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“雙新”背景下科技賦能生物學(xué)教學(xué)的探索

2022-04-29 00:44:03詹琪芳
關(guān)鍵詞:雙新教師教學(xué)

2020年5月,《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版2020年修訂)》正式實(shí)施。2021 年9月,上海市高中生物學(xué)新教材全面投入使用。新課標(biāo)和新教材(以下簡稱“雙新”)倡導(dǎo)教師充分利用新興技術(shù)開展多種形式的主動學(xué)習(xí)活動,提升教學(xué)效果。2021年11月,上海市教育委員會發(fā)布了《上海市教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型實(shí)施方案(2021—2023)》,倡導(dǎo)教育數(shù)字化,并以此支撐高質(zhì)量教育體系建設(shè)。如何借力科技打造智慧課堂,培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng),是值得教師思考的問題。筆者將探討科技助力下的智慧課堂教學(xué)的緣起、現(xiàn)狀、實(shí)踐及策略等,以期在“雙新”背景下,促進(jìn)新技術(shù)與生物教學(xué)的融合,促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展。

一、新技術(shù)融入生物學(xué)教學(xué)符合學(xué)科特點(diǎn)與學(xué)生需求

(一)學(xué)科特點(diǎn)

生物學(xué)是研究生命現(xiàn)象和生物活動規(guī)律的科學(xué)。很多生物學(xué)知識來自人們對自然現(xiàn)象的觀察和總結(jié)。教師應(yīng)采取直觀的手段呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容,新技術(shù)如虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(AR)、人工智能(AI)、第五代移動通信技術(shù)(5G)、TI圖形計(jì)算器和全息影像等能彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的不足,使微觀的現(xiàn)象可視化、宏觀的活動可操作化。

(二)學(xué)生需求

高中生正處在人格發(fā)展和培養(yǎng)的關(guān)鍵時(shí)期,他們的智力發(fā)展迅速,情感豐富,不喜循規(guī)蹈矩,愿意運(yùn)用新技術(shù)去探索未知、習(xí)得知識、提升能力[1]。他們傾向于與教師形成亦師亦友的合作關(guān)系。新技術(shù)能增強(qiáng)師生、生生間的互動,激發(fā)學(xué)生的好奇心與表現(xiàn)欲,滿足心理和生理的雙重需求,使教學(xué)事半功倍。

二、教師應(yīng)用新技術(shù)的認(rèn)知問題及成因分析

新技術(shù)的應(yīng)用能優(yōu)化課堂教學(xué),而這需要教師將技術(shù)轉(zhuǎn)化成教學(xué)資源和手段。筆者對上海市黃浦區(qū)的14所高中78名生物學(xué)教師做了關(guān)于新技術(shù)應(yīng)用的問卷調(diào)查,并進(jìn)行分析。

(一)接受度高但認(rèn)識有待提升

64%的教師持積極態(tài)度“迎接新技術(shù)的到來”,26%的教師“無所謂”,10%的教師認(rèn)為“沒有必要,維持現(xiàn)狀即可”。筆者分析了被調(diào)查教師群體的年齡結(jié)構(gòu)。持積極態(tài)度的教師多為40歲以下的中青年教師,他們朝氣蓬勃、有干勁,希望在專業(yè)上有成長、有突破。另外兩類教師年齡偏大,大部分已取得職稱,只求安穩(wěn),不再尋求新的發(fā)展。很多教師不熟悉哪些新技術(shù)可以應(yīng)用于課堂,僅對已經(jīng)普及應(yīng)用的交互式電子白板和媒體經(jīng)常報(bào)道的AI技術(shù)以及智學(xué)網(wǎng)等教學(xué)平臺有一定認(rèn)知,對VR、AR、全息影像等技術(shù)缺乏了解。有些教師甚至認(rèn)為在電子屏上板書就是智慧課堂,比較狹隘。在回答“請將你傾向使用的新技術(shù),按順序排列”這一問題時(shí),位居前三的與上述問題結(jié)果一致。這說明越是熟悉的技術(shù),教師越傾向于使用。

(二)困難來自外部的壓力和自我的懷疑

筆者對“妨礙新技術(shù)在課堂中應(yīng)用的因素”開展調(diào)查分析。妨礙原因有四:一是有畏難抵觸情緒。67%的教師認(rèn)為“學(xué)起來難度大,難駕馭”,不僅是年長教師,年輕教師也存在這種心理,對新技術(shù)不了解就臆斷不能為。二是精力有限。54%的教師勾選了“備課量加大,耗費(fèi)精力”和“學(xué)習(xí)新技術(shù)的時(shí)間成本高”,這反映出教師嫌麻煩,缺乏變革的勇氣。應(yīng)用新技術(shù)勢必打破固有的條框,這個(gè)“變”不僅需要時(shí)間,還會讓教師自我懷疑,產(chǎn)生挫敗感。三是擔(dān)心學(xué)生。學(xué)生需要熟悉各種軟硬件、在不同的新技術(shù)間切換,這會花費(fèi)時(shí)間、分散注意力,短期內(nèi)學(xué)習(xí)成績可能不升反降,引起家長擔(dān)憂,不利于后續(xù)新技術(shù)的應(yīng)用。四是“唯分?jǐn)?shù)論”根深蒂固。有些教師填寫了意見:“與學(xué)科關(guān)聯(lián)不大,沒有必要使用”“花里胡哨,效率低下”“課時(shí)緊張,新技術(shù)會占據(jù)更多時(shí)間”……這些觀點(diǎn)從表面看,教師關(guān)注教學(xué)效率,注重目標(biāo)的達(dá)成度,其實(shí)沒有關(guān)注學(xué)生的需求,忽視學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展。

三、新技術(shù)輔助下生物學(xué)教學(xué)實(shí)例分析

如何利用新技術(shù)讓學(xué)生領(lǐng)略生物學(xué)科的魅力并深入探究,是每位教師亟待思考的問題。筆者通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn):新技術(shù)的恰切融合可以讓學(xué)生獲得沉浸式學(xué)習(xí)的愉悅感和滿足感。

(一)預(yù)習(xí)手段智慧化——微視頻與數(shù)據(jù)反饋有利于精準(zhǔn)教學(xué)

1.? 傳統(tǒng)模式預(yù)習(xí)存在弊端

傳統(tǒng)的預(yù)習(xí)模式是學(xué)生閱讀教材,圈畫出難點(diǎn),帶著問題在課堂上尋求答案。這樣預(yù)習(xí)看似效率高,但弊端明顯:(1)缺少情境化的導(dǎo)入,學(xué)生興趣不足,積極性容易受挫。(2)學(xué)生知識儲備存在差異,投入的精力和時(shí)間不同,預(yù)習(xí)的深淺不得而知,效果參差不齊。教師在這種情況下開展教學(xué),失之偏頗。(3)對接受能力強(qiáng)的學(xué)生不友好,他們課前預(yù)習(xí)充分,會認(rèn)為上課聽講沒有必要。

2.? 微視頻與自測題雙管齊下

如何激發(fā)各個(gè)層次學(xué)生的內(nèi)驅(qū)力,讓他們對新知“求知若渴”,又能主動關(guān)注科學(xué)動態(tài),開闊眼界?教師將影視作品與生物學(xué)內(nèi)容進(jìn)行剪輯整合[2],自編預(yù)習(xí)微視頻及自測題,通過“智學(xué)網(wǎng)”發(fā)布到班級群,再根據(jù)數(shù)據(jù)預(yù)判學(xué)生的興趣點(diǎn)和知識盲區(qū),并與新知結(jié)合,針對性授課,實(shí)現(xiàn)效率倍增。

3.? 實(shí)例分析

在講授“動物體的細(xì)胞識別和免疫”第1課時(shí),教師將患有嚴(yán)重復(fù)合型免疫缺陷癥的“泡泡男孩”的短暫一生制作成微視頻分享給學(xué)生,設(shè)置4道題目(對應(yīng)教學(xué)目標(biāo)),測試結(jié)果如下(見表1)。

根據(jù)反饋,A、B兩班學(xué)生大多知道了免疫系統(tǒng)的基本構(gòu)成,對于這部分知識,教師可以讓學(xué)生講解;但對于特異性和非特異性免疫的區(qū)別,約半數(shù)判斷錯(cuò)誤,說明這部分需要加強(qiáng);兩個(gè)班級對于體液免疫和細(xì)胞免疫的理解差異較大,表明他們的自主學(xué)習(xí)能力不同,需要在課堂教學(xué)中區(qū)別引導(dǎo)。教師設(shè)置開放性問題,旨在啟發(fā)學(xué)生運(yùn)用知識解決實(shí)際問題,只有少數(shù)學(xué)生做出了合理的解釋。教師需要在授課時(shí)作一些鋪墊和啟發(fā)工作。教師可以根據(jù)班級的共性統(tǒng)一備課,也可以根據(jù)差異因班施教,采用不同的策略。

再如,在講授“基因工程”第1課時(shí),教師分享的是“蜘蛛俠”的片段:彼得被變異蜘蛛誤咬。蜘蛛體內(nèi)的一段DNA竟然隨毒液進(jìn)入人體,與彼得的DNA重組。彼得成了能輕松游走在高樓廣廈間的“蜘蛛俠”……這些符合生物學(xué)原理嗎?兩個(gè)班級的學(xué)生觀看、預(yù)習(xí)的測試結(jié)果如下(見表2)。

從1、2兩題的情況看出,學(xué)生能自主預(yù)習(xí),且掌握了基因工程的基本原理,但第3題暴露出學(xué)生還不能綜合運(yùn)用知識解釋生命現(xiàn)象,只有1/5的學(xué)生能從基因指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成以及基因重組的條件、過程、基因與性狀的關(guān)系等角度給出合理解釋。這說明,學(xué)生的知識遷移能力有待加強(qiáng),教師需要強(qiáng)化這方面的教學(xué)設(shè)計(jì),幫助學(xué)生提升相關(guān)能力。

(二)教學(xué)活動智慧化——新技術(shù)的融合促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變

“雙新”背景下,教師需要關(guān)注信息化環(huán)境下的教學(xué)改革,關(guān)注學(xué)生個(gè)性化、多樣化的學(xué)習(xí)需求。這是教學(xué)變革的突破口,是創(chuàng)新人才培養(yǎng)的著力點(diǎn)[3]。怎樣融合新技術(shù)轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式?

1.TI交互平臺促進(jìn)認(rèn)知的迭代

教學(xué)中的有效互動有助于信息的傳遞。教師可根據(jù)實(shí)時(shí)反饋情況來調(diào)整教學(xué)節(jié)奏,實(shí)現(xiàn)學(xué)生間壓力正面?zhèn)鲗?dǎo),促進(jìn)同步學(xué)習(xí)。筆者所在學(xué)校自主研發(fā)了TI圖形計(jì)算器模擬的實(shí)驗(yàn)交互平臺,用它很好地實(shí)現(xiàn)了上述構(gòu)想,促進(jìn)了學(xué)生思維的迭代。

在“植物物種多樣性的調(diào)查”實(shí)驗(yàn)中,學(xué)生操作TI模擬的生態(tài)系統(tǒng),拖動樣方框,對喬木、灌木、草本和苔蘚4類植物進(jìn)行多樣性調(diào)查(如圖1)。系統(tǒng)自動生成“群落生物多樣性記錄表”和“辛普森多樣性指數(shù)分析表”,并轉(zhuǎn)化成柱狀圖。教師提問:如果這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)遭遇某外來物種入侵,將會怎樣?學(xué)生在虛擬入侵草本植物的環(huán)境中運(yùn)用同樣的方法,得到新數(shù)據(jù)并與原數(shù)據(jù)對比。教師繼續(xù)啟發(fā):哪些生物類群的多樣性發(fā)生了變化?采取哪些措施可以保護(hù)物種多樣性?學(xué)生分組討論,作出物種豐富度和均勻度受到影響的假設(shè),利用模擬程序驗(yàn)證并商討對策。隨后,教師介紹我國某些區(qū)域沙漠化的現(xiàn)狀,提出問題“為什么要治沙造林,怎樣做到‘綠進(jìn)沙退?”學(xué)生在模擬的荒漠生態(tài)系統(tǒng)中重復(fù)上述操作,總結(jié)經(jīng)驗(yàn),采取措施,體會物種多樣性的價(jià)值和意義。

再如,在“血糖的激素調(diào)節(jié)”實(shí)驗(yàn)中,教師使用系統(tǒng)出示一張?zhí)悄虿』颊叩难潜O(jiān)測報(bào)告單,提出3個(gè)問題:(1)血糖濃度為何上下波動?(2)早、中、晚為何出現(xiàn)3次波峰?(3)這位患者是哪種類型的糖尿病人?學(xué)生利用平臺通過以下三步探究并解答問題。第一步:學(xué)生點(diǎn)擊“開始”按鈕,看到健康人未攝入食物時(shí)血糖的動態(tài)曲線,胰島素和胰高血糖素相互拮抗(也可通過拖動血糖濃度游標(biāo),觀察二者的關(guān)系),各組討論回答問題1(如圖2)。第二步:學(xué)生點(diǎn)擊“進(jìn)食”按鈕,血糖濃度迅速上升形成波峰,胰島素的分泌量逐漸增加,血糖隨之下降,趨于動態(tài)平衡,他們明白了胰島素的降血糖作用,回答了問題2。第三步:學(xué)生進(jìn)入Ⅰ型糖尿病的程序,發(fā)現(xiàn)胰島素分泌量少是主要原因。用什么方法治療?學(xué)生展開討論,認(rèn)為可以注射胰島素、胰島B細(xì)胞移植,拖動“對策”按鈕,得到的結(jié)果與討論意見一致。學(xué)生根據(jù)TI呈現(xiàn)的曲線變化情況思考第3個(gè)問題,并通過TI處理器對答案加以驗(yàn)證[4]。

上述兩個(gè)案例表明,教師借助TI計(jì)算器的互動平臺,可以將教學(xué)設(shè)計(jì)中的問題串逐級引入,讓學(xué)生在思考、回答、互動的進(jìn)階中,提高科學(xué)思維能力,掌握由具象到抽象的探究方法,學(xué)會理性地看待事物本質(zhì)。

2.AR助力沉浸式學(xué)習(xí)

AR是將虛擬信息與真實(shí)世界巧妙融合的技術(shù),它將虛擬信息“放置”在真實(shí)世界中,與現(xiàn)實(shí)互為補(bǔ)充,使觀者產(chǎn)生逼真的感官體驗(yàn)。此技術(shù)可使學(xué)習(xí)者進(jìn)入虛擬與現(xiàn)實(shí)高度融合的沉浸狀態(tài)。

在“蛋白質(zhì)是重要的生物大分子”第1課時(shí),氨基酸的插圖或動畫均是二維呈現(xiàn),學(xué)生難以理解氨基酸形成的蛋白質(zhì)因其空間結(jié)構(gòu)多樣導(dǎo)致功能多樣這一問題。教材插圖中,氨基和羧基在中心碳原子的左右兩側(cè),容易使學(xué)生誤認(rèn)為二者位置是固定的。基于AR技術(shù)制作的氨基酸通式的立體結(jié)構(gòu)經(jīng)平板電腦投射,逼真地出現(xiàn)在每個(gè)學(xué)生的書桌上。他們?nèi)我夥糯蠡蚩s小、翻轉(zhuǎn)或旋轉(zhuǎn),全方位觀看各個(gè)基團(tuán)的位置關(guān)系,難題不攻自破。肽鏈在空間上會發(fā)生折疊、螺旋等變化,這些都可以借助AR技術(shù)逐一投射到現(xiàn)實(shí)中。學(xué)生受到多重感官的沖擊,真正從原子水平、三維角度理解蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu),體驗(yàn)到什么是沉浸式學(xué)習(xí)。

(三)學(xué)生評價(jià)智慧化——多元手段助力學(xué)生反思與提升

作業(yè)是為鞏固教學(xué)效果而設(shè)計(jì)的練習(xí)。它能豐富學(xué)生的知識儲備,發(fā)展學(xué)生的智力和創(chuàng)造力,是教學(xué)過程中不可缺少的環(huán)節(jié)。經(jīng)過實(shí)踐,教師利用“墨水屏”(Magicpie)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能,精準(zhǔn)講評,可以改變教師布置、學(xué)生完成的常規(guī)模式,讓學(xué)生參與作業(yè)的設(shè)計(jì)過程;利用“分享”功能,讓學(xué)生互通有無,實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)發(fā)展。

1.數(shù)據(jù)支持下的精準(zhǔn)反饋

答題出錯(cuò),原因很多,教師只有了解根本原因,才能對癥下藥?!澳痢笨梢凿洿鎸W(xué)生的解題步驟。教師通過回放學(xué)生的書寫過程,知曉錯(cuò)誤根源,再依據(jù)系統(tǒng)的標(biāo)記符號,獲知學(xué)生整體的作答情況,接著利用智能推送功能,重新生成相似習(xí)題,幫助學(xué)生鞏固、提升;也可以錄制錯(cuò)題微課,選擇性分享。這樣,作業(yè)的質(zhì)和量得到雙重精準(zhǔn)反饋。

2.“墨水屏”助力個(gè)性化作業(yè)

每章結(jié)束后,教師會要求學(xué)生進(jìn)行總結(jié)?!澳痢倍喾N功能的應(yīng)用可以幫助學(xué)生完成富有個(gè)性的作業(yè)。如學(xué)習(xí)完“細(xì)胞的結(jié)構(gòu)”后,有些學(xué)生提交的是靜態(tài)思維導(dǎo)圖、概念圖、結(jié)構(gòu)簡圖等,有些撰寫了科學(xué)小論文,有些利用各種水果、糧食模擬搭建出細(xì)胞模型,拍照上傳,還有些錄制微視頻并結(jié)合圖片講解(配以背景音樂)……學(xué)生反映,通過“墨水屏”提交作業(yè)可以令知識的呈現(xiàn)更為生動、豐富,學(xué)生個(gè)性得以彰顯,創(chuàng)造力和動手能力得以激發(fā)和提升。

3.? 分享下的“美美與共”

傳統(tǒng)的作業(yè)分享方式是教師打印并張貼在班級教室墻板上。這樣效果不佳:有心的學(xué)生會認(rèn)真觀看,而大多數(shù)學(xué)生視而不見,缺少實(shí)質(zhì)性的交流和互動?!澳痢敝С窒碌淖鳂I(yè)分享反響就非同一般:教師通過“分享”功能將優(yōu)秀且極具創(chuàng)意的作業(yè),推送到班級群,供學(xué)生閱覽,讓他們自評和互評(欣賞他人、悅納自我),實(shí)現(xiàn)“美美與共”。

四、總結(jié):新技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用策略

(一)新技術(shù)的應(yīng)用需與教學(xué)內(nèi)容切合

在新技術(shù)的應(yīng)用初期,教師易陷入“為賦新詞強(qiáng)說愁”的窘境:認(rèn)為處處應(yīng)用新技術(shù)處處是亮點(diǎn),反而變成缺乏內(nèi)涵的假熱鬧。新技術(shù)要不要用、用哪些、怎么用都要依據(jù)實(shí)際需要確定。例如,某教師在“蛋白質(zhì)是重要的生物大分子”備課之初選取了全息、5G、AR、VR并用的模式,結(jié)果極其失敗。該教師經(jīng)過反思,認(rèn)識到氨基酸的結(jié)構(gòu)通式歷來是學(xué)生理解上的重難點(diǎn),故精選能將影像虛擬投射在真實(shí)的情境中的技術(shù),重點(diǎn)應(yīng)用AR技術(shù),取得了良好的效果。

(二)要“因情制宜”選取素材發(fā)揮新技術(shù)應(yīng)用的協(xié)同效應(yīng)

筆者這里說的“情”是指授課的情境和師生的情感。隨著時(shí)間的推移,它會在年長的教師與年輕的學(xué)生間生成阻隔,這需要教師與時(shí)俱進(jìn)挖掘素材,以此為觸發(fā)點(diǎn)結(jié)合新技術(shù),形成一加一大于二的協(xié)同效應(yīng),達(dá)到師生間的共情。例如,筆者開始選取的“基因工程”微視頻是傳統(tǒng)的紀(jì)錄片,拍攝手法刻板,難以激發(fā)學(xué)生預(yù)習(xí)興趣,要實(shí)現(xiàn)基于數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)教學(xué)更無從談起。后來,筆者從影視作品《蜘蛛俠》中剪輯素材,學(xué)生反應(yīng)熱烈。自測題的數(shù)據(jù)化分析使新技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值得以體現(xiàn)。

(三)新技術(shù)的應(yīng)用要與校外資源聯(lián)動

普通高中的實(shí)驗(yàn)儀器有時(shí)難以滿足教學(xué)需求。教師利用校外資源能拓寬學(xué)生認(rèn)知渠道,讓學(xué)生接受“社會大課堂”的教育。5G技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了信號的高速傳輸,讓學(xué)生不出校園就能享受優(yōu)質(zhì)資源,以“非正式環(huán)境中的科學(xué)學(xué)習(xí)”彌補(bǔ)“正式環(huán)境”課堂內(nèi)的教學(xué)缺憾。新教材中有很多新的技術(shù)名詞和儀器名稱,如基因編輯、掃描電鏡、透射電鏡、腫瘤的靶向治療、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)解析等,這給教師教學(xué)帶來很大的困擾。學(xué)校可以與科學(xué)家、科研院所、博物館等機(jī)構(gòu)取得聯(lián)系,請專家利用5G技術(shù)為學(xué)生進(jìn)行異地實(shí)景講解與互動,提升學(xué)生興趣,直觀感受生物技術(shù)的應(yīng)用,獲取真切的體驗(yàn)感,實(shí)現(xiàn)教育資源的云共享。

(四)應(yīng)用新技術(shù)時(shí)要關(guān)注學(xué)生的體驗(yàn)

學(xué)生是課堂的主體,其主觀能動性的發(fā)揮與其參與度密切相關(guān)。教師應(yīng)注重學(xué)生與新技術(shù)交互過程中的體驗(yàn)感及其激發(fā)出的積極探索精神。文中有關(guān)TI計(jì)算器的兩個(gè)教學(xué)案例均體現(xiàn)了“觀察—互動—生疑—互動—釋疑”的探究歷程,學(xué)生通過自主操作尋求答案,解決真問題。倘若TI計(jì)算器僅具有演示功能,學(xué)生只是作為看客來觀賞,則失去了其在教學(xué)中的意義。

總之,新技術(shù)有著傳統(tǒng)教學(xué)手段不可比擬的優(yōu)越性,它能凸顯學(xué)生的主體地位。教師應(yīng)用新技術(shù)可以更加合理地利用優(yōu)質(zhì)的教育資源,引發(fā)教學(xué)變革中的各級觸點(diǎn),觸動師生思維碰撞,觸動課堂模式翻轉(zhuǎn),觸動教育理念革新,最終賦能智慧課堂,使學(xué)生享有學(xué)習(xí)帶來的快樂。

注:本文系上海市科學(xué)教育規(guī)劃辦“普通高中‘人工智能+課程群的構(gòu)建與實(shí)施研究”(編號:C2021031)、上海市黃浦區(qū)教育局教育科學(xué)研究室“跨學(xué)科視角下高中生物項(xiàng)目化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)與實(shí)踐研究”(編號:B2112)的研究成果。

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責(zé)任編輯:祝元志

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