课堂重构视角下技术赋能生物学教育的路径与策略

张春雷

(华东师范大学 教师教育学院, 上海 200062)

生物学是研究生命现象和生命活动规律的科学[1]。它是环境科学、医学、农学等诸多应用学科的基础。近年来，随着生物学与信息、工程技术的结合，它对人类生活的影响也越来越大，成为21世纪人们必备的科学素养之一。

生物学与其他研究非生命的物质科学显著不同，它具有广泛性、复杂性、不完整性和结构不良等特点[2]。这些特点使得生物学的教授和学习困难而富有挑战。随着技术的飞速发展以及各种信息技术产品走进教育领域，技术对于生物学教育的影响越来越不可忽视。但在生物学教育实践中，仍然存在技术应用简单化和融合程度不高等问题，“电灌”“机灌”代替“人灌”的现象仍然存在。那么，如何更好地进行技术整合和创新，让技术赋能学科教育就成为当下值得重点研究的课题。

1 教育技术与生物学教育整合的困境

技术与生物学教育整合现状不够理想，不仅与生物学教师的教育技术应用能力有关，也与学校条件保障以及外部师资培训有关。例如对生物学教师调查研究发现，学校存在信息基础设施建设滞后、数字化教学资源相对缺乏、资源分布不均、利用率低、融合方式有待完善等问题[3-4]。这些问题都不利于在职教师有效开展教学工作，也不利于教师对信息资源获取和通讯科技支持下的终生学习[5]。此外，教师作为教育信息化的践行者和推动者, 也发挥着关键性和决定性作用[6]。为了让学科教师会用技术、用好技术，政府和相关机构为教师提供了很多培训项目和课程，但由于统一培训往往很难顾及生物学的学科独特性，培训后教师仍然难于将技术与生物学教学融合创造性地解决实际问题，根本原因在于培训忽略了学科内容的特异性、教学情境的不确定性以及学生学习的差异性。

首先，生物学不同内容主题具有高度的特异性。内容间的差异程度有时会远大于相似度。因此，教师不能直接把一种技术整合方案从一个主题迁移到另一个主题，而必须根据内容特点做出调整。其次，技术整合方案还具有环境依赖性。教师教学环境条件非常复杂，而且充满不确定性。学科教师往往因为网络、设备条件等原因不得不放弃某一个成熟技术产品或解决方案。这就要求教师要能够根据环境需要重新设计解决方案和选择替代品。最后，学生个体之间也存在差异性，这种差异表现在学生的学习基础、学习方式以及学习需要等方面，统一的技术产品或解决方案往往很难满足学生个性化学习的需要，教师需要根据学生情况进行选择和调整才能实现学生学习的个性化和最优化。此外，教师还需要注意教育目标对技术创新应用的引领作用，不能为了用技术而用技术。新一轮课程改革深化以发展学生核心素养为宗旨，教师的技术创新需要服务于这一目标。教师只有立足于特定的学科内容、教学情境，结合学生特点来应用技术，才能有效地发展学生核心素养。因此，要想让技术真正赋能学科教育，学科内容特异性、教学条件不确定性、学生差异性以及教育目标的引领都是不可忽略的重要因素。技术整合必须回归真实的学科教学情景，而不能过度简化和去情境化。教师培训也需要从技术的一般性推广和普及转变为技术思想的领会以及技术产品的灵活应用，从脱离学科情境的纯技术学习回归到学科教育情境下的技术创新与实践。

教育信息化的重点已经不再是技术设施的基础建设，而是信息技术的创新应用，乃至于教育教学的整体变革。而课堂是学校教育的最主要结构，因此也是技术推进学校教育系统结构性变革的关键所在[7]。教师只有明确技术在课堂结构中的角色，并考虑到教育目标、学科内容、学生差异以及教学环境的交互作用，才能发挥出技术的潜在优势，为学科教育赋能。

2 发展核心素养需要课堂结构要素的相互融洽

2016年《中国学生发展核心素养》框架发布，将核心素养分为文化基础、自主发展和社会参与等3个方面, 综合表现为人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新等六大素养, 具体细化为国家认同等18个基本要点[8]。2017年，《普通高中生物学课程标准(2017年版)》在此基础上凝练了生物学学科核心素养，具体包括生命观念、科学思维、科学探究和社会责任，其根本目的都是进一步明确未来公民的必备品格和关键能力，从学习结果的角度定义未来社会所需人才的形象[9]。

那么，什么样的学习环境更有利于培养具有核心素养的人才呢？OECD、UNESCO等组织机构都对能够有效发展21世纪核心能力的学习环境特征进行过研究和描述[10-11]。这些有效学习环境的特征可以概括为促进学生学习的自主性、社会性、情境性、关联性和差异性。但现实课堂环境中的技术应用却总是呈现换汤不换药、旧瓶装新酒的尴尬，其根本原因在于信息“内容”和信息“过程”的相互分离、甚至自相矛盾。因此，吴刚[12]提出教育技术需要回归人的社会性，关注社会互动，强调学习过程中环境要素的整合。为了整合课堂结构要素构建有效的课堂学习环境，张春雷[13]提出了课堂结构的6要素模型，如图1所示。该课堂结构模型由价值、理念、内容、教法、时空、技术等6个要素构成，其中，价值和理念构成了课堂的顶层结构，内容和教法构成了课堂的中层结构，时空与技术则构成了课堂的底层结构。

图1 课堂结构的“6要素”模型

顶层的价值与理念是课堂的灵魂，它决定了课堂其他层面和要素的设计。教法、内容、技术和时空的选择都为顶层的价值和理念服务。底层的技术和时空则是课堂结构的基础，它为上层结构和要素提供支撑。技术处在底层，这显示了它在课堂结构的基础性地位。“6要素、3层面”课堂结构模型能够反映出技术、教法和内容在课堂结构中的功能地位，同时也强调了价值理念层面对技术应用的引导作用，有助于教师基于课堂结构找准技术的作用点和作用路径，进而充分释放技术对学科教育的推动作用。

3 新课堂结构下技术赋能生物学教育的路径

根据新型课堂结构中的层面支撑关系和要素相互作用，进一步具体分析技术赋能生物学学科教育的可行路径。

3.1 技术对教学“时空”的拓展作用

技术应用能够拓展学生的学习时空，反过来学习时空设计也能彰显技术力量。远程学习、异步学习就是通过互联网和信息存储技术使得学习可以随时随地发生，极大地赋予学习的自由和选择权，让个性化的学习时空选择成为可能。教师可以从学生的学习时空设计入手，寻求技术整合的可能，比如在特定的时空运用技术来促进学生的学习，或者恰当地应用技术来突破学生学习时空的边界和局限。例如，在互联网热议“基因编辑婴儿”事件时，一位大学教师在课堂上也引入了该话题，除了在课堂上引导学生讨论基因编辑技术背后的生物学原理之外，还引出了更有争议的生物学伦理大讨论，比如是否应该继续发展基因编辑技术，如何对待已经出生的基因编辑婴儿，以及这些婴儿是否享有生育权。教师要求每位同学采用理性的科学论证方式发表个人的观点，要注重证据、推理、观点的一致性，同时提示学生科学并不能解决所有问题。课堂上的辩论十分精彩，但受课时限制，还有很多学生想发言但是没有机会，这时师生共同商议决定在课程的BB平台上专门开一个交流板块继续这一讨论，部分同学还在自己的朋友圈表明立场、“切磋”观点。可见，在课程平台和社交网络的支撑下，课堂的时空边界得到了进一步扩展。在技术的支撑下，学生在学习时空上也获得了更大的自由度。

3.2 技术对“内容”的可视化作用

生物学知识具有复杂、抽象和结构不良等特点，多媒体技术、计算机模拟技术、虚拟现实技术可以让抽象、复杂的生物学知识和过程以更直观形象的方式展现出来。PhET网站(https://phet.colorado.edu/)提供了很多交互性生物学仿真模拟程序供教师使用。比如基因表达这一复杂生命过程，教师可以通过对模拟仿真程序在线操作来演示不同基因转录、翻译进而获得相应蛋白质的过程，教师还可以把部分任务分配给学生完成，学生通过在线交互性操作获得目标蛋白质进而学习基因表达相关知识，如图2所示[14]。

图2 PhET网站中的基因表达模拟仿真程序

在一款名叫Omosa的3D科学游戏中，学生甚至可以扮演科学家助手的身份，对虚拟世界中科学现象展开调查和研究，从而体验科学研究的实践过程[15]。此外，信息技术还可以通过进程可视化支持学生的研究性学习，比如在MOORS平台的支撑下，课题研究进展能更直观地展现在学习者面前，学生更容易找到研究伙伴和指导教师，学科与学科边界被打破，学科与生活的联系被加强[16]。

3.3 技术对“教法”支撑和限制作用

技术应用效果提升需要合适的教学策略和方法与之相匹配，反过来技术应用也需要满足教学法的需求。疫情期间ZOOM视频会议软件成为很多教师在线授课的首选，主要原因之一就在于它可以帮助教师快速将学生分成多个视频会议讨论组，进而实现小组合作学习。这体现的就是技术对教学法的支撑作用。

此外，技术环境的变化也会对教学法提出新的要求或限制。比如，随着传统课堂线下学习转变为线上学习，学生离开了教师的监督和同学的陪伴，如何保证能够高度专注的参与线上学习成为一个难题。这时就要求教师采用合适的教学法提高学生的学习兴趣，比如采用游戏化教学策略，把学习任务变成学生喜欢的游戏任务，或者采用合作学习的策略，让学生选择一个他们喜欢的研究课题开展项目式学习。可见，教师必须基于技术特点设计教学策略和方法才能充分发挥技术潜能。

4 新课堂结构下技术与生物学教学整合方式

那么，技术与生物学教学有哪些整合方式呢？我们以“种群的数量变化”这一内容为例进行阐释。该内容是高中生物学选择性必修模块 “生物与环境”中的内容，课程标准对该内容的要求是“尝试建立数学模型解释种群的数量变动”。因此本节内容主要把学习种群数量变化的规律以及数学模型构建的方法作为重点。为达成目标，教师可以灵活应用技术的不同功能支撑教学活动。

4.1 技术作为教学的“资源”

首先，为了激发学生的学习兴趣，引发学生的思考，本节课以图片的形式导入新课。教师会呈现白鱀豚灭绝和水葫芦大暴发的照片(图3)，然后讲述图片背后的故事唤起学生情感共鸣，创设情境、引入主题，如果我们要保护某个物种或者控制某个物种的数量就要学习种群的数量变化规律。

图3 教师使用图片资源吸引学生

在这个环节，技术作为显性的“资源”直接用于教学过程。对于这种整合方法，教师最需要的就是高质量的资源。此时，技术可以直接作为资源满足教学需求，它是作为静态的元素发挥作用的。有了这些资源，学科内容能够以直观和多样的方式(图片、动画、视频等)呈现，进而促进学生理解。

4.2 技术作为教学的“工具”

唤起了学生的学习兴趣后，如何引导学生主动对问题进行思考和探究呢？接下来，教师利用缩时视频引导学生对细菌种群的数量变化规律展开研究。教师呈现给学生的是大肠杆菌分裂繁殖的视频，视频的巧妙之处在于将几个小时的细菌繁殖过程压缩到几秒钟。以往学生都是通过酵母菌的培养来体验观察、计数、数据分析等科学探究技能，但疫情期间学生无法进行酵母菌培养实验。缩时视频为解决这一难题提供了一种新的可能。学生可以通过视频编辑软件每隔1 s对视频进行1次截屏(图4)，然后对屏幕中的细菌数量进行计数，再使用电子表格工具进行绘图和数学建模。

图4 教师使用截屏工具记录细菌种群数量变化

在这种整合方式当中，缩时视频技术、截屏软件、电子表格的应用使得所有学生都能直接参与种群数量变化的研究。师生可以利用工具制造出很多产品，开展很多探究活动。生物学教学中还经常使用形色、花伴侣手机APP来鉴别植物，使用SPSS软件记录和分析试验数据，使用地理信息系统软件来获得大尺度的生态学数据开展环境问题研究等。

4.3 技术作为教学的“环境”

当学生利用缩时视频研究了细菌种群数量变化规律并建立数学模型后，为了促进学生交流并对学生构建的数学模型进行检验，教师首先要求在小组内进行讨论形成统一意见，最后每个小组将自己收集的数据以及建构的数学模型以小论文的形式发表在微信群和朋友圈中，供其他小组同学进行审阅和评判。每个小组要对自己的研究结论进行合理辩护，并基于同学的反馈对模型进行修改完善。

在这个环节，技术是以“环境”的形态与学科教育整合。微信群和朋友圈成为师生交流和讨论的线上学习环境。环境背后的技术支撑包括互联网、通讯、手机平台、云存储等技术本身往往是不被关注的、隐性的，但是却共同构成学习活动所依赖的外部环境。技术作为环境时往往具有普及化、日常化和隐性化的特点，师生不一定需要直接跟技术打交道，但是却需要了解和适应这一环境来开展和组织学习活动。

5 新课堂结构下生物学教育中技术创新应用策略

根据新型课堂结构模型，提出以下技术创新应用策略。

5.1 发挥目标对技术应用的引领作用

顶层的价值和理念对于技术应用具有引领作用。新一轮课程改革深化以发展核心素养为宗旨，倡导学生自主、合作、深度学习。因此，技术与学科教学的整合一定需要符合这一价值要求。技术的角色应从辅助教师传递信息向辅助教师基于学生差异性开展个性化学习转变，从强化“双基”向发展核心素养转变，凸显学习的自主性、社会性、情境性、关联性和差异性。

5.2 技术要符合内容特点和教学法需要

学科内容是教育价值的载体，但不同内容却具有高度的特异性。教师需要量体裁衣、因地制宜，充分考虑学科内容的特点来设计和组织教学活动，深入挖掘学科内容的育人价值。只有符合学科内容的特点和教学原则，技术应用才能有的放矢，发挥出其对学科教育的巨大推动作用。

5.3 技术要能拓展和优化学生的学习时空

技术处于课堂结构的底层，它支撑着课堂的上层结构和要素，特别表现在对教学时空的扩展和对个性化学习的支持上。技术让师生对教学有更多的自由和选择权。因此，生物学教师可以从学生学习时空设计入手，从群体到个体，从同步到异步，从孤立到联合，从封闭到开放。

5.4 从技术本身出发，教师要能认识到技术的本质以灵活应用

每项技术都有自己的生命周期，都会经历产生、发展和淘汰的过程。因此，教师眼里不能只看到一个技术产品，还要看到这类产品背后的技术思想。只有掌握技术的本质，才能更好地应对教育环境的不确定性。

教育技术与生物学教育整合既是技术推动教育的必然要求，又是生物学教育发展的必然需要。它是一个不断迭代、不断优化的过程。随着课堂结构要素的整合、技术赋能生物学教育路径的明确以及一线教师的积极努力探索，技术与生物学教育的深度融合必然可期。