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摘要：為跟進教育現代化新課程改革的發展要求，文章以初中生物“植物細胞”章節為例，基于系統論、信息技術與課程整合理論，利用NOBOOK虛擬實驗室、VR生物公園等信息技術手段，精心設計情景導入、任務分組、虛實演練、VR體驗、總結拓展五個課堂教學環節，構建核心素養下生物信息化教學設計過程，以期提高學生學習興趣，改善生物課堂教學效果。

關鍵詞：初中生物；虛擬實驗；核心素養；信息化教學設計

一、引言

自教育部頒布各種全面深化課程改革的有關文件以來，各類教育工作者一直致力于學科核心素養如何落實到課堂教學中的問題，從整體上推動了教育的深層次改革[1]。隨著人工智能、大數據、云計算、VR（虛擬現實）、AR（增強現實）等新興科技的迅猛發展，再次加快了現代化教育教學改革的步伐。如何利用信息技術進行教育教學改革、完善信息化教學設計，成為一線教師面臨的首要問題[2]。生物學是對生命基本現象和一般規律的理解與解釋，與人們的生產、生活有著密切的關系[3]。與傳統教學模式不同，如今的生物課堂教學倡導以學生為主體，利用信息技術手段，精心打造教學設計，在體驗中習得生物學知識、培養積極的科學態度、發展終身學習的能力。本文依托生物學核心素養（生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任[4]）的培養目標，以人教版《生物學》七年級上冊“細胞是生命活動的基本單位”這一章的第二節“植物細胞”為例，結合NOBOOK虛擬實驗等現代新興技術進行信息化教學設計，并加以理論的闡釋和說明，希冀為廣大一線教師提供教學參考。

二、信息化教學設計的理論分析

信息化教學設計作為一種解決教學實際問題的“工具”，離不開學習理論、教學理論、系統論和傳播理論四大理論的指導[5]，具體如下：①依據系統論原理，在信息化教學設計中，教師要注重統籌教學過程的各個環節，根據教材內容分析、學習者分析、目標分析等把握設計思路，將導入、探究、練習、總結等各個要素有機結合，把信息化教學設計置于一個整體系統中，打造最佳的教學設計。②建構主義學習理論中“同化、建構和平衡”的思想[6]，指導我們在教學鞏固復習部分中運用網絡平臺、生物狗App等信息技術手段進行設計，學生可隨時隨地對課堂的重點和難點進行復習檢驗，完成學習過程的螺旋式自適應循環。③有意義學習教學理論指導教師要根據教學內容，合理運用視頻、圖片、手機App、虛擬現實等直觀性技術創設情境，還要重視生物實驗的探究體驗，讓學生在體驗中獲得知識。④傳播理論指導教學傳播過程的有效進行，例如點陣筆的運用可使教師迅速得知學生課堂答題情況，達到實時反饋的傳播效果。

三、“植物細胞”信息化教學設計與實施

1.教材分析與設計思路。“植物細胞”這節內容中“觀察植物細胞表皮結構”實驗的優化設計，有利于培養學生的科學探究精神，增強學習生物的濃厚興趣。但實驗結束后，還是有很多學生無法掌握模型概念，不明白具體的植物細胞結構，也不能理解相應的功能。鑒于初一學生缺乏相關的生物學基礎知識，缺少對微觀世界的空間感，為強化學生探究體驗、改善生物課堂教學效果，教學思路如下：①以視頻這一視覺呈現方式趣味導入，激發學生的學習興趣。②教師提前準備好多種實驗材料，便于學生隨機選擇。③實驗中，先以NOBOOK生物虛擬實驗平臺進行模擬，在學生明確具體的實驗操作步驟和安全提示后，再進行真實的實驗操作練習，可減少學生因操作不熟練帶來的問題。④實驗后，學生根據結果觀察歸納出植物細胞的基本結構及功能，并指導學生在紙上畫出。⑤最后利用VR生物公園向學生展示細胞的立體模型，并讓感興趣的學生課下制作，幫助學生樹立生物體結構的三維空間感，為之后的生物學學習奠定基礎。2.教學目標。依據初中生物學最新課程標準與生物學核心素養的培養要求[7]，制定如下教學目標：①通過虛擬實驗操練、真實實驗觀察，闡明植物細胞的基本結構及功能，繪制細胞簡圖，形成生命觀念。②通過探究過程，培養學生剖析歸納、模型構建、解決問題的科學思維和態度。③通過科學實驗步驟，掌握科學探究方法，提高科學探究能力。④運用細胞結構與功能相適應的觀念解釋一些生命現象，具有一定的社會責任意識。3.教學重難點。重點：實驗后歸納出植物細胞結構及功能。難點：成功制作植物細胞臨時裝片，形成植物細胞結構簡圖。4.教學過程。第一階段：課前學生：通過在線學習平臺、App等復習先前顯微鏡的使用方法、預習本節課植物細胞內容，準備自己想探究的生物材料。教師：詢問學生對本節學習內容的想法；準備好材料用具，提供多種植物素材（如菠菜、黃瓜、洋蔥等），以便小組隨機選擇。第二階段：課中（1）創設情境，引發學習興趣教師活動：①播放HankGreen老師的網易公開課視頻《植物細胞》片段（課前用錄屏工具將該片段錄制保存，部分內容如圖1所示）：這漢堡真的超好吃，這是一種神奇的魔法，但你知道它一部分是由植物做的，你在人生中吃過的大多數東西都是由植物做的……②引導學生從“細胞”這一生物體結構的基本單位開始了解植物，引出本節課的學習內容。學生活動：觀看視頻，感知任務。設計意圖：本節內容以短視頻的形式引出，短小精悍、幽默風趣，視頻內容緊貼生活飲食，課堂氣氛得以充分調動。同時，結合“食物大多數是由植物做的”視頻為例，引導學生運用生命觀念來認知生命世界、解釋生命現象，緊扣生物學核心素養的培養目標。（2）準備材料，實施任務分組教師活動：①共同認識實驗目的和要求。②實施兩人互補的分組方式，讓學生合作完成實驗，并將準備的實驗材料進行隨機提供。③教師給出實驗結果的記錄要求，讓學生試著繪制出植物細胞結構簡圖。學生活動：學生明確任務后，兩人一組為單位準備實驗觀察，學生可使用教師提供的生物材料，也可采用自己準備的材料。設計意圖：剛接觸生物的初中生對實驗的操作還不熟悉，教師需給出詳細的實驗結果記錄要求，以結果為導向促進學生實踐。（3）虛擬實驗展示，真實實驗操練任務一：合作探究，觀察植物細胞教師活動：①NOBOOK虛擬實驗展示。打開NO-BOOK虛擬實驗平臺（PC端或網頁版）———選擇“初中生物”并登錄———選擇“制作并觀察洋蔥鱗片葉內表皮細胞臨時裝片”實驗，教師進行虛擬實驗演示，引導學生概括制作方法（部分片段如圖2所示）。將其虛擬實驗過程投放于大屏幕，保證每一位學生及時、完整地接收知識，避免看不清操作步驟的情況。②真實實驗操作。根據先前學習由學生主動提出實驗步驟，再由教師進行真實實驗演示，并針對操作過程中的關鍵問題做好講解，不斷引發學生的思考。③明確任務，以小組為單位選用生物材料，將臨時裝片做好后放到顯微鏡下觀察（教師巡視，注意對各小組給予評價）。學生活動：①關注NOBOOK虛擬實驗中的每個過程，歸納總結實驗方法和步驟。②觀看教師實驗過程，認真聽取、記憶實驗注意事項。③學生合作制作臨時裝片，置于顯微鏡下觀察。設計意圖：以NOBOOK生物虛擬實驗操作為輔，避免視線看不見的問題，保證每位學生能夠及時、完整地接收到具體實驗操作步驟，并且減少學生因實驗操作不熟練帶來的進度參差不齊或存在的安全問題；以真實的實驗操作練習為主，學生通過實驗步驟的強化、問題的思考與討論，能更好地理解操作要點。通過歸納、概括實驗步驟及方法培養科學思維和科學態度，通過小組合作過程培養學生的科學探究能力。任務二：形象感知，繪制植物細胞結構簡圖教師活動：①指導學生討論顯微鏡下的細胞結構。②布置任務：再次觀察，按照繪制要求畫出一個植物細胞的生物結構簡圖，試著理解各部分的功能。③小組代表上臺展示繪制出的細胞結構簡圖，分享本組成果，師生共同總結評價。學生活動：畫出細胞結構簡圖，識別各結構名稱。通過小組討論、師生合作理解植物細胞各部分的功能，體會植物細胞的結構層次。設計意圖：通過形象感知、繪制植物細胞簡圖、討論細胞結構及功能，不僅能夠培養學生的交流、合作能力，還能促進學生的綜合素質發展，形成結構與功能相適應的生命觀念。（4）VR體驗，理解細胞模型教師活動：在學生認為完全認識細胞結構后，利用手機上的“VR生物公園”App投屏到多媒體，向學生展示細胞立體模型，讓學生在三維世界中進一步理解植物細胞的結構層次與功能。學生活動：親身體驗，身臨其境般地感知細胞的基本結構與功能。明白顯微鏡下所觀察到的只是植物細胞的平面結構，而實際的細胞結構是三維的。設計意圖：利用虛擬現實技術達到豐富的體驗效果，將細胞這一微觀概念直觀形象化，既能拓寬學生視野，又能引導學生樹立生物體結構的立體觀和整體觀。（5）總結拓展，聯系生活實踐教師活動：①與學生一起系統歸納本節知識點，利用思維導圖軟件形成知識網絡圖。②提出并解釋有關生物學知識的常見現象，如沙瓤西瓜里發亮的小顆粒就是一個個游離的細胞；西瓜里流出的許多甜甜的汁液，就是來自于植物細胞的液泡等等。學生活動：梳理本節課知識點，試著運用生物學知識解釋生活中的常見現象。設計意圖：充分利用知識網絡圖或腦圖等可視化技術進行系統梳理，總結強化本節課的學習內容；通過結合生活實際解釋生命現象，進而培養學生的生命觀念和社會責任意識。第三階段：課后教師：提供NOBOOK虛擬實驗室平臺，讓學生復習本節知識要點；給出制作植物細胞立體模型的相關要求，讓學生自行組織制作。學生：根據教師要求，感興趣的學生通過自由組合完成模型制作，構建細胞的立體結構。還可寫出模型說明書，強調細胞結構與功能，完成后放置班級展示區供大家鑒賞。5.教學反思本節課將信息技術和生物學知識進行了有效融合。對本實驗的處理是依托信息技術手段，設計了NOBOOK生物虛擬實驗模擬與真實實驗操作相結合的教學過程，強化學生的實驗步驟與思維過程，減少實驗中可能出現的錯誤，以期改善實驗效果，提高課堂教學效率。通過觀察、實驗操作、生物繪圖等活動，以學生為主體，讓學生親歷探究，逐步構建植物細胞的基本結構與功能。通過VR生物公園體驗立體模型制作，在學生心中埋下了熱愛生物的“種子”，增強了生物課堂教學的趣味性，有利于學生生物學學科核心素養的培養。信息技術手段的合理應用和基于生物學核心素養的培養目標，使得本節課高效地完成了教學內容，學生的掌握情況明顯好于傳統課堂。

四、信息化教學設計的優勢分析

1.合理利用信息技術手段提高教學效率。現代信息技術與教育教學的融合，能夠打破傳統課堂的時空局限，凸顯學生的學習主動性[8]。無論是課上幽默視頻的導入、學生借助NOBOOK虛擬實驗室平臺的觀察學習、通過“VR生物公園”體驗細胞的立體結構，還是課后選擇網絡或手機App進行復習，這些信息技術的選擇都是基于學情和教學實際，高效突破難點，化解重點。2.適當運用虛擬現實技術增強學生體驗。在初中生物課堂教學中，尤其是實驗教學中，收集虛擬現實技術軟件并適當采用，有利于學生感知真實的生物世界，增強體驗感[9]。本文對“觀察洋蔥鱗片葉表皮細胞的結構”這一實驗進行了創新，采用以NOBOOK虛擬實驗模擬為輔、真實的實驗操作練習為主的虛擬與現實相結合的教學過程，讓學生在“VR生物公園”中體驗真實感，取得了良好的教學效果。3.實現信息技術與生物學教學的有效融合。信息技術與課程整合的基本階段[10]在本文案例的教學設計中體現為：課前，學生通過網絡、手機App提前一步進行知識的學習，減少學生課上學習的認知負荷；課內，通過NOBOOK虛擬實驗平臺、VR技術等信息技術提供課堂教學創新的新型工具，以期提高“師—生”和“生—生”交互的效果和效率；課后，利用NOBOOK虛擬實驗等網絡平臺輔助學生鞏固新舊知識，激發學生對學習生物的持續熱情。4.有利于培養學生的學科核心素養。基于信息技術與課程整合理論，積極進行生物教學的創新，有利于學生在合作學習的過程中提升自身能力、培養生物核心素養[11]。導入中創設貼近生活實際的情境、總結中學會運用生物知識解釋生活現象，有助于引導學生形成正確的生命觀念；充實、愉悅、有效的課堂體驗，實驗過程中的小組互助、任務探究，有利于培養學生的科學思維能力和探究能力。

五、結語

新興技術的發展為生物課堂與信息技術的有效融合帶來機遇的同時也存在一定的問題，值得我們深思：第一，生物學科知識和信息技術的結合，雖然能夠提高教學效率，但要真正做到信息技術與學科教學的整合，還需明確教學問題，在依據內容、遵循一定原則的基礎上從資源中選取適合的技術，正所謂“適合的才是最好的”。第二，信息技術與生物學科教學的深度融合還未真正落到實處，還需要政府、教育機構、學校、教師、學生和家長的多方努力，轉變教育理念、合理利用技術。如何將信息技術恰當地運用到初中生物教學中，輔助信息化教學設計？筆者有以下三點建議：一是從創設情境、貼近生活處導入；二是從突出重點、突破難點處切入；三是從體驗拓展、實際應用處完結。新時代，教師必須充分把握系統論觀點，積極落實學科核心素養，利用信息化技術手段更新教育教學方式，精心設計教學過程，打造高效課堂。

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作者:劉燕 胡凡剛 單位:曲阜師范大學