生物智创课堂理念的基本原则和现实意义

宋娟

摘要：在人工智能时代，智慧型、创新型人才的培养是当前基础教育的基本趋向。本文基于《教育信息化2.0行动计划》（教技〔2018〕6号）和《普通高中生物学课程标准（2017年版）》的要求，结合具体的课例，从生物智创课堂的理念、基本原则和现实意义三个维度探讨构建生物智创课堂的有效途径。

关键词：高中生物;智创课堂;人工智能

《教育信息化2.0行动计划》（教技〔2018〕6号）指出，以人工智能、大数据、物联网等新兴技术为基础，依托各类智能设备及网络，积极开展智慧教育创新研究，推动新技术支持下教育的模式变革和生态重构。开展智慧教育探索与实践，推动教育理念与模式、教学内容与方法的改革创新，为智慧型、智能型、创造性、创新性课堂建构理念的提出奠定了理论基础，明确了研究方向。

一、生物智创课堂理念的提出

2019年3月5日《政府工作报告》提出，打造工业互联网平台，拓展“智能+”，为制造业转型升级赋能。从“互联网+”到“智能+”，加深这些概念与各个领域的渗透融合，成为国家创新引领的新动能，智能化时代人才的培养也成为当前基础教育教学的迫切任务。因此，在课堂教学中，转变教学策略，培养智慧与能力并举的创新型人才，成为一种必然的课堂教学理念。《普通高中生物课程标准（2017年版）》（以下简称《课标》）指出，生物学课程要求学生主动地参与学习，在生物学知识的学习过程中，养成科学思维的习惯，形成积极的科学态度，发展终身学习及创新实践的能力。

基于以上要求，笔者提出了生物智创课堂的理念，并将其定义为：坚持教育教学规律和学生学习规律，将智慧、智能、创造、创新等因子融入课堂教学，以实验、实践活动等为载体，有效整合科学技术、传统文化等资源，对课堂教学进行科学管理的教育教学机制。

二、生物智创课堂的基本原则

1.    科学性原则

坚持科学论证是普通高中课程修订工作的基本原则，它强调以科学理论为指导，遵循教育教学规律，用科学的态度和方法处理问题，形成先进思想和成果，并将其应用于教育教学实践之中。因此，构建生物智创课堂，必须依据高中生物学科特点，遵循学生思维认知规律，将生物教学内容与教学实践活动有机结合，并通过科学探究的过程去感知生命、认识世界，提升学生的学科核心素养。

2.    生态性原则

《课标》指出，生物学不仅是一个结论丰富的知识体系，也包括人类认识自然现象和规律的一些特有的思维方式和探究过程。生态哲学是生物学科的一个基本观念，它崇尚整体性和多样性，注重各要素之间的动态平衡，强调系统的开放性和可持续性[1]。生物智创课堂以“关注情感、尊重差异、促进发展、自然和谐”为教学理念，以生为本，注重教与学过程的互动生成，根据学生的需求设计不同的教学任务，关注学生的可持续发展;在教学中留给学生适当的学习空间，增强学生的可塑性，提高课堂的开放性;遵循以评价促发展的理念，注重评价主体的情感体验，制定尊重学生个体差异、促进学生全面发展的教学评价策略，彰显课堂教学的完整与和谐。

3.    创新性原则

创新性原则是通过观察、推理、验证、探究等思维过程，揭示事物本质的过程。生物智创课堂创造性地转变教学方式、教学手段和教学内容等，引导学生主动参与知识的学习过程。在教学中创设真实情境，提高学生的活动体验;运用现代化多媒体技术辅助教学，例如基于VR/AR技术的生物学教学系统可通过传统实验的虚拟化、微观构成的可视化、代謝过程的动态化等，帮助学生有效突破重难点，理解生命现象;注重学生动手实践能力的培养，指导学生创造性地设计探究活动，渗透“由做题到做事，由解题到解决问题”的高阶思维能力。

4.    人文性原则

《关于深化教育体制改革的意见》指出，深入开展以爱国主义为核心的民族精神和以改革创新为核心的时代精神教育、道德教育、社会责任教育、法治教育，加强中华优秀传统文化和革命文化、社会主义先进文化教育。构建生物智创课堂，要结合高中生物学知识，引导学生学习科学史背景材料、了解中国传统文化中蕴含的生物学原理、利用生物所学知识辨别生活中的“伪科学”现象等，在多样化的生物实践活动中渗透家国情怀、培养人文底蕴，实现科学思维与人文精神的融合，落实好立德树人根本任务。

三、生物智创课堂的现实意义

1.    让生命观念在课堂教学中自然生成

《课标》指出，生命观念是人们在认识生命世界的过程中形成的学科特有的观念和方法，包括“结构与功能观”“稳态与平衡观”和“物质与能量观”等，发展学生的生命观念是新课标的重要理念之一。在教学实践中，可通过创设特定的教学情境引导学生完成生命观念的构建，并以此为指导，探究生命规律，解决实际问题。

例如，高中生物必修1第5章的第3节“ATP的主要来源——细胞呼吸”。学生初中阶段对“细胞呼吸”的认知是“在细胞线粒体中发生的将有机物分解成二氧化碳和水并释放能量的过程”。教师在考虑学生已有知识结构的基础上，设计问题引导学生完成对高中“细胞呼吸”这一核心概念的认知：（1）   原核细胞没有线粒体结构，如何进行呼吸作用？（2）  细胞呼吸的各个阶段有哪些化学反应，尝试说出各反应场所的适应性结构特点？（3）试分析细胞呼吸过程中物质的变化和能量的流动情况。

随后引导学生进行课堂分析：原核细胞虽没有线粒体，但其生命活动也需要通过呼吸作用提供能量，因此，高中“细胞呼吸”的定义是“有机物在细胞内经过一系列的氧化分解，生成二氧化碳或其它产物，释放能量生成ATP的过程”。考虑到原核细胞的结构特点，细胞呼吸的场所不再局限于初中学过的线粒体，产物也有所不同。之后要求学生结合问题探讨描述细胞呼吸的场所、各场所的结构特点等完成“细胞呼吸”的概念构建，初步树立结构与功能观、物质与能量观。

细胞呼吸是微观的生命过程，内容抽象，对于学生来讲是记忆难点。为了加强记忆，更深刻地理解细胞呼吸的内涵，教师结合生活情境创设问题，进行了如下设计：“某活酵母化妆品自称可通过体温激活酵母发酵，深入皮肤肌底层，吃掉皮肤上的死皮、角质、粉刺等脏东西，排出皮肤所需的胶原蛋白和氧气等。”要求：（1）以小组为单位，尝试结合线粒体结构图总结细胞呼吸的过程;（2）依据细胞呼吸的过程，对广告词进行辨析;（3）有女性使用产品后面部出现红肿等症状，分析原因。

真实的情境有助于完成知识的构建。本节课结合学生的学情特点，通过问题的铺设，使学生了解不同细胞的呼吸方式和产物，树立结构与功能相适应、物质伴随能量生成等生命观念。“线粒体结构图”“活酵母化妆品广告”等情境的引入，使得“细胞呼吸”的过程在学生动手操作中变得形象直观，加深记忆效果的同时促进所学概念的迁移应用。这样的课堂教学不仅能帮助学生理解概念本质，而且使学生认识到生物知识在生活中的实践价值，提高了学生对生活实际做出理性解释和判断的能力。

2.    让科学思维在实验教学中逐步提升

《课标》要求学生能够结合生物学知识，运用归纳与概括、演绎与推理、批判性思维等科学思维认识事物、解决实际问题。生物是以实验为基础的自然科学，回顾生物科学史的发展过程，发现都是在科学思维的指导下，通过探究活动证实生物学概念、原理的。在教学实践中，笔者通过验证型实验的创新、探究型实验的论证和设计型实验的拓展等途径构建以科学探究为引领的生物实验智创课堂，引导学生利用科学思维进行实验活动，实现创新能力的培养。

例如验证型实验“探究酵母菌呼吸产物”，笔者认为该课本实验有以下不足：（1）实验装置气密性不易掌控，操作繁琐;（2）该实验装置需要较长的反应时间;（3）实验设计不科学，如无氧呼吸的实验装置不严谨、实验材料葡萄糖未排除其它杂菌的干扰、缺少对照等。因此，在教师指导下，学生利用注射器对实验装置进行改进。

教材指出，依据酸性条件下重铬酸钾使酒精呈灰绿色的原理检测酒精的生成。在实际操作中，有学生误将此指示剂滴入葡萄糖溶液中，发现溶液也变灰绿色。查阅化学资料后，学生得知重铬酸钾是一种强氧化剂，与葡萄糖溶液也会发生氧化反应，干扰了实验结果。经讨论后有学生提出先用斐林试剂检测葡萄糖是否反应结束，再用指示剂检测酒精的生成更具有科学性。

在该实验教学中，学生不仅创新性地采用注射器进行实验设计，解决了实验的气密性问题，而且根据探究性实验的设计原则，以质疑、联想、审辩等科学思维为指导，对课本实验进行批判性分析、改良和探究，实现了创新思维能力的培养。酸性重铬酸钾使葡萄糖溶液变灰绿色的发现，激发了学生的求知欲，促使学生开展进一步的探究，将验证性实验和探究性实验结合，实现了生物与化学知识的交叉渗透，体现了知识的综合性。

3.    让科学探究在人工智能应用中锦上添花

发现生活中的生物学问题，分析论证后对结果进行交流探讨是《课标》对学生科学探究能力的要求。高中生物教学中培养学生科学探究能力可提高学生的积极性，发展自主学习能力，逐步提升科学素养。纵观高中生物教材，探讨生命的本质大多以微观为主，要将知识快速深刻地被学生掌握，需要结合生活资源，依靠直观的教学手段。近年来，随着人工智能技术在各行业的迅速崛起，人工智能与学科教学相结合成为未来教学的发展趋势。以生物传感器为例，它是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器，能够将定量实验的结果用数字、图表等形式精确地显示出来[2]。

例如，在验证性实验“探究酵母菌呼吸产物”中，利用CO2传感器、溶解氧传感器、数据采集器等，可将此定性实验提升为定量实验，直观地观察到酵母菌在呼吸过程中的CO2和O2含量的变化情况。在酵母菌活化的基础上，将平底三口烧瓶固定在磁力搅拌器上，一个口加入酵母菌培养液，一个口插入溶解氧传感器，另一个口插入CO2传感器，将传感器连接数据采集器，再连接电脑，这样就可以同时测定酵母菌溶液中溶解氧和密闭装置中CO2浓度的变化。

本实验自变量是溶解氧浓度，通过溶解氧传感器进行实时监控;因变量是呼吸速率，通过CO2传感器进行定量测定。通过传感器实时记录的数据，分析不同时间段的溶解氧浓度和CO2变化速率，既可以分析出酵母菌的呼吸方式，也可以反映出O2浓度对酵母菌细胞呼吸速率的影响。

4.    让社会责任在实践活动中落地生根

实践活动与课堂教学相辅相成，在活动中可以帮助学生领悟自然科学的内涵，提高生物学习的趣味性，培养学生解决实际问题的能力。高中是价值观、世界观的形成期，以社会责任感为核心的实践活动能够帮助学生开拓视野，树立造福人类的使命意识。因此，在生物教学中，可通过挖掘生物教材、参观生物企业、开发本地生物资源等途径将社会责任感的培养融入实践活动的教学中，丰富教育教学途径，弘扬奉献精神。

例如，高中生物必修2第6章第2节中的资料分析介绍了转基因生物和转基因食品的安全性，在此基础上，教师设计了课外实践活动《转基因食品的安全性》。课例要求：（1）到超市调查是否存在轉基因食品，了解其类别和比例;（2）查阅文献或实地调查我国转基因食品的相关法律法规、产品的研发和推广现状;（3）通过调研活动所搜集的资料，组织以“转基因食品是否安全”为辩题的辩论赛。

为了进一步帮助学生了解生物工程，树立生命科学的研究意识，课余时间教师带领学生参观学习了本市的生物企业——“七河生物”，了解企业发展历史的同时观看了菌种的生产技术，其中通过当地野生菇的分离纯化和单孢子杂交技术培育的“七河7号”香菇菌棒，引起了学生的兴趣，他们结合生物所学的杂交育种知识向科研人员讨教学习。“七河生物”感恩社会，回报社会的企业文化让学生深有感触，学习科研技术的同时渗透社会责任感的生成。

理论是从直接经验出发的，通过对教材章节内容的深度分析，将实践活动融入其中，加深学生对知识理解的同时增强了生物教学的系统性，为培养学生解决生产生活问题的能力奠定基础。定期带学生参观相关企业厂区和车间，能够加深学生对产品制造流程的深入了解，提高学生参与社会事务讨论的能力和主人翁意识。

参考文献：

[1]   岳伟，刘贵华.走向生态课堂——论课堂的整体性变革[J].教育研究，2014（08）.

[2]   蔡三娟.传感器在中学生物学实验中的应用[J].生物学教学，2016（01）.

【责任编辑 郭振玲】

该文为山东省淄博市教育科学“十三五”规划2018年度立项重点课题“基于审辩思维立意的生物智创课堂建构策略研究（2018ZJZ017）”的部分成果