智能點陣工具支撐下的生物學實驗教學研究

隨著教學改革的不斷推進，社會對中學生科學素養(yǎng)的培養(yǎng)提出了更高的要求?！读x務(wù)教育生物學課程標準（2022年版）》明確指出，應(yīng)利用數(shù)字化、多媒體、互聯(lián)網(wǎng)及人工智能技術(shù)，為學生提供適應(yīng)信息時代需求的新型學習模式和學習資源[1]。在當前教育改革的大背景下，中學生物學實驗課程在培養(yǎng)學生科學思維和動手能力方面扮演著至關(guān)重要的角色。然而，當前實驗教學仍存在不足，如學生動手能力不強、對實驗步驟理解不準確、教學方法缺乏靈活性、評價方式單一，嚴重制約了教學效果的提升。筆者以“探究酒精對水蚤心率的影響”實驗為例，引入智能點陣工具，對實驗導學案和實驗報告單進行優(yōu)化設(shè)計，并借助技術(shù)工具評估實驗課堂效果。筆者嘗試將智能點陣技術(shù)應(yīng)用于生物學實驗教學中，探索智能科技支持下的生物學實驗教學模式，意在為科學類學科的教育教學提供新的視角和方法，期望為中學生物學實驗教學提供切實可行的改進策略，進而推動學生科學素養(yǎng)的全面提升。一、生物學實驗課教學存在的問題與不足實驗教學是生物學教學過程中非常重要的組成部分。學生只有在掌握基本事實和原理的基礎(chǔ)上才能培養(yǎng)綜合能力。但在現(xiàn)實的生物學實驗教學中還存在如下問題。（一）學生動手能力不強，對實驗步驟把握不準確筆者調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一些學生之所以在實驗操作過程中表現(xiàn)不佳，主要原因在于：實驗教師并沒有對實驗器材的基本使用方法進行講解，導致學生在實驗操作過程中出現(xiàn)使用器材不規(guī)范，觀察現(xiàn)象和收集數(shù)據(jù)不準確的問題；學生在參與實驗課程學習之前，不能準確把握實驗的目的，機械按照操作流程開展實驗，缺乏思考，課堂上教師提出的問題又與實驗操作沒有緊密聯(lián)系，導致學生實驗缺乏邏輯，流于形式。（二）限于資源展示，學生參與度不高一些教師開展生物學實驗教學時，擔心課堂上實驗現(xiàn)象不明顯，數(shù)據(jù)收集不精準，往往采用播放錄制視頻的方式，反復(fù)帶領(lǐng)學生觀看。這種做法優(yōu)點在于：播放的視頻是教師精心選擇的，實驗現(xiàn)象明顯，誤差較小。但由于學生沒有真實體驗，難以鍛煉科學思維、實驗探究的能力。同時，由于觀看方法陳舊單一，參與式實驗任務(wù)有限，學生的學習僅停留在單向輸入的層面，沒有輸出，導致課堂缺乏參與度，效果不佳。（三）評價方式單一，缺乏診斷、改進與激勵教學評價在教學中主要起反饋作用，它是教學手段而不是教學目的。實驗評價不僅支配著教師采用何種教學模式、教學方法，也制約著學生的實驗動機、實驗態(tài)度和實驗過程中采取何種策略。目前，教師大多采用書面形式評價學生，雖然它簡便、省時，但是其局限性也顯而易見。用傳統(tǒng)的紙筆方式記錄不能全面反映學生的能力水平和實驗態(tài)度、習慣，造成學生做與不做實驗得到的評價差異不大?？己朔绞絾我?，不能及時有效地記錄學生實驗操作的過程和實驗課堂的參與度，導致紙筆方式評價缺乏過程性診斷，難以發(fā)現(xiàn)實驗過程中的問題，缺少對學生的激勵措施。生物學教師應(yīng)優(yōu)化實驗教學，改進教學方式，分析智能技術(shù)對初中生物學教學改革的影響，充分應(yīng)用信息技術(shù)探索提高生物學實驗教學質(zhì)量的有效路徑。二、智能點陣技術(shù)支撐下的實驗教學設(shè)計與實施（一）研究設(shè)計與準備1.實驗課內(nèi)容的整體設(shè)計臨近初中生物學學業(yè)水平考試時間，學生既需要在知識方面查漏補缺，又需要進一步提升生物學核心素養(yǎng)。當然，學生學習生物學的興趣也需要教師激活和點燃。完美兼顧并滿足學生學業(yè)需求，是單元復(fù)習設(shè)計的出發(fā)點和目標。除合理恰當選擇教學方法、設(shè)計教學內(nèi)容、組織教學環(huán)節(jié)外，教師還應(yīng)努力為學生創(chuàng)建開放的學習環(huán)境。針對本單元的教學，筆者借助生物學實驗室、點陣數(shù)碼工具等，聚焦學生的疑難問題，以學定教，激發(fā)學生學習興趣，提升學生科學探究能力，促進解題能力的提高。“探究酒精對水蚤心率的影響”是初中生物學實驗教學的重點內(nèi)容。學生在實驗操作過程中需要掌握科學探究的一般方法，在分析解決真實情境中的生物學問題的過程中初步形成科學探究能力。引導學生在收集處理實驗數(shù)據(jù)的過程中養(yǎng)成嚴謹求實的科學態(tài)度，既提高實驗操作能力，又培養(yǎng)科學思維的習慣和樂于探索生命奧秘的興趣。筆者將智能點陣工具與實驗課程相結(jié)合，設(shè)計了單元復(fù)習課“探究酒精對水蚤心率的影響”教學方案，合計三課時。第一課時：借助網(wǎng)絡(luò)圖片資源、視頻資源、酒后傷亡統(tǒng)計數(shù)據(jù)等材料激發(fā)學生學習興趣，發(fā)現(xiàn)問題——酗酒對人體有哪些危害？確定實驗方案，以水蚤為例，設(shè)計探究實驗：酒精對水蚤心率的影響。在不斷討論交流中完善實驗設(shè)計，利用多媒體課件為學生生動形象地展示酗酒對人體的傷害。第二課時：生物學實驗室內(nèi)，以小組為單位開展科學探究實驗。實驗材料：顯微鏡、水蚤、不同濃度酒精溶液、載玻片、蓋玻片等。小組充分合作進行實驗觀察，課堂上用點陣學案在線收集并統(tǒng)計全班實驗數(shù)據(jù)。在點陣學案的幫助下，學生快速精準處理實驗數(shù)據(jù)，高效完成教學任務(wù)。第三課時：以“探究酒精對水蚤心率的影響”實驗為背景，開展科學探究專題復(fù)習。筆者帶領(lǐng)學生梳理科學探究問題的解決方法，運用智能手寫設(shè)備實時在多媒體大屏上輸出學生學習內(nèi)容，及時進行點評，并讓學生互評，了解他們在課堂上對知識的掌握情況。學生利用智能工具的書寫功能整理第二課時中收集的數(shù)據(jù)，并繪制不同酒精濃度下水蚤心率變化曲線。在全班范圍內(nèi)開展展示與交流活動，引導學生歸納總結(jié)酗酒對人體的危害，認同保持健康生活方式的重要性。2.智能技術(shù)的選擇與應(yīng)用分析點陣筆是一種基于光學點陣技術(shù)的新型智能輸入工具。它支持教師或者學生在印有點陣碼的紙張上書寫，借由點陣筆前端的攝像頭捕捉筆尖的運動軌跡，并利用壓力傳感器采集筆跡坐標、筆畫順序等數(shù)據(jù)[2]。這些數(shù)據(jù)被即時存儲并傳輸至后臺服務(wù)器。服務(wù)器接收了這些信息后實時反饋給多媒體終端，實時在屏幕上呈現(xiàn)筆跡信息，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果的反饋，這種虛實同步的反饋有利于師生及時高效互動[3]。教師借助點陣筆這款互動工具，可以在課上、課下及時查看每個學生的測驗、作業(yè)等書寫過程，用不同顏色的筆跡對學生的作答進行批注和修改，為學生標注出重難點、易錯點等內(nèi)容，也可以發(fā)起隨堂測驗，讓學生在點陣答題卡上提交答案，并利用點陣筆課堂互動系統(tǒng)即時統(tǒng)計和反饋[4]。點陣筆是一款解決“屏幕過度依賴”問題的信息技術(shù)替代工具，其應(yīng)用可以實現(xiàn)智能自然嵌入，讓教師及時了解每位學生的學習進度和過程，從而加強過程性指導，為解決生物學實驗教學中的問題提供了新的可能性。教師使用這一工具可以及時收集每個學生的實驗信息，及時發(fā)現(xiàn)班級每個學生在實驗過程中暴露出的薄弱點和易錯點，并開展重難點精講和易錯點解析等，提升對學生指導的及時性，關(guān)注到每位學生并即時反饋，輔助實驗教學。筆者采用點陣筆及其相應(yīng)的互動課堂軟件，輔助開展生物學實驗教學，為提升學生的動手能力、生物學科素養(yǎng)，提供創(chuàng)新解決方案和教學案例。（二）智能技術(shù)支撐下實驗教學的研究與實施1.點陣工具支撐生物學實驗學案設(shè)計，為規(guī)范實驗步驟提供有力技術(shù)支撐在點陣數(shù)碼工具支持下，學生在點陣學案上完成書寫內(nèi)容，整個書寫的過程被實時投影到多媒體大屏上。筆者用這種方式及時了解學生的學習效果，呈現(xiàn)他們的學習成果。以實時更新的數(shù)字大屏為媒介，學生相互借鑒學習，提高了課堂學習效率和參與度。筆者在授課過程中根據(jù)實際需要單獨講評，或用對比觀察的方式引發(fā)全班討論。在收集數(shù)據(jù)的過程中，教師能夠快速掌握每位學生的學習情況，對于實驗操作過程中出現(xiàn)問題的學生則可查看點陣學案的書寫過程以精準定位到人，對實驗操作的具體過程和方法進行針對性指導。整個教學過程中，教師靈活運用點陣筆將數(shù)字化教學手段與傳統(tǒng)實驗教學相融合，強化了實驗操作，讓復(fù)雜的、單一的課堂變得簡單、高效和智能。圖1所示為實時互動場景。2.借助點陣工具高效完成實驗報告單，促進學生收集實驗數(shù)據(jù)并有效應(yīng)用收集不同濃度酒精溶液對水蚤心率的影響數(shù)據(jù)難度很大。學生需要分別計時計數(shù)水蚤在酒精4種不同濃度下的心率變化。同時，為保證實驗數(shù)據(jù)的準確性，學生需要在每種濃度下測量5次，最終匯總?cè)鄶?shù)據(jù)。樣本量大，時間有限，如何突破難題？點陣實驗報告單為我們提供了突破口。學生以小組為單位填寫一份實驗報告單，為保證實驗數(shù)據(jù)的真實性，重復(fù)實驗，記錄同一濃度下5次實驗的真實數(shù)據(jù)。全班20個小組利用點陣筆及時傳輸?shù)浇處煻送瓿蓴?shù)據(jù)收集任務(wù)。全部4種濃度數(shù)據(jù)收集后，學生將上傳的同一濃度的全部數(shù)據(jù)收集起來，取其平均值。如此重復(fù)共操作5次，整理全班數(shù)據(jù)，完成在4種不同酒精濃度條件下水蚤心率變化的實驗數(shù)據(jù)匯總表的填寫任務(wù)。過往操作實驗為節(jié)約時間，避免實驗數(shù)據(jù)收集之煩瑣和分析的不精準，不少教師以視頻演示來代替動手實驗操作，認為學生反復(fù)觀看也可以提高科學思維能力和實驗探究能力。實則不然。筆者優(yōu)化實驗后，課堂上收集到了豐富的數(shù)據(jù)，這時教師操作的核心在于是否具備對這些數(shù)據(jù)進行理解和批判性地評估統(tǒng)計結(jié)果，并作決策采取行動[5]。點陣實驗報告單的使用，將原來凌亂分散的書寫筆跡清晰地呈現(xiàn)出來，快速在課堂上集中呈現(xiàn)，支持整體統(tǒng)計測算，實現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)的高效反饋。3.利用點陣工具優(yōu)化實驗教學效果評估，加強過程性評價激勵學生改進生物學實驗教學評價具有診斷、導向、調(diào)節(jié)、激勵等功能。以往教師開展實驗評價，以實驗報告、實驗考試等作為終結(jié)性評價，在時間、空間上有很大的局限性。學生在操作科學探究類實驗的過程中，對于數(shù)據(jù)和現(xiàn)象的處理往往比較粗糙，不夠精準，很多僅限于收集數(shù)據(jù)。其實，在技術(shù)支持下以柱狀圖或折線圖表征實驗現(xiàn)象的趨勢更有利于學生理解科學探究的實驗結(jié)論?；谝陨峡紤]，筆者在第三課時的點陣學案中設(shè)計了坐標軸，巧妙地利用點陣筆，將上節(jié)課得出的實驗數(shù)據(jù)和教師課下獲取的清水對照實驗數(shù)據(jù)進行匯總，讓學生利用點陣筆在自己的學案上繪制出“酒精對水蚤心率的影響”趨勢圖。每位學生繪制的曲線直接呈現(xiàn)于大屏之上，直觀又具體。學生將零散的數(shù)據(jù)集中到坐標系中，分析實驗數(shù)據(jù)，得出實驗結(jié)論。整個數(shù)據(jù)分析的過程中，學生將數(shù)學思維、點陣筆設(shè)備及科學精神相融合，真正鍛煉了科學思維能力。授課過程中，筆者實時針對不同學生的作答情況進行針對性診斷和指導，極大地提高學生的學習積極性。三、智能點陣工具應(yīng)用的反思與建議實踐表明，點陣筆的應(yīng)用可以改變傳統(tǒng)的課堂教學，能夠促進信息技術(shù)與學科實驗教學的有效融合，優(yōu)化了教學模式與教學方法。筆者提出如下兩點意見。（一）提升技術(shù)流暢度優(yōu)化實驗教學智能點陣工具的應(yīng)用為課堂教學提供了良好的交互平臺與協(xié)作環(huán)境，有利于教師高效傳遞教學內(nèi)容，為學生提供豐富的互動學習資源，也有利于創(chuàng)設(shè)高階學習活動需要的支持環(huán)境與學習支架，改善了傳統(tǒng)實驗教學中學生動手能力不強、實驗步驟把握不準確的狀況。新工具的應(yīng)用實現(xiàn)了精準甄別學生個體與班級群體的學習狀況，為教師及時調(diào)整課堂教學進程提供數(shù)據(jù)支撐。但是實踐中也發(fā)現(xiàn)，技術(shù)操作的流暢度仍需提升。課堂實時檢測程序與學案展示頁面存在切換不流暢的瑕疵，建議后續(xù)進行技術(shù)升級，教師在教學中也要及時做好工具的維護與更新等工作。（二）以長效視角建設(shè)課程資源支撐實驗教學智能工具的應(yīng)用重塑了實驗課的教學模式。真實的實驗體驗激發(fā)了學生的學習興趣和求知欲，提高了學生的課堂參與度，體現(xiàn)了學生的主體地位，使課堂真正變成學生獲得知識和能力的場所。智能工具支撐實驗課教學，實現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)的精準收集和分析。點陣數(shù)碼工具作為認知工具，用以提高學生學習的參與度，促進了學生互動，便于進行信息交換、信息共享，及時獲得教師的評價與反饋及個性化輔導。當然，點陣學案設(shè)計較為簡單，但常態(tài)處理批量印制方面對耗材要求較高，后續(xù)仍需探索更