基于中央电化教育馆“虚拟实验室”的初中生物实验深度教学

［摘要］利用中央电化教育馆“虚拟实验室”引导学生分析实验现象，培养学生的生物实验关键能力，使学生学会分析和解决问题，在实践中达成深度学习。基于“虚实结合，以虚促实”，运用“设疑，从个体经验到人类知识的相互转化；启发，在活动中体验新知；导学，对学习对象进行深度加工”等一系列策略，有效达成教学目标。［关键词］实验教学；中央电化教育馆；虚拟实验室；深度学习深度学习是学习者能动地参与教学，为理解基本知能而采用的学习方式，是一种基于理解、追求迁移应用的有意义学习。中央电化教育馆（以下简称“央馆”）“虚拟实验室”是一种基于Web技术、VR虚拟现实技术构建的，开放式、网络化的虚拟实验教学系统，是生物教学实验数字化和虚拟化的有效载体。本文探讨利用央馆“虚拟实验室”促使学生实现深度学习。一、设疑，从个体经验到人类知识的相互转化深度学习需要唤醒学生的个体经验，包括日常生活经验，通过开展教学活动实现对经验和知识的整合。由于经验的参与，知识的学习就有了生长的根基，能使知识转化为与学生个体有关联、可操作、促思考的内容。例如，苏科版生物教材七年级上册第4章第2节“观察溶液浓度的大小对植物吸水的影响”，为了唤醒学生以往的生活经验，促使学生实现深度学习，笔者对这节课的实验教学进行了适当调整。首先，笔者带领学生进入央馆“虚拟实验室”，点击3D动画实验“观察溶液浓度的大小对植物吸水的影响”，学生按照实验步骤，将一株幼苗的根插入盛有自来水的锥形瓶中，将另一株幼苗的根插入盛有食盐溶液的锥形瓶中，置于光下，点击时间加速器，五天后观察茎和叶会出现什么现象。学生分析实验结果：清水中的幼苗正常生长，食盐溶液中的幼苗慢慢变黄、萎蔫、死亡。对于幼苗死亡的原因，有的学生认为与食盐溶液浓度大有关系，植物变黄、萎蔫可能是因为植物细胞失水。通过虚拟实验，学生可以得出结论：清水中植物吸水，正常生长，食盐溶液中植物失水，导致死亡。为了验证结论的正确性，笔者进行实际实验操作，以此激发学生探究兴趣，并依据学生的生活经验对书本的实验过程进行改进。【改进一】认识溶液浓度，学会配制浓盐水七年级学生还没有系统学习与溶液有关的知识，所以進行实验之前，笔者准备三个400毫升的烧杯，各放入200毫升的清水，标号为A、B、C。师：清水就是我们平时喝的自来水，有味道吗？生：没有。师：没有味道是因为无机盐的含量极少，所以清水的溶液浓度近乎为零；现在我们往B烧杯放入1勺盐，搅一搅，让盐都化开。这时，B烧杯里的溶液有味道吗？生：咸的。师：是的，放入盐后B烧杯的溶液浓度变大，但是还达不到实验要求的浓度，再往C烧杯里放入2勺盐，这时B烧杯和C烧杯里的溶液哪一个更咸一点？生：C烧杯。师：也就是说，C烧杯中溶液的浓度更高。在这个演示实验中，笔者利用学生的生活经验进行引导，让学生一步一步理解什么是溶液浓度、如何配制浓盐水等基础知识。虽然七年级学生未学过化学知识，但也能较好地理解这些概念，为下面的分组实验做好铺垫。【改进二】设置对照组师：在接下来的分组实验中，你们都要亲手配制浓盐水，在配制过程中能不能用舌头去品尝盐水的浓度呢？生：不能。师：对的，在我们面前的是实验器材，而不是食品容器。这是老师用保鲜盒带过来三种食材，想请一位同学来品尝一下，告诉大家分别是什么食材，什么味道？生代表（品尝后汇报）：第1个是苹果，很甜；第2个是橙子，很酸；第3个是萝卜，有点苦。师：苹果甜，橙子酸，萝卜苦，请大家想一想，这些植物体内溶液有没有浓度呢？生：有。师：在第1章我们学习了生物体的基本特征，构成生物体结构和功能的基本单位是什么呢？生：细胞。师：生物体内溶液浓度就是指细胞内溶液浓度。今天我们做实验用到萝卜，怎样获得萝卜细胞内溶液呢？生：榨汁。师：很好。现在请大家看你们实验桌上的器材：三个400毫升烧杯，标号为A、B、C，A烧杯放了200毫升萝卜汁，B和C烧杯各放入200毫升的清水，现在请大家在C烧杯配制浓盐水。【改进三】细化步骤，分析数据，得出实验结论师：请同学们拿出桌上保鲜膜包裹着的3根萝卜条，分别称一称重量，量一量长度，摸一摸软硬程度，完成学案上的表格。完成测量的小组，请把3根萝卜条分别放入3个烧杯里，等待实验结果大约需要半小时，我们先学习根尖的结构。在这个实验中，榨萝卜汁、切3根大小相等的萝卜条因为用时较多，所以笔者在课前准备好。学生课堂上通过称、量、摸获得数据，既高效又精确。半小时后，笔者让学生用镊子把3根萝卜条取出（提醒3根镊子不能混用），用吸水纸吸萝卜条表面多余的水分，再次称一称重量，量一量长度，摸一摸软硬程度，完成学案上的表格。分析数据得出结论：周围溶液浓度=细胞液溶液浓度，A烧杯维持细胞形态；周围溶液浓度小于细胞液溶液浓度，B烧杯细胞吸水；周围溶液浓度大于细胞液溶液浓度，C烧杯细胞失水。那么，植物如果要想从土壤中获得水分，土壤溶液浓度应该符合“土壤溶液浓度小于根毛细胞内溶液浓度”这一要求。深度学习需要建立事物之间的联系，也就是在学生的已有经验与新经验（知识）之间建立联系，从而使学生的思考与知识建立系统关联。以上三个环节的实验改进，因为充分利用学生的生活经验，所以使这个观察实验更符合七年级的认知水平，操作起来更为简便，学生更容易自主得出实验结论。二、启发，在活动中体验新知“活动与体验”是深度学习的核心特征，活动与体验相伴相生。若是主动活动，必会引发内心体验；理性而高尚的体验，必是在有意义的社会活动中生成的。要想让学生成为学习的主体而非被动的知识接收器，就要有“活动”的机会，有亲身经历知识发现、形成、发展等一系列过程的机会。例如，七年级上册第7章第2节“分析吸入气体和呼出气体的成分变化”，如果按照书本教学，只能由教师演示，学生缺乏活动的机会。基于此，笔者对实验教学过程进行优化：首先，进入央馆“虚拟实验室”点击3D动画实验“种子在萌发过程中释放二氧化碳”和“种子在萌发过程中吸收氧”。分析实验结果：种子萌发时吸入什么气体，该怎样检验？种子萌发时呼出什么气体，又该怎样检验？学生回答：吸入氧气，氧气使带火星的木条复燃；呼出二氧化碳，二氧化碳使澄清石灰水变浑浊。虚拟实验环节形象地展示了氧气和二氧化碳的性质，也启发了学生，人体吸入和呼出气体的成分主要体现在氧气和二氧化碳的变化，为下面的分组实验打下了基础。其次，进行分组实验：学生每四人为一个小组，每组准备了2套实验仪器：2个试管各有10毫升的石灰水、2个集气瓶、吸管、带橡胶管的塑料袋、带蜡烛燃烧匙、火柴。实验前先让学生分组讨论实验方案，再汇报，选出最优方案。方案一：用吸管往石灰水里吹气，用塑料袋收集空气，通过橡胶管再把空气挤入石灰水，观察实验现象。学生汇报：往石灰水里吹气使澄清石灰水变浑浊，而另一个现象不明显。教师追问：那么，说明呼出的气体中含有哪种气体比较多？二氧化碳使澄清石灰水变浑浊。方案二：用集气瓶收集一瓶空气和一瓶呼出的气体，燃烧匙点燃分别放入2个瓶内，观察现象。蜡烛在空气里正常燃烧；在呼出气体里燃烧不旺盛。那么，说明空气中含有什么气体比较多？学生思考后回答：氧气具有助燃性，空气中氧气比较多。通过开展实验活动，全班学生都参与到课堂中来，满足了他们的好奇心，充分调动了他们的学习热情。在活动中，学生的学习不是被动接受，而是在教师的带领下主动探究，把文字结论及其隐含的意义转变成自己的认识对象，转化为自己成长的养分，内化为相应的学科素养。三、导学，对学习对象进行深度加工深度学习要求学生能够抓住教学内容的本质属性，全面把握知识的内在联系。这个过程不单是教师将事物本质告诉学生的过程，而是学生主动去探索、去把握的过程，要使学生与正在学习的内容之间建立一种紧密联系。七年级下册第8章第1节“生物体的基本结构”的教学重点是两个临时装片的制作和观察，教学难点是使用显微镜，这一组实验时间紧、任务重，教师要改变传统的教学方式，让实验教学能顺利进行。笔者尝试利用央馆“虚拟实验室”导学，促使学生进行深度的个性化学习。课前布置学生进入央馆“虚拟实验室”，点击3D动画视频“制作并观察临时装片”。利用虚拟实验的游戏功能，让学生在游戏中熟悉实验步骤：擦、滴、撕（刮）、展（涂）、盖、染。依照步骤提示自主开展练习。在练习过程中，教师适时引导打开错误提示按钮，如果出现了错误操作，学生就可以根据提示一步一步完成实验操作的纠正，熟练后关闭错误提示按钮，自主开展练习。有了虚拟实验的导学过程，学生对于临时装片制作步骤烂熟于心，这样在进行真实实验时学生操作起来就能做到有条不紊。笔者录制微课，比较两种临时装片制作不同之处或者学生容易错误操作之处，以促进学生深层次思考。微课1滴什么液体：展示滴入清水和生理盐水对于洋葱表皮细胞的作用。微课2如何盖盖玻片：教师演示正确操作，解释错误操作的危害。微课3如何染色：教师演示均匀染色的技巧。微课4用显微镜观察不到怎么办：教师演示显微镜操作中常見的三个问题——视野一片黑暗、观察不到物像、物像不在视野里，并给出相应的解决方法。深度学习是把握知识本质的学习过程，能够使学生“学会学习”，形成对学习对象进行深度加工的意识与能力，提升学生的思维水平，加强学生与知识间的内在联系。在本节实验教学过程中，导学是让学生在游戏中熟悉制作临时装片的实验步骤，在“玩”中“学”。学生整个练习的过程就是在进行深度的个性化学习。每个学生的易错点不同，经过反复操作，易错点就会在学生脑海留下深刻的印象，在实际观察实验中就能避免再次犯错，以“虚”促