利用WISE“光合作用”项目促进初中生物学实验教学创新

姚海霞

[摘   要]遵循势科学理论，基于信息技术中的WISE虚拟实验平台，以平台中的“光合作用”项目为例，通过校本改造，开展网络虚拟探究与真实实验整合的初中生物学实验教学创新实践。

[关键词]WISE“光合作用”项目;本土化;实验教学;创新

[中图分类号]    G633.91        [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2019）17-0011-03

势科学理论提出创新人才的培养应遵循“差别促进联系，联系扩大差别”的势增原理，其教育动力学本质就是营造最强的教育信息势。在初中生物学实验教学中，教师发掘一些反差大的情景，激发学生的学习热情和好奇心，即营造强大的教学信息势，可以使学生主动调动已有知识和经验查找解决问题的方法，通过主动思考、实验观察、实践探究获得新知识。下面以《光合作用吸收二氧化碳释放氧气》一节为例，阐述如何利用WISE“光合作用”项目促进初中生物学实验教学创新。

一、WISE中的“光合作用”项目简介

WISE是Web-based Inquiry Science Environment（基于网络的科学探究环境）的简称，是美国国家科学基金会资助加州大学伯克利分校玛丽·琳教授团队开发的一种网络虚拟仿真探究学习平台。该平台已开发出了包括物理、化学和生物等多个全球免费开放的资源库，教师可修改里面的课程用于个性化教学。

WISE中的“光合作用”项目最初是2012年伯克利大学的Ryoo和Linn教授发布的，适用于美国六至八年级学生的项目，学习时间为4～5小时。该项目包含大量的虚拟实验、仿真动画和动态模型等学习工具，它能将不易看到的、复杂抽象的知识形象化、生动化和趣味化。例如，虚拟探究“影响植物光合作用的因素”，不仅能让学生直观观察自己设计的实验结果，而且可以同步处理实验数据。但是该项目沿着“能量来源→能量转化→能量利用”的主线组织探究，涉及光合作用、能量守恒定律、氧化还原、生态系统、食物链、食物网等知识，跟人教版初中生物学教材的编写逻辑不同，故需进行本土化改造方可用于教学。

二、WISE中的“光合作用”项目的本土化改造

（一）内容与学情分析

光合作用相关内容隶属《义务教育生物学课程标准（2011年版）》第四大主题“生物圈中的绿色植物”，要求教师帮助学生形成一个重要概念“绿色植物能利用太阳能（光能），把二氧化碳和水合成贮存了能量的有机物，同时释放氧气”，要求学生学会：1.阐明绿色植物的光合作用;2.举例说出绿色植物光合作用原理在生产中的应用;3.说明绿色植物有助于维持生物圈的碳氧平衡。《义务教育生物学课程标准（2011年版）》建议开展“探究光合作用的条件、原料和产物”活动。

人教版初中生物学教材将光合作用分为两节来学习。第四章《绿色植物是生物圈中有机物的制造者》，通过实验“绿叶在光下制造有机物”阐明光合作用制造有机物（淀粉）、绿叶进行光合作用的重要条件，以及光合产物构建了植物体也养育了其他生物;第五章第一节《光合作用吸收二氧化碳释放氧气》阐述光合作用的实质及其原理在生产实践中的应用，强调了光合作用吸收二氧化碳释放氧气具有调节大气碳-氧平衡的作用。两节内容共同呈现了光合作用的完整概念，强化了绿色植物作为生产者在生物圈中的作用。此外，教材设置了经典实验分析、设计探究实验、演示实验等内容，加深学生对光合作用概念的理解。通过第四章的学习，学生对光合作用有了新的认知，知道“光合作用使光能转化成化学能储存在有机物质中”“光合作用养活了地球上的生物”，形成了“生态系统中流动的能量来自于光合作用固定的光能”等初步概念。

信息时代的学生对网络远程学习的接受能力非常强，只需给予简单的说明就可以摸索探究出网页操作方法和技巧，所以他们使用WISE虚拟实验平台没有操作性障碍。

因此，学生能理解美国WISE中“光合作用”项目以能量为主线的描述，我国教师根据课程标准对该项目进行改造，开展“慕课”教学是可行的。

（二）本土化改造

根据以上内容与学情的分析，笔者对WISE“光合作用”项目进行了本土化改造，一是删除了平台上关于太阳光的组成、能量的守恒、氧化还原反应等物理、化学探究活动;二是从任务清单中删除植物的生长、生态系统、食物链和食物网等知识，使之成为辅助阅读材料;三是根据教学内容和教学目标，添加学习资料和设置新的学习任务;四是根据学习任务的难度利用WISE设计项目的分组功能，将远程学习的内容分為独立完成的任务（简称“独学任务”）和小组合作的任务（简称“合作任务”）;五是利用WISE设计项目的分步呈现功能，将“学习反馈”模块的探究任务隐藏至面授课才呈现。此外，为培养学生的科学思维和思辨思维，笔者设计项目“探究任务”时，将每一个任务的第一个活动均设计为引导学生调动已有知识经验的探究活动。

三、开展网络虚拟探究与真实实验整合的创新教学实践

《初中生物实验有效教学研究》（刘艳红，2013）指出，虚拟实验可有效帮助学生熟悉实验步骤、评价设计实验方案;实验周期长不易观察现象的实验，如“探究种子的萌发”“探究光对植物生长的影响”，适合用虚拟实验教学。虚拟实验不能代替真实实验，同一实验学生做真实实验产生的“情感信息势”更大。据此，笔者将虚拟实验与真实实验有机整合，开展相关创新教学。教学过程如下：

（一）观看小电影《玛丽的烦恼》，领受学习任务（布置任务）

教师先播放小电影《玛丽的烦恼》：“纽约州6年级小学生玛丽，需要在冬天种植黑麦草给她的宠物兔子吃。她在温暖的玻璃阳台用花盆种麦草，可是麦草长得很不好。她非常苦恼，她想知道怎样做才能种出能量最丰富的麦草给兔子吃。”然后提问：“同学们，你们能帮助小玛丽解决她的烦恼吗？你们觉得她应该怎样布置阳台才能种出能量丰富的麦草？”

教师布置任务：

任务1：登录“WISE”课程网址，按时完成指定课程的学习。（网址：http：//wise.berkeley.edu/ ;课程编号80128）

任务2：小组合作绘制玻璃温室的设计图。要求设置合理，环保节能，及培育出的植物茁壮成长，能量丰富;注明每项设计的科学原理。

设计意图：本环节是《绿色植物是生物圈中有机物的制造者》课堂教学的最后环节“实践拓展”，意在创造教学“情感信息势”，激发学生运用所学知识解决生活实际问题的热情。“设计温室”是贯穿整个第五章的学习任务主线。

（二）登录WISE，完成远程探究课程（自主研学）

学生按照指引登录学习账号，进入课程学习页面，根据探究地图完成学习任务;教师登录平台监控和观察学生的学习情况，督促学习进度落后的学生加快学习进度，解决学生学习中遇到的问题。

设计意图：WISE是基于网络的信息交流和查询平台，师生、生生在课程中的交流既可以设为私密交流，也可公开讨论，这既让学生有安全感，又让教师的辅导更有效。

“独学任务”要求学生在参与合作探究前必须储备信息和知识，并自己内化。“合作任务”难度较大，需要收集更多的信息，群策群力。总之，这是为了让学生主动思维，积累自身发展的信息势的教学环节。

（三）真实实验探究“光合作用吸收二氧化碳释放氧气”（课堂合作）

导入新课：通过网络学习，大家对小玛丽的温室小屋又有什么新的设想呢？植物光合作用除了需要光以外还需要什么条件？还能产生哪些物质？

学生根据研究计划自主探究“叶绿体是光合作用的场所吗？”“二氧化碳是光合作用的原料吗？”等等。教师的工作是巡视指导、组织评价交流活动。

教学活动流程为：实验探究→实验分析→得出结论→展示交流→评价反思→设计改良→验证实验→撰写报告。

设计意图：因为时间的限制，传统的实验课几乎没有时间让学生分析实验结果，反思实验操作。把实验设计方案放在网络远程辅导，让教师和学生在实验前准备更充分，实验速度更快，这就让师生能够从容地分析实验结果，反思和重复实验，更有利于培养学生的思辨思维。

（四）闡明光合作用实质（课堂提升）

七年级学生的抽象思维能力较弱，他们通过网络学习和真实实验获取了大量的信息，但是这些信息是呈碎片状散乱地分布在他们的大脑里的。脑科学研究指出，只有有序排列的信息才能在需要使用时迅速调取出来。故教师设计了如下活动引导学生逐步概括光合作用的实质。

1.复习旧知，为新课做好铺垫。

活动一：展示优秀的实验报告，回顾真实实验现象，概括实验结论。

2.引导探究，阐明光合作用的实质。

活动二：利用表格总结光合作用的原料、场所、产物、条件，分析光合作用过程中物质和能量的变化规律。

活动三：利用WISE平台上的模型绘制板，绘制一幅光合作用过程示意图（如图1）并向你的同桌介绍你所绘的示意图。

《义务教育生物学课程标准（2011年版）》倡导“有条件的学校还可以适当引入多媒体技术进行虚拟实验”。虚拟实验平台能让学生在虚拟环境下参与实验的整个过程，成为实验的亲历者而不再是旁观者。但初中生物虚拟实验平台很少，可以免费使用的主要有国内的同步实验室与美国的WISE。利用WISE中的已有项目，根据学校和学生的实际进行本土化教学，是营造实验教学强大教育信息势的有效手段，是初中生物学实验教学创新的有益尝试。

（责任编辑    黄春香）