信息技术视域下三维动画在高中生物教学设计中的有效融合

摘要：依托皮亚杰的认知发展理论和知识可视化理论，将三维动画融入高中生物教学设计。从问题引领的情景教学、能力培养的实验教学、立体逼真的沉浸式教学等不同视角出发，探索将信息技术融入高中生物教学的路径与人才培养目标的达成维度，目的是在技术赋能视域下推动教学创新和学习方式转变，促进学生开展有意义的学习，培养他们的科学素养和终身学习的兴趣。关键词：信息技术；三维动画；教学设计；科学素养“三维动画”又称“3D动画”（Three-DimensionalAnimation），起源于20世纪初。近年来，人们利用新兴动画制作技术，能够在虚拟的三维空间中，通过构建主题角色和相应场景、设置光照效果及动画过程，完成高度还原与仿真的三维视觉影像。作为一种新型教学表达形式，三维动画在教学过程中能够引导学生多感官参与，提供多层次刺激，有助于学生快速、长久地记忆信息［1］。进入21世纪，随着信息技术的飞速发展，技术赋能推动着教育革新，驱动着学习方式转变［2］。目前，三维动画已广泛应用于医学、教育、军事、娱乐等多个领域，特别是在教育领域，如何依托信息化技术辅助教学，更好地达成人才培养的三个维度，引起了广泛关注与积极探索。21世纪是生物科学的世纪。过去二十年间，生物科学领域取得了丰硕的研究成果，而将这些成果传承与普及，尤其是在青少年中开展生物科学教育与能力培养，是提高全民生物科学素养的重要手段。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》明确指出，生物科学素养是公民科学素养的重要组成部分，要求公民具备参与社会活动、经济活动、生产实践、个人决策所需的生物科学知识、探究能力，以及相关的情感态度与价值观。为顺应生物科学从现象到本质、从简单到复杂、从定量到定性的研究与发展历程，中学生物课程在内容设置上需要综合考虑中学生的认知水平、知识储备等因素。例如，初中生物课程以“人与生物圈”为主线，主要讲授生物学宏观层面的基础知识；而高中生物课程则呈现出知识跨度大、知识点密集、微观和抽象概念居多的特点，侧重生命活动的原理及化学变化［3］。因此，教师在教学方式方法上应与时俱进，积极探索信息时代对传统教学的辅助与升级路径，了解新时代学生的学习需求与特点，从而更好地达成面向全体学生、倡导探究性学习、与现实生活联系密切的育人效果。本文探讨将三维动画引入高中生物教学的策略，充分利用技术赋能教育革新，创新教学思维与开阔专业视野，促进教师科学开展教学设计，鼓励学生“在做中学”，旨在利用多媒体技术和信息资源，促进学生开展有意义的学习。一、整合优质资源，激发学生学习兴趣三维动画具有生动、直观以及能将抽象知识可视化呈现的优势，不仅可以展现事物的外部形态，还能够通过局部剖面或透明处理展现物体的内部结构，同时借助物体的运动、变化和转换重现复杂的生命现象。知识可视化的价值实现取决于视觉表征方式，即将思维化或抽象化的信息通过视觉化手段进行表述与再现，对改变传统的认知方式，促进有意义的学习具有积极作用［4］。三维动画具有强大的可塑性，利用图形、图像处理软件，人们可以对物体、角色、场景和材质等进行数字化建构，在视觉认知层面实现仿真效果。在中学生物教学中，运用三维模型和动画模拟细胞、组织、器官等微观结构，可显著加深学生对知识的理解。教师应充分发挥三维动画的优势，将抽象知识以可视化方式呈现，并将其渗透于各个教学环节，帮助学生客观认识抽象现象及其内在规律，快速理解和消化新知。以人教版高中生物学必修1第3章第3节“细胞核的结构和功能”的教学设计为例，首先，教师可以创设问题情境，引导学生思考染色体与染色质的关系，并通过三维动画演示染色质动态螺旋、折叠形成柱状染色体的完整过程，让学生明白染色体和染色质是同种物质在不同时期存在的两种形态，同时为后续学习基因重组、染色体变异等内容奠定基础。在教学设计中，教师运用动画，形象、科学地展示微观世界，不仅能使学生更轻松地接收信息，还能通过问题引领，促使学生主动构建抽象知识体系（如图1）。新课程改革强调以学生的发展为本，重视学生在学习过程中的主体地位，要求教师重新定位自身角色。教师不再是教科书的忠实执行者，而应成为与学生共同学习的合作者。在信息时代背景下，教学理念发生了深刻变革，高中生物教师应勇于创新，有效创设三维动画教学情境，凸显学生课堂主体地位，引导学生主动参与学习活动，科学构建知识体系。二、发挥感官优势，有效促进深度学习多感官学习可有效调动学生的学习积极性。根据皮亚杰的认知发展理论，高中生已经处于形式运算阶段，这表明其思维能力已发展到较为成熟的水平，能够脱离具体事物进行假设演绎推理［5］。段戴平等运用三维动画开展探究式教学，实践证明这种方式能显著提高学生的科学探究精神和创新意识［6］。张巧灵等指出，将三维动画应用于解剖学教学，能带给学生强烈的视觉冲击，提高学习的直观性与科学性［7］。三维动画能够刺激学习者的视觉、听觉和思维系统，学生在观察动画的过程中，可以充分调动各个感官，实现多感官的协调配合。三维动画正是利用了这种多重感官刺激，将文本、图片、声音以综合的形式输出，实现图文并茂、学练结合。特别是在实验教学环节，借助形象真实、生动易懂的三维动画视频，学生可以更加高效地掌握生命科学研究方法和实验技能，从而进一步提升他们在实验课中“做中学”的积极性与高效性。以人教版高中生物学必修1第6章第1节“细胞的增殖”的实验教学为例。首先，教师讲解有丝分裂实验原理，突出重难点知识，帮助学生建立清晰的理论框架。其次，进行实验过程演示与指导，注重实验操作细节与显微镜下有丝分裂不同阶段染色体变化特征的观察，培养学生的动手操作能力和判断能力。再次，播放三维动画，展示有丝分裂过程中核仁、核膜、染色体、纺锤体的动态变化过程，还原微观实验的真实细节。最后，发起小组讨论，组织学生将实验观察结果与动画模拟进行比较，分析异同、查找原因并反思不足，实现微观与宏观呼应、理论与实验互融的教学效果，达成“在做中学，在学中思”的教学目标（如图2）。三维动画色彩丰富、视觉效果灵动，将其融入实验教学可增强教学的立体感和空间感，对学生的学习兴趣、记忆力、理解能力、交流能力和分析能力等方面具有积极影响。三维动画能够揭示外部现象与内在规律之间的逻辑联系，帮助学生透过现象看本质，突破思维局限，提升思维的广度和深度，培养思维的活跃性、发散性。因此，教师应充分利用三维动画的优势，引导学生多感官参与教学全过程，让学生“会学、乐学”，激发其探究欲望，提高其深度学习能力。三、呈现逼真效果，培养学生想象力用三维动画呈现的教学内容具有生动的立体效果和空间感，有助于教师创设形象、逼真的学习场景，使学生在观察过程中仿佛身临其境，从而更好地理解晦涩难懂的知识。借助三维动画展示教学内容，不仅能够呈现静态与动态相结合的三维效果，还能将抽象的理论转化为直观、生动的画面［8］。三维动画能够将复杂的理论知识以直观的方式展现，使知识从文字转变为动画，将传统的静态文字知识转化为富有表现力的动态内容，能够激发学生的想象力和创造力，打破学生思维的局限，培养他们对生物学等科学的兴趣。以人教版高中生物学必修2第3章第4节“基因通常是有遗传效应的DNA片段”的互动教学设计为例。在学习单细胞基因测序技术，如“CRISPR-Cas9基因编辑技术”时，教师可以利用逼真的三维动画演示“Cas9蛋白切割→sgRNA导向→DNA特定靶点切割→DNA基因修饰”的动态过程，使学生理解复杂的基因编辑技术，熟悉图形渲染、三维建模、人机交互操作和实验结果自动分析等流程（如图3）。教师可以让学生根据自身兴趣，利用三维动画进行学习与互动，在虚拟场景中充分发挥想象力，突破思维局限，从而落实指向因材施教和学生个性化发展的沉浸式教学。三维动画所创造的沉浸式学习环境，不仅能使学生轻松地掌握学科知识，还能培养学生敢于想象、大胆创新、开拓进取的精神，使其形成正确的科学观和世界观。教师应灵活运用三维动画，创设生动的教学情境，努力实现培养学生科学素养、创新能力的教学目标。结语以三维动画为代表的“互联网+教育”，成为培养新时代高素质人才的关键手段。21世纪以来，国家间的竞争日趋激烈，其核心是人才的竞争。要在这一竞争中抢占先机，占据有利位置，必须培养符合新时代发展需求的高科技创新人才。近年来，我国积极推动“互联网+教育”发展，通过多种方式完善信息技术，不断探索教育信息化的实施途径、呈现方式，持续推进信息技术与教育教学的深度融合，提升教育质量，促进教育公平。我国始终坚持用现代化信息技术和文明成果丰富人民认知，推进教育观念、教育内容、教育方法、教育手段等与时俱进，逐步提升教育竞争力，努力培养适应国际竞争和社会需求的新型劳动者与高素质人才。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》明确指出，当今世界科技进步日新月异，网络新媒体迅速普及，人们生活、学习、工作方式不断改变，儿童青少年成长环境深刻变化，生物学学科核心素养面临新的标准和挑战。生物课程教学要紧跟时代步伐，将科技进步的新成果、新技术融入教学设计与实践，充分体现时代性和创新性。把三维动画引入生物教学领域，无疑是对生物教学方式的改革与创新。随着信息技术的不断进步，生物学三维动画教学资源日益丰富，展现出关注自然环境