利用WISE“光合作用”項目促進初中生物學實驗教學創(chuàng)新

姚海霞

[摘? ?要]遵循勢科學理論，基于信息技術中的WISE虛擬實驗平臺，以平臺中的“光合作用”項目為例，通過校本改造，開展網(wǎng)絡虛擬探究與真實實驗整合的初中生物學實驗教學創(chuàng)新實踐。

[關鍵詞]WISE“光合作用”項目;本土化;實驗教學;創(chuàng)新

[中圖分類號]? ? G633.91? ? ? ? [文獻標識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2019）17-0011-03

勢科學理論提出創(chuàng)新人才的培養(yǎng)應遵循“差別促進聯(lián)系，聯(lián)系擴大差別”的勢增原理，其教育動力學本質(zhì)就是營造最強的教育信息勢。在初中生物學實驗教學中，教師發(fā)掘一些反差大的情景，激發(fā)學生的學習熱情和好奇心，即營造強大的教學信息勢，可以使學生主動調(diào)動已有知識和經(jīng)驗查找解決問題的方法，通過主動思考、實驗觀察、實踐探究獲得新知識。下面以《光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣》一節(jié)為例，闡述如何利用WISE“光合作用”項目促進初中生物學實驗教學創(chuàng)新。

一、WISE中的“光合作用”項目簡介

WISE是Web-based Inquiry Science Environment（基于網(wǎng)絡的科學探究環(huán)境）的簡稱，是美國國家科學基金會資助加州大學伯克利分?，旣悺ち战淌趫F隊開發(fā)的一種網(wǎng)絡虛擬仿真探究學習平臺。該平臺已開發(fā)出了包括物理、化學和生物等多個全球免費開放的資源庫，教師可修改里面的課程用于個性化教學。

WISE中的“光合作用”項目最初是2012年伯克利大學的Ryoo和Linn教授發(fā)布的，適用于美國六至八年級學生的項目，學習時間為4～5小時。該項目包含大量的虛擬實驗、仿真動畫和動態(tài)模型等學習工具，它能將不易看到的、復雜抽象的知識形象化、生動化和趣味化。例如，虛擬探究“影響植物光合作用的因素”，不僅能讓學生直觀觀察自己設計的實驗結果，而且可以同步處理實驗數(shù)據(jù)。但是該項目沿著“能量來源→能量轉化→能量利用”的主線組織探究，涉及光合作用、能量守恒定律、氧化還原、生態(tài)系統(tǒng)、食物鏈、食物網(wǎng)等知識，跟人教版初中生物學教材的編寫邏輯不同，故需進行本土化改造方可用于教學。

二、WISE中的“光合作用”項目的本土化改造

（一）內(nèi)容與學情分析

光合作用相關內(nèi)容隸屬《義務教育生物學課程標準（2011年版）》第四大主題“生物圈中的綠色植物”，要求教師幫助學生形成一個重要概念“綠色植物能利用太陽能（光能），把二氧化碳和水合成貯存了能量的有機物，同時釋放氧氣”，要求學生學會：1.闡明綠色植物的光合作用;2.舉例說出綠色植物光合作用原理在生產(chǎn)中的應用;3.說明綠色植物有助于維持生物圈的碳氧平衡?！读x務教育生物學課程標準（2011年版）》建議開展“探究光合作用的條件、原料和產(chǎn)物”活動。

人教版初中生物學教材將光合作用分為兩節(jié)來學習。第四章《綠色植物是生物圈中有機物的制造者》，通過實驗“綠葉在光下制造有機物”闡明光合作用制造有機物（淀粉）、綠葉進行光合作用的重要條件，以及光合產(chǎn)物構建了植物體也養(yǎng)育了其他生物;第五章第一節(jié)《光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣》闡述光合作用的實質(zhì)及其原理在生產(chǎn)實踐中的應用，強調(diào)了光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣具有調(diào)節(jié)大氣碳-氧平衡的作用。兩節(jié)內(nèi)容共同呈現(xiàn)了光合作用的完整概念，強化了綠色植物作為生產(chǎn)者在生物圈中的作用。此外，教材設置了經(jīng)典實驗分析、設計探究實驗、演示實驗等內(nèi)容，加深學生對光合作用概念的理解。通過第四章的學習，學生對光合作用有了新的認知，知道“光合作用使光能轉化成化學能儲存在有機物質(zhì)中”“光合作用養(yǎng)活了地球上的生物”，形成了“生態(tài)系統(tǒng)中流動的能量來自于光合作用固定的光能”等初步概念。

信息時代的學生對網(wǎng)絡遠程學習的接受能力非常強，只需給予簡單的說明就可以摸索探究出網(wǎng)頁操作方法和技巧，所以他們使用WISE虛擬實驗平臺沒有操作性障礙。

因此，學生能理解美國WISE中“光合作用”項目以能量為主線的描述，我國教師根據(jù)課程標準對該項目進行改造，開展“慕課”教學是可行的。

（二）本土化改造

根據(jù)以上內(nèi)容與學情的分析，筆者對WISE“光合作用”項目進行了本土化改造，一是刪除了平臺上關于太陽光的組成、能量的守恒、氧化還原反應等物理、化學探究活動;二是從任務清單中刪除植物的生長、生態(tài)系統(tǒng)、食物鏈和食物網(wǎng)等知識，使之成為輔助閱讀材料;三是根據(jù)教學內(nèi)容和教學目標，添加學習資料和設置新的學習任務;四是根據(jù)學習任務的難度利用WISE設計項目的分組功能，將遠程學習的內(nèi)容分為獨立完成的任務（簡稱“獨學任務”）和小組合作的任務（簡稱“合作任務”）;五是利用WISE設計項目的分步呈現(xiàn)功能，將“學習反饋”模塊的探究任務隱藏至面授課才呈現(xiàn)。此外，為培養(yǎng)學生的科學思維和思辨思維，筆者設計項目“探究任務”時，將每一個任務的第一個活動均設計為引導學生調(diào)動已有知識經(jīng)驗的探究活動。

三、開展網(wǎng)絡虛擬探究與真實實驗整合的創(chuàng)新教學實踐

《初中生物實驗有效教學研究》（劉艷紅，2013）指出，虛擬實驗可有效幫助學生熟悉實驗步驟、評價設計實驗方案;實驗周期長不易觀察現(xiàn)象的實驗，如“探究種子的萌發(fā)”“探究光對植物生長的影響”，適合用虛擬實驗教學。虛擬實驗不能代替真實實驗，同一實驗學生做真實實驗產(chǎn)生的“情感信息勢”更大。據(jù)此，筆者將虛擬實驗與真實實驗有機整合，開展相關創(chuàng)新教學。教學過程如下：

（一）觀看小電影《瑪麗的煩惱》，領受學習任務（布置任務）

教師先播放小電影《瑪麗的煩惱》：“紐約州6年級小學生瑪麗，需要在冬天種植黑麥草給她的寵物兔子吃。她在溫暖的玻璃陽臺用花盆種麥草，可是麥草長得很不好。她非?？鄲?，她想知道怎樣做才能種出能量最豐富的麥草給兔子吃?！比缓筇釂枺骸巴瑢W們，你們能幫助小瑪麗解決她的煩惱嗎？你們覺得她應該怎樣布置陽臺才能種出能量豐富的麥草？”

教師布置任務：

任務1：登錄“WISE”課程網(wǎng)址，按時完成指定課程的學習。（網(wǎng)址：http：//wise.berkeley.edu/ ;課程編號80128）

任務2：小組合作繪制玻璃溫室的設計圖。要求設置合理，環(huán)保節(jié)能，及培育出的植物茁壯成長，能量豐富;注明每項設計的科學原理。

設計意圖：本環(huán)節(jié)是《綠色植物是生物圈中有機物的制造者》課堂教學的最后環(huán)節(jié)“實踐拓展”，意在創(chuàng)造教學“情感信息勢”，激發(fā)學生運用所學知識解決生活實際問題的熱情?！霸O計溫室”是貫穿整個第五章的學習任務主線。

（二）登錄WISE，完成遠程探究課程（自主研學）

學生按照指引登錄學習賬號，進入課程學習頁面，根據(jù)探究地圖完成學習任務;教師登錄平臺監(jiān)控和觀察學生的學習情況，督促學習進度落后的學生加快學習進度，解決學生學習中遇到的問題。

設計意圖：WISE是基于網(wǎng)絡的信息交流和查詢平臺，師生、生生在課程中的交流既可以設為私密交流，也可公開討論，這既讓學生有安全感，又讓教師的輔導更有效。

“獨學任務”要求學生在參與合作探究前必須儲備信息和知識，并自己內(nèi)化?！昂献魅蝿铡彪y度較大，需要收集更多的信息，群策群力?？傊?，這是為了讓學生主動思維，積累自身發(fā)展的信息勢的教學環(huán)節(jié)。

（三）真實實驗探究“光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣”（課堂合作）

導入新課：通過網(wǎng)絡學習，大家對小瑪麗的溫室小屋又有什么新的設想呢？植物光合作用除了需要光以外還需要什么條件？還能產(chǎn)生哪些物質(zhì)？

學生根據(jù)研究計劃自主探究“葉綠體是光合作用的場所嗎？”“二氧化碳是光合作用的原料嗎？”等等。教師的工作是巡視指導、組織評價交流活動。

教學活動流程為：實驗探究→實驗分析→得出結論→展示交流→評價反思→設計改良→驗證實驗→撰寫報告。

設計意圖：因為時間的限制，傳統(tǒng)的實驗課幾乎沒有時間讓學生分析實驗結果，反思實驗操作。把實驗設計方案放在網(wǎng)絡遠程輔導，讓教師和學生在實驗前準備更充分，實驗速度更快，這就讓師生能夠從容地分析實驗結果，反思和重復實驗，更有利于培養(yǎng)學生的思辨思維。

（四）闡明光合作用實質(zhì)（課堂提升）

七年級學生的抽象思維能力較弱，他們通過網(wǎng)絡學習和真實實驗獲取了大量的信息，但是這些信息是呈碎片狀散亂地分布在他們的大腦里的。腦科學研究指出，只有有序排列的信息才能在需要使用時迅速調(diào)取出來。故教師設計了如下活動引導學生逐步概括光合作用的實質(zhì)。

1.復習舊知，為新課做好鋪墊。

活動一：展示優(yōu)秀的實驗報告，回顧真實實驗現(xiàn)象，概括實驗結論。

2.引導探究，闡明光合作用的實質(zhì)。

活動二：利用表格總結光合作用的原料、場所、產(chǎn)物、條件，分析光合作用過程中物質(zhì)和能量的變化規(guī)律。

活動三：利用WISE平臺上的模型繪制板，繪制一幅光合作用過程示意圖（如圖1）并向你的同桌介紹你所繪的示意圖。

《義務教育生物學課程標準（2011年版）》倡導“有條件的學校還可以適當引入多媒體技術進行虛擬實驗”。虛擬實驗平臺能讓學生在虛擬環(huán)境下參與實驗的整個過程，成為實驗的親歷者而不再是旁觀者。但初中生物虛擬實驗平臺很少，可以免費使用的主要有國內(nèi)的同步實驗室與美國的WISE。利用WISE中的已有項目，根據(jù)學校和學生的實際進行本土化教學，是營造實驗教學強大教育信息勢的有效手段，是初中生物學實驗教學創(chuàng)新的有益嘗試。

（責任編輯? ? 黃春香）