教育信息化背景下的高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)化策略

一、信息技術(shù)在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用

（一）增強(qiáng)教學(xué)直觀性

信息技術(shù)的快速發(fā)展為生物學(xué)課堂提供了諸如圖片、視頻、模擬實(shí)驗(yàn)等豐富多樣的教學(xué)資源[1]。高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中涉及大量抽象概念，例如：細(xì)胞的微觀結(jié)構(gòu)、分子運(yùn)動(dòng)、生物化學(xué)反應(yīng)過程等。這些內(nèi)容對于學(xué)生來說往往難以直接感知和理解，傳統(tǒng)教學(xué)方法僅依靠文字描述和靜態(tài)圖片，難以滿足學(xué)生對知識深度理解的需求。借助信息技術(shù)手段，可以將這些抽象的知識轉(zhuǎn)化為直觀可視的形式，從而顯著提升教學(xué)效果。例如：葉綠體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)容易感到困惑，通過3D建模教師可以展示葉綠體的三維結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生從不同角度觀察葉綠體的形態(tài)和分布，幫助學(xué)生認(rèn)識其結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的特征，通過虛擬實(shí)驗(yàn)室可以模擬葉綠體進(jìn)行光合作用的過程，使學(xué)生更直觀地觀察其物質(zhì)與能量的動(dòng)態(tài)變化過程，認(rèn)同葉綠體是植物細(xì)胞的“養(yǎng)料制造車間”和“能量轉(zhuǎn)換站”。

（二）突破實(shí)驗(yàn)條件限制

在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，部分實(shí)驗(yàn)因條件限制，難以在常規(guī)課堂環(huán)境中實(shí)施。例如：“DNA片段的擴(kuò)增及電泳鑒定”實(shí)驗(yàn)，對實(shí)驗(yàn)設(shè)備有較高要求，許多學(xué)校因缺乏相關(guān)條件，無法讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)際操作。又如：“培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化”實(shí)驗(yàn)，因周期較長難以在有限的課堂時(shí)間內(nèi)完成，限制了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)過程的完整體驗(yàn)。還有一些實(shí)驗(yàn)需要用到的實(shí)驗(yàn)試劑具有一定的危險(xiǎn)性，比如：濃硫酸、苯等，出于安全考慮這類實(shí)驗(yàn)一般不會開展，學(xué)生只能進(jìn)行理論學(xué)習(xí)。為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的引入為教學(xué)提供了新的解決方案，借助虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，學(xué)生能夠通過仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理、體驗(yàn)操作流程，從而彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)條件的不足。

（三）促進(jìn)深度學(xué)習(xí)的實(shí)現(xiàn)

深度學(xué)習(xí)是學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)興趣和需求，積極主動(dòng)地學(xué)習(xí)新知識，并且在對新知識理解的基礎(chǔ)上，進(jìn)行批判性學(xué)習(xí)，能夠?qū)⑿轮R與已有知識進(jìn)行聯(lián)結(jié)，建構(gòu)個(gè)人認(rèn)知結(jié)構(gòu)，并靈活運(yùn)用到新的情境中解決問題的學(xué)習(xí)方式[2]。信息技術(shù)為知識加工提供了便捷、多元的方式。例如：探究“溫度對酶活性的影響”實(shí)驗(yàn)，利用信息技術(shù)工具，如Exce1幫助學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總和處理，學(xué)生可以通過圖表、曲線分析等方式，更深入地理解實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并提出相關(guān)問題進(jìn)行進(jìn)一步探究，從而培養(yǎng)學(xué)生的批判性思維和創(chuàng)新能力。對于知識點(diǎn)多且復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，可利用思維導(dǎo)圖等工具，幫助學(xué)生梳理知識，構(gòu)建知識網(wǎng)絡(luò)。例如：“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)”這一節(jié)實(shí)驗(yàn)課結(jié)束后，學(xué)生可以利用思維導(dǎo)圖軟件整理實(shí)驗(yàn)步驟、原理和結(jié)論，形成完整的知識體系。

二、教育信息化背景下高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)化路徑

（一）問卷星與傳統(tǒng)模式融合優(yōu)化課前預(yù)習(xí)

作為一種在線工具，問卷星以其便捷性、高效性和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能，為教學(xué)提供了有力支持。將問卷星與傳統(tǒng)教學(xué)模式相結(jié)合，為課前預(yù)習(xí)開辟了新的路徑。通過問卷星設(shè)計(jì)與教學(xué)目標(biāo)緊密相關(guān)的預(yù)習(xí)問題，并利用其互動(dòng)與反饋機(jī)制，教師能夠更全面地了解學(xué)生的已有知識基礎(chǔ)，進(jìn)而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和自主學(xué)習(xí)能力。以“酶的特性”這一課程為例，其中涉及“淀粉酶對淀粉和蔗糖的水解作用”以及“影響酶活性的條件”等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。由于實(shí)驗(yàn)原理復(fù)雜、所需材料和試劑種類繁多、操作步驟細(xì)致，教師可以借助問卷星設(shè)計(jì)預(yù)習(xí)任務(wù)，幫助學(xué)生復(fù)習(xí)酶的本質(zhì)、過氧化氫分解實(shí)驗(yàn)中自變量的設(shè)置、因變量的檢測方法以及無關(guān)變量的控制原則，同時(shí)回顧高溫導(dǎo)致蛋白質(zhì)變性的原理。教師通過分析學(xué)生的答題數(shù)據(jù)，能夠精準(zhǔn)把握學(xué)情，從而有針對性地調(diào)整教學(xué)策略，推動(dòng)教學(xué)決策從依賴經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)向以數(shù)據(jù)為支撐，從“以教為主”轉(zhuǎn)向“以學(xué)為主”。

同時(shí)，教師可以通過設(shè)計(jì)學(xué)案，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)具體情境提出探究問題，并嘗試規(guī)劃實(shí)驗(yàn)步驟、預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這種方式不僅能夠幫助學(xué)生提前熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，還能確保實(shí)驗(yàn)課堂時(shí)間更多地用于實(shí)踐操作，學(xué)生能在做中學(xué)。

（二）微課與投屏協(xié)作突破實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)

對于實(shí)驗(yàn)步驟復(fù)雜、操作難度大的實(shí)驗(yàn)，可以通過制作微課進(jìn)行示范。例如：“酵母菌的純培養(yǎng)”實(shí)驗(yàn)，微課中展示興趣小組采用平板劃線法進(jìn)行接種的過程，實(shí)驗(yàn)中的關(guān)鍵點(diǎn)，劃線前后要灼燒接種環(huán)、每個(gè)區(qū)域劃線結(jié)束后旋轉(zhuǎn)培養(yǎng)血等操作設(shè)置為慢動(dòng)作播放，讓學(xué)生可以清晰地觀察并掌握操作要領(lǐng)。另外微課中還可讓興趣小組的成員分享實(shí)驗(yàn)中遇到的問題、操作難點(diǎn)和注意事項(xiàng)，例如：A同學(xué)提出每次灼燒接種環(huán)后要等其冷卻后才能開始劃線，避免燙死菌種導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗；B同學(xué)提出在劃線前可先用馬克筆在培養(yǎng)皿底部用阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)注出五個(gè)區(qū)域避免劃錯(cuò)位置。教師可將微課發(fā)布于線上學(xué)習(xí)平臺，學(xué)生根據(jù)自身時(shí)間安排自主預(yù)習(xí)，在學(xué)習(xí)過程中碰到的問題可以直接在線提出，同學(xué)之間可以相互討論嘗試解決，教師也能根據(jù)學(xué)生的在線反饋收集學(xué)生存在的知識盲區(qū)和困難點(diǎn)，在后續(xù)的教學(xué)中針對性解決。有一些實(shí)驗(yàn)需要長時(shí)間觀察，如：“探索生長素類調(diào)節(jié)劑促進(jìn)插條生根的最適濃度”，教師可以利用延時(shí)攝影技術(shù)或者每天定時(shí)測量并拍攝記錄，將其過程制作為微課視頻，將長期的實(shí)驗(yàn)過程壓縮到較短時(shí)間內(nèi)展示，讓學(xué)生體驗(yàn)完整過程。

通過投屏技術(shù)，教師可以將微課內(nèi)容投屏到教室的大屏幕上，方便全體學(xué)生觀看，同時(shí)學(xué)生也可以將自己的實(shí)驗(yàn)操作或?qū)嶒?yàn)現(xiàn)象通過投屏展示給全班同學(xué)和教師，增強(qiáng)課堂互動(dòng)和交流。例如：教師組織學(xué)生分組進(jìn)行“綠葉中色素的提取和分離”實(shí)驗(yàn)，第一組選用的實(shí)驗(yàn)材料是新鮮的菠菜葉，第二組選用放置3天后的菠菜葉，第三組選用紅莧菜，最終各小組得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以通過投屏進(jìn)行展示，各小組之間相互討論交流，深入理解本實(shí)驗(yàn)的原理，突破實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)。

（三）虛擬實(shí)驗(yàn)平臺與實(shí)驗(yàn)室互補(bǔ)拓寬實(shí)驗(yàn)場景

隨著信息技術(shù)的不斷進(jìn)步，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺正逐步融入高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)，NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)便是其中的典型代表。NOBOOK平臺的生物實(shí)驗(yàn)資源與人教版高中生物教材緊密結(jié)合，全面覆蓋教材中的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。以孟德爾遺傳定律的學(xué)習(xí)為例，由于豌豆雜交實(shí)驗(yàn)操作在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中難以進(jìn)行，NOBOOK平臺的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)便可解決這一困難。它可以模擬分離定律和自由組合定律的關(guān)鍵內(nèi)容，讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)雜交實(shí)驗(yàn)，平臺提供多種性狀的豌豆植株，如：高莖和矮莖、圓粒和皺粒、紅花和白花等。學(xué)生初次實(shí)驗(yàn)可挑選高莖和矮莖親本進(jìn)行交配，并觀察子代性狀，通過實(shí)驗(yàn)記錄和數(shù)據(jù)分析，學(xué)生能夠驗(yàn)證孟德爾遺傳定律中的性狀分離比例，顯性與隱性比例為3：1，接著通過完成測交實(shí)驗(yàn)，幫助驗(yàn)證孟德爾的演繹推理結(jié)果。教材中只呈現(xiàn)了高莖豌豆和矮莖豌豆這一對相對性狀的雜交實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可在虛擬環(huán)境中自由操作，嘗試進(jìn)行人教版必修2第4頁表1-1中的另外6種性狀的豌豆植株雜交實(shí)驗(yàn)，從而加深對遺傳規(guī)律的理解。

高中生物教材中有許多關(guān)于科學(xué)史的介紹，但并沒有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)過程呈現(xiàn)，學(xué)生對于這部分內(nèi)容往往難以深度理解，教師可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺還原這些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生像科學(xué)家一樣思考。例如：NOBOOK平臺通過高精度3D模型和動(dòng)畫，高度還原了卡爾文循環(huán)的實(shí)驗(yàn)過程。學(xué)生可以模擬植物在光照條件下利用含有放射性同位素 ¹⁴C 的二氧化碳進(jìn)行光合作用的過程，虛擬收集有機(jī)物，并通過化學(xué)分析工具檢測放射性同位素，推斷二氧化碳的轉(zhuǎn)化路徑，將抽象的實(shí)驗(yàn)過程具象化，讓學(xué)生沉浸式學(xué)習(xí)。

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，為高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)引入創(chuàng)新理念與實(shí)踐方式，有效突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的諸多限制，拓寬實(shí)驗(yàn)場景，顯著優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

（四）慕課與校本課程交互助力實(shí)驗(yàn)拓展

由于實(shí)驗(yàn)條件和課時(shí)的限制，教材中許多實(shí)驗(yàn)只能進(jìn)行驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)而無法開展探究性實(shí)驗(yàn)，或只能完成初步探究而無法完成進(jìn)一步探究，這不利于學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，也不利于發(fā)展學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究等核心素養(yǎng)。借助慕課（MO0C）和校本課程可以有效解決這一難題。一般來說校本課程是在學(xué)校第二課堂開展，而慕課時(shí)間比較靈活，對于住校的學(xué)生來說主要是在寒暑假開展，兩個(gè)不同的學(xué)習(xí)時(shí)段、兩種不同的學(xué)習(xí)場景，針對教材中實(shí)驗(yàn)進(jìn)行二次開發(fā)，進(jìn)一步探究，在實(shí)驗(yàn)拓展的過程中培養(yǎng)學(xué)生的高階思維能力。

慕課作為一種大規(guī)模開放在線課程，它不僅打破了傳統(tǒng)教育的時(shí)空限制，還為學(xué)生提供了多樣化的學(xué)習(xí)選擇，成為現(xiàn)代教育的重要組成部分。教材中的許多科學(xué)史內(nèi)容蘊(yùn)含著科學(xué)家們的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)從材料與方法的選擇、實(shí)驗(yàn)思路的確定，到實(shí)驗(yàn)操作和結(jié)果分析，無不凝聚著科學(xué)家們的智慧與心血。然而由于課堂時(shí)間有限，這些內(nèi)容往往難以深入展開，學(xué)生難以充分學(xué)習(xí)。為此教師可以將這些經(jīng)典實(shí)驗(yàn)制作成慕課，供學(xué)生進(jìn)行深度學(xué)習(xí)。例如：人教版必修1中涉及的“世界上第一個(gè)人工合成蛋白質(zhì)的誕生”“對細(xì)胞膜成分的探索”“細(xì)胞核的功能”以及“探索光合作用原理”的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，可以在高一第一學(xué)期寒假，通過慕課的形式組織學(xué)生進(jìn)行學(xué)習(xí)，慕課平臺可以進(jìn)行一對一、一對多、師生、生生互動(dòng)，幫助學(xué)生更好地理解科學(xué)探究的過程和方法，發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究這一生物學(xué)學(xué)科素養(yǎng)。

校本課程是對國家課程和地方課程的補(bǔ)充和拓展，它通過選擇、改編、整合等方式，對國家課程和地方課程進(jìn)行再加工和再創(chuàng)造，使其更符合學(xué)校和學(xué)生的特點(diǎn)。以“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”這一內(nèi)容為例，學(xué)生做完實(shí)驗(yàn)后提出了許多問題，例如：將實(shí)驗(yàn)材料換成洋蔥內(nèi)表皮細(xì)胞、綠色植物葉肉細(xì)胞、紫荊花瓣細(xì)胞、口腔上皮細(xì)胞等能否觀察到質(zhì)壁分離及復(fù)原現(xiàn)象呢？將外界溶液換成葡萄糖溶液、NaCl溶液、 KN₃ 溶液、酒精溶液會出現(xiàn)什么實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象？能否通過該實(shí)驗(yàn)初步測定出洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞的細(xì)胞液濃度？教師可根據(jù)學(xué)生提出的問題和困惑，開展一系列探究實(shí)驗(yàn)，衍生出“探究水分進(jìn)出細(xì)胞的秘密”這一校本課程主題，對生物感興趣的同學(xué)可以通過選修該門校本課程去彌補(bǔ)課堂學(xué)習(xí)的不足。

（五）信息技術(shù)賦能實(shí)驗(yàn)評價(jià)

實(shí)驗(yàn)評價(jià)的重要性體現(xiàn)在多個(gè)層面，它不僅能推動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)與成長、優(yōu)化教學(xué)環(huán)節(jié)、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱情，還能有效評估教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)程度，提升學(xué)生的學(xué)科素養(yǎng)，并為教育決策提供有力依據(jù)。智能評價(jià)工具，作為信息技術(shù)與教學(xué)評價(jià)相結(jié)合的產(chǎn)物，以其智能化、個(gè)性化的特點(diǎn)，為教學(xué)評價(jià)提供了全新的視角和解決方案[3]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中通過數(shù)字化技術(shù)實(shí)現(xiàn)對學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果的精準(zhǔn)評估，幫助教師了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和薄弱環(huán)節(jié)，有利于教師進(jìn)行精準(zhǔn)化教學(xué)和個(gè)性化輔導(dǎo)。還能基于學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，為每個(gè)學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)建議和資源，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)提升。

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺為實(shí)驗(yàn)教學(xué)評價(jià)提供了新的工具。學(xué)生在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，系統(tǒng)可以自動(dòng)記錄學(xué)生的操作過程和結(jié)果，并進(jìn)行智能分析和及時(shí)評價(jià)。例如：“觀察根尖分生區(qū)組織細(xì)胞的有絲分裂”實(shí)驗(yàn)中可實(shí)時(shí)記錄學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作中的規(guī)范程度，臨時(shí)裝片的制作、滴加溶液的操作等。分析學(xué)生對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的觀察和記錄是否準(zhǔn)確，如：處于各時(shí)期的細(xì)胞的數(shù)目、染色體的形態(tài)的記錄。還能對學(xué)生的分析能力和創(chuàng)新能力等方面進(jìn)行評估，如：對細(xì)胞周期中間期時(shí)間較長的解釋，實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表的設(shè)計(jì)等。

“好專業(yè)”校園管理平臺構(gòu)建了多維度的評價(jià)體系，涵蓋年級評價(jià)、班級評價(jià)、老師評價(jià)和學(xué)生自評等多個(gè)維度。這種多維度評價(jià)體系不僅能夠全面反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)表現(xiàn)，還能從不同角度提供反饋，幫助學(xué)生和教師更好地了解學(xué)習(xí)情況。以“探究環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度的影響\"這一內(nèi)容為例，將學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)報(bào)告、課后練習(xí)上傳至好專業(yè)平臺，平臺基于大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，生成詳細(xì)的分析報(bào)告。報(bào)告顯示年級學(xué)生整體對于實(shí)驗(yàn)原理的理解存在困難，尤其是對“真空滲水法”的原理不夠熟悉。班級A實(shí)驗(yàn)操作不夠規(guī)范，在使用注射器抽出葉片中的氣體時(shí)，可能操作不熟練，導(dǎo)致氣體沒有完全抽出，最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其他班級差異較大。學(xué)生B進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，對于變量的控制存在困擾，在探究光照強(qiáng)度對光合作用的影響時(shí)，沒有控制好溫度這一無關(guān)變量。針對學(xué)生的這些問題，平臺為學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)建議和資源，學(xué)生可以獲得適合自己的學(xué)習(xí)路徑和改進(jìn)方案，從而更好地提升實(shí)驗(yàn)技能。教師也能根據(jù)這些分析報(bào)告，在后續(xù)的教學(xué)中重點(diǎn)對實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作等進(jìn)行解釋和指導(dǎo)，幫助學(xué)生解決困難。

結(jié)束語

在信息化時(shí)代不斷推進(jìn)的背景下，一方面學(xué)校應(yīng)該重視信息技術(shù)在教學(xué)中的作用，盡可能提供相應(yīng)的設(shè)備和軟件，加強(qiáng)對教師應(yīng)用信息技術(shù)的培訓(xùn)和指導(dǎo)。另一方面高中生物教師應(yīng)深刻意識到信息技術(shù)對實(shí)驗(yàn)教學(xué)的變革性作用，并主動(dòng)將其融入課堂教學(xué)。值得注意的是教師既要借助信息技術(shù)豐富教學(xué)方式、增強(qiáng)互動(dòng)性，也要堅(jiān)守教學(xué)本質(zhì)，防止因過度依賴信息技術(shù)而偏離教學(xué)本質(zhì)。只有合理、適度地運(yùn)用信息技術(shù)，才能充分釋放其在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的潛力，顯著提高教學(xué)效果，為學(xué)生營造一個(gè)高效、有趣且富有深度的實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn) （2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020：58.

[2]秦秉乾.指向核心素養(yǎng)的高中生物學(xué)深度學(xué)習(xí)實(shí)踐研究[J].中學(xué)生物教學(xué)，2023（9）：22-24.

[3]劉偉善.運(yùn)用信息技術(shù)創(chuàng)新教學(xué)評價(jià)方式]中小學(xué)信息技術(shù)教育，2024（10）：75-77.