基于VR/AR技術(shù)的“細胞膜的結(jié)構(gòu)和功能”教學(xué)設(shè)計

張禮根

摘要以問題解決、自主學(xué)習(xí)為主線，結(jié)合科學(xué)史實和生活實例分析，綜合運用類比推理、VR/AR3D模型觀察、歸納概括、模型建構(gòu)等方法，以小組合作學(xué)習(xí)和教師問題引導(dǎo)相結(jié)合形式展開教學(xué)，在VR課堂教學(xué)中有效落實學(xué)生科學(xué)思維與科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，形成結(jié)構(gòu)與功能觀，增強社會責(zé)任感，促進生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培育，提高課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 VR/AR技術(shù) 細胞膜 教學(xué)設(shè)計 生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

中圖分類號G633. 91文獻標(biāo)志碼B

1教材分析與設(shè)計思路

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準》）提出以核心素養(yǎng)為宗旨，教學(xué)過程重實踐的基本理念?！墩n程標(biāo)準》強調(diào)：課堂教學(xué)過程要求學(xué)生主動參與，通過探究活動加深對生物學(xué)概念的理解，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究能力，進而能夠應(yīng)用所學(xué)知識探討或解決現(xiàn)實生活中的問題。但在高中生物學(xué)教學(xué)中，并不是所有的教學(xué)內(nèi)容都能讓學(xué)生進行親身體驗實踐。例如，2019年人教版《必修1·分子與細胞》第三章第一節(jié)“細胞膜的結(jié)構(gòu)與功能”在教材中起著承上啟下的作用，教師無論采用圖片教學(xué)或是視頻教學(xué)方式，都難以讓學(xué)生親身體驗到細胞膜的微觀結(jié)構(gòu)、流動性及其與細胞膜功能的相互聯(lián)系。2018年，教育部印發(fā)《教育信息化2.0行動計劃》，提出以人工智能、VR等新興技術(shù)，積極倡導(dǎo)智慧教育。VR/AR技術(shù)作為新興技術(shù)具有沉浸性、交互性、多感知性與構(gòu)想性的特征。此節(jié)教學(xué)時，教師若能采用VR（虛擬現(xiàn)實）/AR（增強現(xiàn)實），可有效解決學(xué)生無法親身體驗、感受的困境。

本節(jié)課采用“引導(dǎo)探究”的教學(xué)模式，依托科學(xué)史實和生活實例，運用作者與科駿VR公司共同開發(fā)的基于zSpace的VR/AR3D模型進行教學(xué)設(shè)計，巧妙融合類比推理、分析推理、歸納概括、模型建構(gòu)等方法展開課堂教學(xué)。教師注重學(xué)生親身體驗操作，既激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，又讓學(xué)生深刻理解生物學(xué)概念和培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維與科學(xué)探究能力，促進學(xué)生形成結(jié)構(gòu)與功能觀，增強學(xué)生的社會責(zé)任核心素養(yǎng)，促進生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)養(yǎng)成，同時也凸顯信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)相融合所帶來的高效課堂。

2教學(xué)目標(biāo)

①通過科學(xué)史實和生活實例分析，培養(yǎng)基于生物學(xué)事實的分析與推理、歸納與概括能力。

②通過對細胞膜成分和結(jié)構(gòu)探索知識的梳理，領(lǐng)悟觀察、假說、質(zhì)疑和推理等在科學(xué)研究中的作用，感悟科學(xué)在質(zhì)疑和創(chuàng)新中發(fā)展。

③通過對VR/AR3D模型的觀察和體驗及對細胞膜模型的建構(gòu)，在實踐中理解生物學(xué)概念，形成結(jié)構(gòu)與功能觀；通過對構(gòu)建模型的評價，發(fā)展批判性思維。

④通過對脂質(zhì)體藥物、血液透析原理的分析，體會科學(xué)知識與解決現(xiàn)實問題之間的密切聯(lián)系，關(guān)注人類生命健康；通過利用廢舊物品制作細胞膜模型，培養(yǎng)模型建構(gòu)的科學(xué)思維能力，關(guān)注廢舊物品的再利用，樹立節(jié)約資源和環(huán)保意識，增強社會責(zé)任感。

3教學(xué)重點和難點

3.1教學(xué)重點

細胞膜的功能；細胞膜流動鑲嵌模型的基本內(nèi)容

3.2教學(xué)難點

細胞膜的結(jié)構(gòu)與組成成分之間的內(nèi)在聯(lián)系；對細胞膜結(jié)構(gòu)的探索過程

4教學(xué)過程

4.1熱點引入，引導(dǎo)學(xué)生類比推理細胞膜的功能

教師聯(lián)系社會，以社會熱點“2020年6·15中印加勒萬河谷邊境沖突”為背景引入新課，播放“中印邊境沖突”視頻和展示“中印邊界問題示意圖”地圖圖片，并提出問題：中印沖突事件中中印兩國的邊界是什么？該邊界有什么作用？學(xué)生通過積極思考、討論并得出初步結(jié)論，中印兩國的邊界是界碑或邊防線，其作用可能有：將中印兩國分開，控制兩國出入境人員的隨意流動等。教師繼續(xù)追問：那作為生命系統(tǒng)最基本結(jié)構(gòu)層次的細胞的邊界又是什么？引導(dǎo)學(xué)生采用類比推理的方法進行分析（細胞內(nèi)代表中國，細胞外代表印度，細胞膜類似于邊防線），進一步推測細胞膜的功能。

設(shè)計意圖：教師以社會熱點引入新課，采用類比推理方法，鼓勵學(xué)生大膽推測，在培養(yǎng)學(xué)生分析推理能力的同時，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注重大社會性議題，使學(xué)生樹立國家安全觀，建立捍衛(wèi)國家主權(quán)和領(lǐng)土完整的信念，學(xué)習(xí)弘揚英雄模范精神，提高國家榮譽感，提升社會責(zé)任感。

4.2VR3D模型觀察，視頻圖片直觀展示，推理細胞膜的功能

小組學(xué)生合作分別帶上3D（2D）眼鏡，借助VR技術(shù)分別觀察大腸桿菌、高等植物細胞和動物細胞的VR3D模型圖（圖1），感受細胞膜的真實存在。教師提出問題，引導(dǎo)學(xué)生思考：大腸桿菌和高等植物細胞的細胞膜外側(cè)的細胞壁能否作為細胞的邊界？并分析原因。接著，教師播放“未受精的雞蛋中蛋白質(zhì)與蛋黃分開”的實驗視頻，展示“臺盼藍對死、活動物細胞染色結(jié)果”的實驗圖片，引導(dǎo)學(xué)生從視頻和圖片中推理出細胞膜的功能。小組學(xué)生繼續(xù)合作相互交換3D（2D）眼鏡，借助VR技術(shù)依次觀察和體驗內(nèi)分泌細胞與靶細胞、高等植物細胞之間的信息交流以及精、卵細胞結(jié)合的動態(tài)變化過程（圖2），從VR3D動態(tài)模型中繼續(xù)推理出細胞膜的功能。

設(shè)計意圖：通過對VR3D模型的觀察和體驗，學(xué)生直接親身感受到細胞膜及其細胞間進行信息交流過程動態(tài)變化的真實存在。學(xué)生通過視頻、圖片的觀看與VR3D模型的立體觀察，培養(yǎng)基于生物學(xué)事實和實證資料的分析推理能力，同時培養(yǎng)語言表達能力，在學(xué)習(xí)過程中發(fā)展科學(xué)思維。

4.3以史為據(jù)，問題引導(dǎo)，建構(gòu)細胞膜的物理模型

教師指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材“對細胞膜成分和結(jié)構(gòu)探索”的科學(xué)史，并提出問題串：①依據(jù)歐文頓實驗，可做出什么推測？若要進一步驗證該推測，該如何繼續(xù)實驗？分析護膚品中甘油被人體細胞吸收的過程。②依據(jù)戈特和格倫德爾實驗，可做出什么推斷？③基于磷脂分子結(jié)構(gòu)特點與組織細胞膜內(nèi)外均含有水的事實，推理出磷脂分子在細胞膜上的排列分布，初步建構(gòu)出由磷脂分子組成的細胞膜物理模型。④依據(jù)丹尼利和戴維森實驗結(jié)果，可做出什么推論？結(jié)合所學(xué)知識設(shè)計實驗驗證上述推理。⑤結(jié)合羅伯特森顯示出“暗-亮-暗”三層結(jié)構(gòu)的電鏡照片和展示出的冰凍蝕刻電子顯微技術(shù)拍攝到的細胞膜結(jié)構(gòu)圖片，可提出什么假說？學(xué)生思考、討論、回答教師精心設(shè)計的問題串，并逐步完成細胞膜物理模型的建構(gòu)。教師引導(dǎo)學(xué)生推理出蛋白質(zhì)在細胞膜上的排列分布情況，在已構(gòu)建的細胞膜物理模型基礎(chǔ)上，進一步建構(gòu)出有蛋白質(zhì)分布的細胞膜物理模型。師生對兩次構(gòu)建的細胞膜物理模型進行生生評價、師生評價。

設(shè)計意圖：通過對科學(xué)史實的分析與推理，教師引導(dǎo)學(xué)生追尋科學(xué)家科學(xué)探究的足跡，使學(xué)生領(lǐng)悟觀察、推理、歸納等方法在科學(xué)研究中的重要作用，認同科學(xué)理論的形成是科學(xué)思維、技術(shù)發(fā)展和科學(xué)精神相結(jié)合不斷修正與完善的結(jié)果。層層遞進的問題串最終指向細胞膜物理模型的建構(gòu)，激發(fā)學(xué)生思維，啟發(fā)學(xué)生深入思考、養(yǎng)成科學(xué)思維。學(xué)生設(shè)計實驗驗證，進一步提升探究興趣；依據(jù)科學(xué)實驗證據(jù)，建構(gòu)細胞膜物理模型，培養(yǎng)尊重科學(xué)事實的態(tài)度。教學(xué)突出課堂知識的動態(tài)生成，體現(xiàn)《課程標(biāo)準》提出的教學(xué)過程重實踐的基本理念。對構(gòu)建的物理模型進行生生評價、師生評價，踐行《課程標(biāo)準》中“學(xué)業(yè)評價促發(fā)展”的基本理念，實現(xiàn)課堂高效交互。

4.4質(zhì)疑求證，AR3D模型觀察，闡述細胞膜流動鑲嵌模型的知識要點

當(dāng)學(xué)生初步建構(gòu)完由磷脂分子和蛋白質(zhì)分子組成的細胞膜物理模型后，教師提出質(zhì)疑：你是否認同羅伯特森對細胞膜模型靜態(tài)結(jié)構(gòu)的描述？分析原因并舉例加以求證。教師播放“人-鼠細胞融合”與“植物體細胞雜交”的實驗視頻，追問：依據(jù)上述實驗視頻，可推理出什么結(jié)論？小組學(xué)生相互合作分別帶上3D（2D）眼鏡，借助AR技術(shù)立體性全方位觀察細胞膜的組成成分及結(jié)構(gòu)3D模型（圖3）；通過操作筆體驗細胞膜中磷脂分子和蛋白質(zhì)分子的運動，對細胞膜結(jié)構(gòu)進行拆分和重組裝（圖4），依據(jù)對細胞膜AR3D模型的觀察和體驗，歸納、總結(jié)并闡述細胞膜流動鑲嵌模型的知識要點，解釋與細胞膜結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的功能。

設(shè)計意圖：學(xué)生通過對現(xiàn)有科學(xué)觀點的質(zhì)疑，培養(yǎng)批判性思維能力和質(zhì)疑精神，借助視頻觀察和問題引導(dǎo)，以事實為依據(jù)認同細胞膜是流動的而不是靜止的。并利用AR3D模型對細胞膜成分與結(jié)構(gòu)的觀察、拆分和重組裝，直接親身體驗到細胞膜成分、結(jié)構(gòu)、及其流動性，認同細胞膜的流動鑲嵌模型，在實踐中深化了對生物學(xué)概念的理解，有助于構(gòu)建知識框架，進一步促進了結(jié)構(gòu)與功能觀的生成。

4.5歸納總結(jié)，建構(gòu)概念模型，拓展認知，增強社會責(zé)任感

教師帶領(lǐng)學(xué)生一起回顧本節(jié)課知識要點，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)“細胞膜的結(jié)構(gòu)和功能”知識框架概念圖。教師聯(lián)系生活實際，提供“脂質(zhì)體和紫杉醇（一種抗癌藥物，不溶于水）”與“血液透析治療尿毒癥”兩則情境資料，設(shè)計系列相關(guān)問題，引導(dǎo)學(xué)生分析、推理，進一步落實課堂知識在生活實踐中的應(yīng)用，學(xué)以致用。課后，教師給出材料用具：包裹中藥丸的球形蠟質(zhì)盒、廢棄鐵絲或電線、廢棄硬質(zhì)泡沫塑料、剪刀等。學(xué)生小組合作、課后制作細胞膜的流動鑲嵌模型，制作的模型將于下節(jié)課課前進行小組展示與交流分享。

設(shè)計意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生通過歸納總結(jié)，構(gòu)建章節(jié)概念模型圖，強化知識之間的內(nèi)在聯(lián)系，提高學(xué)生的整體認知水平。并聯(lián)系生活實際，培養(yǎng)學(xué)生在真實情境下運用所學(xué)生物學(xué)知識解決生活實際問題的能力，體現(xiàn)知識來源于生活并運用于生活，提高學(xué)生知識遷移能力，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，同時引導(dǎo)學(xué)生關(guān)愛生命健康。課后，小組合作制作細胞膜流動鑲嵌模型，培養(yǎng)動手實踐操作能力和小組團結(jié)合作的團隊精神；通過選擇廢棄物材料，培養(yǎng)環(huán)保意識。模型展示與交流分享關(guān)注對學(xué)生成果的肯定，促進學(xué)生語言表達能力的培養(yǎng)和增強學(xué)生的自信心，有效落實生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

5教學(xué)反思

《課程標(biāo)準》的實施和新教材的使用后，如何在課堂教學(xué)中有效落實生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培育是每個教師必需肩負的重要使命。本節(jié)課根據(jù)《課程標(biāo)準》制定的以發(fā)展學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)展開課堂教學(xué)，基于大量生活實例和科學(xué)史實證據(jù)，以問題為導(dǎo)向進行分析推理，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究能力，提升社會責(zé)任核心素養(yǎng)。學(xué)生借助VR/AR3D模型觀察與體驗，親身感受到細胞膜的結(jié)構(gòu)與功能的相適應(yīng)，發(fā)展了生命觀念。在某種意義上，理解模型和進行模型建構(gòu)是學(xué)生理解生物學(xué)的一把鑰匙。細胞膜模型建構(gòu)與修正完善過程啟發(fā)了學(xué)生的自主思考性和創(chuàng)造性。教師將VR/AR技術(shù)適時地應(yīng)用于高中生物學(xué)課堂教學(xué)，可有效解決生物學(xué)上的一些教學(xué)重點和難點問題，改變傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式，為教學(xué)帶來更多的趣味性、新穎性和創(chuàng)造性，有效地激發(fā)學(xué)生思維和提升生物學(xué)核心素養(yǎng)，實現(xiàn)高效課堂，提升教學(xué)效果。