吸水，正常生長，食鹽溶液中植物失水，導致死亡。為了驗證結論的正確性，筆者進行實際實驗操作，以此激發學生探究興趣，并依據學生的生活經驗對書本的實驗過程進行改進。

【改進一】認識溶液濃度，學會配制濃鹽水

七年級學生還沒有系統學習與溶液有關的知識，所以進行實驗之前，筆者準備三個400毫升的燒杯，各放入200毫升的清水，標號為A、B、C。

師：清水就是我們平時喝的自來水，有味道嗎？

生：沒有。

師：沒有味道是因為無機鹽的含量極少，所以清水的溶液濃度近乎為零；現在我們往B燒杯放入1勺鹽，攪一攪，讓鹽都化開。這時，B燒杯里的溶液有味道嗎？

生：咸的。

師：是的，放入鹽后B燒杯的溶液濃度變大，但是還達不到實驗要求的濃度，再往C燒杯里放入2勺鹽，這時B燒杯和C燒杯里的溶液哪一個更咸一點？

生：C燒杯。

師：也就是說，C燒杯中溶液的濃度更高。

在這個演示實驗中，筆者利用學生的生活經驗進行引導，讓學生一步一步理解什么是溶液濃度、如何配制濃鹽水等基礎知識。雖然七年級學生未學過化學知識，但也能較好地理解這些概念，為下面的分組實驗做好鋪墊。

【改進二】設置對照組

師：在接下來的分組實驗中，你們都要親手配制濃鹽水，在配制過程中能不能用舌頭去品嘗鹽水的濃度呢？

生：不能。

師：對的，在我們面前的是實驗器材，而不是食品容器。這是老師用保鮮盒帶過來三種食材，想請一位同學來品嘗一下，告訴大家分別是什么食材，什么味道？

生代表（品嘗后匯報）：第1個是蘋果，很甜；第2個是橙子，很酸；第3個是蘿卜，有點苦。

師：蘋果甜，橙子酸，蘿卜苦，請大家想一想，這些植物體內溶液有沒有濃度呢？

生：有。

師：在第1章我們學習了生物體的基本特征，構成生物體結構和功能的基本單位是什么呢？

生：細胞。

師：生物體內溶液濃度就是指細胞內溶液濃度。今天我們做實驗用到蘿卜，怎樣獲得蘿卜細胞內溶液呢？

生：榨汁。

師：很好。現在請大家看你們實驗桌上的器材：三個400毫升燒杯，標號為A、B、C，A燒杯放了200毫升蘿卜汁，B和C燒杯各放入200毫升的清水，現在請大家在C燒杯配制濃鹽水。

【改進三】細化步驟，分析數據，得出實驗結論

師：請同學們拿出桌上保鮮膜包裹著的3根蘿卜條，分別稱一稱重量，量一量長度，摸一摸軟硬程度，完成學案上的表格。完成測量的小組，請把3根蘿卜條分別放入3個燒杯里，等待實驗結果大約需要半小時，我們先學習根尖的結構。

在這個實驗中，榨蘿卜汁、切3根大小相等的蘿卜條因為用時較多，所以筆者在課前準備好。學生課堂上通過稱、量、摸獲得數據，既高效又精確。半小時后，筆者讓學生用鑷子把3根蘿卜條取出（提醒3根鑷子不能混用），用吸水紙吸蘿卜條表面多余的水分，再次稱一稱重量，量一量長度，摸一摸軟硬程度，完成學案上的表格。

分析數據得出結論：周圍溶液濃度=細胞液溶液濃度，A燒杯維持細胞形態；周圍溶液濃度小于細胞液溶液濃度，B燒杯細胞吸水；周圍溶液濃度大于細胞液溶液濃度，C燒杯細胞失水。那么，植物如果要想從土壤中獲得水分，土壤溶液濃度應該符合“土壤溶液濃度小于根毛細胞內溶液濃度”這一要求。

深度學習需要建立事物之間的聯系，也就是在學生的已有經驗與新經驗（知識）之間建立聯系，從而使學生的思考與知識建立系統關聯。以上三個環節的實驗改進，因為充分利用學生的生活經驗，所以使這個觀察實驗更符合七年級的認知水平，操作起來更為簡便，學生更容易自主得出實驗結論。

二、啟發，在活動中體驗新知

“活動與體驗”是深度學習的核心特征，活動與體驗相伴相生。若是主動活動，必會引發內心體驗；理性而高尚的體驗，必是在有意義的社會活動中生成的。要想讓學生成為學習的主體而非被動的知識接收器，就要有“活動”的機會，有親身經歷知識發現、形成、發展等一系列過程的機會。例如，七年級上冊第7章第2節“分析吸入氣體和呼出氣體的成分變化”，如果按照書本教學，只能由教師演示，學生缺乏活動的機會。基于此，筆者對實驗教學過程進行優化：

首先，進入央館“虛擬實驗室”點擊3D動畫實驗“種子在萌發過程中釋放二氧化碳”和“種子在萌發過程中吸收氧”。分析實驗結果：種子萌發時吸入什么氣體，該怎樣檢驗？種子萌發時呼出什么氣體，又該怎樣檢驗？學生回答：吸入氧氣，氧氣使帶火星的木條復燃；呼出二氧化碳，二氧化碳使澄清石灰水變渾濁。虛擬實驗環節形象地展示了氧氣和二氧化碳的性質，也啟發了學生，人體吸入和呼出氣體的成分主要體現在氧氣和二氧化碳的變化，為下面的分組實驗打下了基礎。

其次，進行分組實驗：學生每四人為一個小組，每組準備了2套實驗儀器：2個試管各有10毫升的石灰水、2個集氣瓶、吸管、帶橡膠管的塑料袋、帶蠟燭燃燒匙、火柴。實驗前先讓學生分組討論實驗方案，再匯報，選出最優方案。方案一：用吸管往石灰水里吹氣，用塑料袋收集空氣，通過橡膠管再把空氣擠入石灰水，觀察實驗現象。學生匯報：往石灰水里吹氣使澄清石灰水變渾濁，而另一個現象不明顯。教師追問：那么，說明呼出的氣體中含有哪種氣體比較多？二氧化碳使澄清石灰水變渾濁。方案二：用集氣瓶收集一瓶空氣和一瓶呼出的氣體，燃燒匙點燃分別放入2個瓶內，觀察現象。蠟燭在空氣里正常燃燒；在呼出氣體里燃燒不旺盛。那么，說明空氣中含有什么氣體比較多？學生思考后回答：氧氣具有助燃性，空氣中氧氣比較多。

通過開展實驗活動，全班學生都參與到課堂中來，滿足了他們的好奇心，充分調動了他們的學習熱情。在活動中，學生的學習不是被動接受，而是在教師的帶領下主動探究，把文字結論及其隱含的意義轉變成自己的認識對象，轉化為自己成長的養分，內化為相應的學科素養。

三、導學，對學習對象進行深度加工

深度學習要求學生能夠抓住教學內容的本質屬性，全面把握知識的內在聯系。這個過程不單是教師將事物本質告訴學生的過程，而是學生主動去探索、去把握的過程，要使學生與正在學習的內容之間建立一種緊密聯系。七年級下冊第8章第1節“生物體的基本結構”的教學重點是兩個臨時裝片的制作和觀察，教學難點是使用顯微鏡，這一組實驗時間緊、任務重，教師要改變傳統的教學方式，讓實驗教學能順利進行。

筆者嘗試利用央館“虛擬實驗室”導學，促使學生進行深度的個性化學習。課前布置學生進入央館“虛擬實驗室”，點擊3D動畫視頻“制作并觀察臨時裝片”。利用虛擬實驗的游戲功能，讓學生在游戲中熟悉實驗步驟：擦、滴、撕（刮）、展（涂）、蓋、染。依照步驟提示自主開展練習。在練習過程中，教師適時引導打開錯誤提示按鈕，如果出現了錯誤操作，學生就可以根據提示一步一步完成實驗操作的糾正，熟練后關閉錯誤提示按鈕，自主開展練習。有了虛擬實驗的導學過程，學生對于臨時裝片制作步驟爛熟于心，這樣在進行真實實驗時學生操作起來就能做到有條不紊。

筆者錄制微課，比較兩種臨時裝片制作不同之處或者學生容易錯誤操作之處，以促進學生深層次思考。微課1滴什么液體：展示滴入清水和生理鹽水對于洋蔥表皮細胞的作用。微課2如何蓋蓋玻片：教師演示正確操作，解釋錯誤操作的危害。微課3如何染色：教師演示均勻染色的技巧。微課4用顯微鏡觀察不到怎么辦：教師演示顯微鏡操作中常見的三個問題——視野一片黑暗、觀察不到物像、物像不在視野里，并給出相應的解決方法。

深度學習是把握知識本質的學習過程，能夠使學生“學會學習”，形成對學習對象進行深度加工的意識與能力，提升學生的思維水平，加強學生與知識間的內在聯系。在本節實驗教學過程中，導學是讓學生在游戲中熟悉制作臨時裝片的實驗步驟，在“玩”中“學”。學生整個練習的過程就是在進行深度的個性化學習。每個學生的易錯點不同，經過反復操作，易錯點就會在學生腦海留下深刻的印象，在實際觀察實驗中就能避免再次犯錯，以“虛”促“實”，解決實驗教學重點問題。再通過4個微課視頻，展現實驗過程的本質，學生只有把握實驗過程的本質，才能認識實驗中的多樣表現、各種變化，才能舉一反三，順利完成實驗。

綜上，智慧課堂提供給學生更多樣的分享媒介，央館“虛擬實驗室”就是其中一種。利用智慧課堂中現代信息技術手段，促使學生實現深度學習，有助于培育學生的核心素養，強調學生作為社會主體所必須具備的健康身心、高水平的文化修養、較強的實踐能力和高尚的精神境界。

［參考文獻］

［1］田慧生，劉月霞.深度學習：走向核心素養[M].北京：教育科學出版社，2018.