基于智能实验的混合式教学模式探讨

《普通高中生物学课程标准(2017年版)》中提出,高中生物学课程应着眼于适应未来社会发展和个人终身发展的需要,从生命观念、科学思维、科学探究和社会责任等方面培养学生的学科核心素养,充分体现生物学学科特点和育人价值。其中,科学探究是高中生物学素养的主要内容之一。科学探究通常指通过探究性情境或实验,使学生通过自主学习活动获得经验,并将经验纳入自身的知识框架内。其步骤主要包括对生物、生物学现象进行观察和描述,基于现象提出问题、作出假设、设计实验并验证假设、进行合理的思维判断得出结论。在此过程中利用学生不同的特性进行合作与交流能够培养学生的科学思维和科学探究能力。在实际的科学探究过程中,由于实验条件的限制,每个学生的实验机会受限,难以满足全体学生对实验操作的需求。受季节和气候影响,部分实验材料难以获取,外部条件不能稳定,影响实验的科学性和可行性。不同教师的教学理念不同,教学方式不同,有时角色定位不准确,探究过程并不能激发学生的学习兴趣和积极性。这些问题使生物实验教学的质量和效果难以得到保证,因此高中生物教师需要探索新的教学模式。一、混合式教学与智能实验混合式教学模式是一种将传统教学方法与现代科技手段相结合的教学模式。其能够在课堂教学中充分利用在线资源,通过多样化的学习方式和教学手段,促进学生深入理解知识并培养学生的学习兴趣。智能实验则是利用人工智能技术创设虚拟实验平台,模拟真实实验环境,使学生可以通过虚拟实验来体验实验的过程并得出结论。混合式教学与智能实验相结合,首先可以弥补传统实验的不足,提高教学效果和学生的实验能力。学生可以通过虚拟实验平台进行多次实验,不受时间和实验设备的限制,提高实验的可重复性和实验数据的准确性。其次,还可激发学生的学习兴趣和主动性。学生能够通过探究和实践的方式来获取知识,而不是单纯地接受教师的知识灌输。此外,智能实验还可以提供更多的实验案例和实验数据,帮助学生更全面地理解实验原理和现象。二、教学设计基于智能实验的混合式教学的主要教学环节包括(图1):①课前自主预习,自主探究。教师上传实验相关视频和资料至网络教育平台,指定学生在相关网站寻找资源,在规定时间进行线上分析、交流与讨论,提高学生核心素养。②课堂中进行探究实验,学生之间相互探究。学生进行分组讨论,确定实验中所使用的材料、原理、预期的结果等,通过智能设备预先模拟实验过程,分析可能出现的现象及其原因,总结汇报给教师后开始进行实验。教师依据学情确定教学策略,参与学生的讨论,引导学生关注实验细节和要点,通过讨论解决核心问题,突破重难点。③实验后进行数据分析。教师利用多媒体对学生数据进行可视化处理,组织学生对异常的实验结果进行溯因分析,发展学生的科学思维。④课后拓展,联系实际。针对课堂上出现的部分问题,布置学生课下查找资料并解决,汇总后在线进行交流和点评。教师上传与生活相关的实验视频,深化学生对知识的了解和应用。图1教学环节示意图“探究酵母菌的呼吸方式”是人教版普通高中教科书生物学《必修1·分子与细胞》第五章第三节中的探究性实验。通过该实验,学生不仅对“单细胞生物的酵母菌的呼吸方式”“在有氧和无氧条件下酵母菌呼出的产物的不同”“生物无氧呼吸的类型”等问题的认知从感性上升到理性,而且引出无氧呼吸和有氧呼吸概念和原理的学习,同时通过探究性实验的准备、进行、数据分析、讨论和总结提高了学生的科学探究和科学思维能力。(一)课前自主预习,自主探究在混合式教学中,教师充分利用线上和线下的资源,引导学生进行自主学习,提高学生学科核心素养。在课前环节,教师向班集体的学科群(如钉钉群)上传教材附带的“探究酵母菌呼吸作用”实验微课,并发布课前学习任务单,要求学生完成以下几个任务:观看教师上传的实验视频并完成导学案;登录国家中小学智慧教育平台,观看微课,记录实验中的疑惑或者看不懂的点,上网查阅资料尝试解决。通过课前预习,学生初步形成对于实验的认识。在此过程中教师可以在学科群中发布任务来收集学生学习过程产生的问题,基于此设计课堂核心问题,有针对性地制定教学方案。例如,针对学生的问题“酵母菌进行无氧呼吸和有氧呼吸的产物是否相同?”,延伸出问题“相同条件下无氧呼吸和有氧呼产生的二氧化碳量是否相同?如何来定量测定二氧化碳的产生量?”等,这样可以将核心知识与思维方法联系在一起,以锻炼学生思考能力。(二)课堂中进行探究实验,拓展思维1.创设情境,导入实验创设情境能够吸引学生注意力,保证学习效果。教师可以利用课前收集到的学生问题创设情境,采用问题驱动法进行启发式教学,组织学生讨论并解决相关的问题。在这个过程中,为了保证每个同学都能够参与进来,可以按照同组异质、异组同质的原则进行分组,实现线上线下教学同步进行、随时切换,运用多种教学方法促进学生对知识的理解、掌握和应用。情景实例一:教师展示包子、馒头等发酵前后的状态图,并提出“面粉发酵过程中是什么在发挥作用?为什么发酵后的面粉会变得更加蓬松?说明发酵过程中产生了什么?”等问题,学生分析得出此过程中是酵母菌在发挥作用,产生的二氧化碳可以使面粉变蓬松,进而引入实验。情境实例二:教师播放“两分钟学会啤酒的工艺流程”的动画,并提出“啤酒在制作过程中产生了什么物质?酿造啤酒有什么条件?”问题,学生借助平板电脑和多媒体设备搜索答并进行课堂抢答。在引入实验之后,各小组进行讨论,细化实验流程。首先,教师安排小组成员共同完成实验变量的分析和现象估测并填写在发放的表格中。然后,利用平板电脑,学生分别在“智慧校园课堂应用平台”上的模拟软件上进行实验模拟,记录每次实验的结果。教师汇总学生的实验结果,在多媒体中展示,组织学生分析异常实验结果出现的原因。采用智能实验在线上进行实验模拟能够让学生发现实验条件改变对结果的影响,理解变量与变量之间的关系,了解实验的核心所在。分析异常实验结果增强了学生发现问题和解决问题的能力,提高了学生的核心素养。2.进行智能实验与数据分析教师播放实验视频,学生仔细观看后进行实操。在活动中合理组织学生共同进行实验,比如某些同学负责活化酵母菌,某些同学负责配置葡萄糖溶液,某些同学负责连接实验装置,某些同学负责通过二氧化碳传感器记录实验数据。教师将实验结果与模拟实验的结果进行对比并分析,引导学生提出新的问题并进行思考讨论,在提高学生分析能力的同时,构建学生新的知识体系,使探究活动能够不断向更深层次方向发展。教师参与学生的讨论过程,对于难度较大的问题给出思考的方向,保证探究方向的正确性,适时可以对讨论给予正面评价,提高学生的积极性。最后,教师借助多媒体设备对学生进行评价,将各小组在每个步骤的表现通过表格的方式展现,分析各小组出现的问题以及解决方法,对于表现积极的小组和优秀的小组进行表扬,对于表现较差的学生进行指正并鼓励。(二)课后拓展,联系实际依据实验的效果,教师在学科群中发布实验练习帮助学生巩固知识,同时让学生搜集生活中应用到发酵、无氧呼吸的案例,并在规定时间内发布至学科群与同学们共享,分析这些案例中蕴含的生物知识,将知识与实际生活联系在一起。教师也可鼓励学生在家自己进行生活小实验,制作发酵类的食品。三、教学思考在教学上,教师需要根据学情和教材的不同灵活地选择教学方法。智能实验教学,能够将传统实验教学中定性的结论转变为定量的结论。在检验酵母菌呼吸作用下的产物二氧化碳时,通过传统的方法只能观察到有无气泡产生或者澄清的石灰水是否变浑浊,无法测量气体的量。通过二氧化碳传感器可以比较无氧条件和有氧条件产生二氧化碳量的区别,实验结果更加直观。同时,智能实验可以借助网上资源进行实验的模拟,在实验时,实验的模拟能够更准确的定位实验中出现的变量,通过对实验结果的分析和讨论也能够更好地达到探究性实验的目的。智能实验的缺点在于:对于学校设备具有一定要求,且使用设备需要一定的熟练度;对于学习积极的同学具有很好的提升效果,但需要教师实时关注学生状态。混合式教学模式是现代教育的发展趋势。线上教学需要关注学生的任务的完成情况。同时,线上学习与线下课堂之间不是简单的拼接,结合对线上学习的结果、学情和教材的分析,教师设置合适的问题和教学方法来设计教学过程,才能凸显混合式教学的优势。总而言之,基于智能实验的混合式教学模式能够为生物