基于数据探究理论的高中生物数字化学习探索与实践

　　“数字化学习”是一种在大数据环境下，以提高学生科学素养特别是数据素养为宗旨，以探究式教学为鲜明特征，以科学思想、科学方法特别是数据挖掘方法为核心的学习模式。它不仅把数字化工具、媒体、网络和软件等技术作为辅助教学的工具，而且强调要利用数字化技术建构一种新型的教学环境，以支持自主探索、多重交互、情境创设、合作学习、资源共享的学习方式。本着这样的理念，我们从必修课、选修课、特色课等多方面展开了“数字化生物学习”的实践研究。

一、数字化学习的应用

　　在人教版高中生物教材中，编者引入了大量的数字化研究方法，如种群生长曲线、基因频率及基因型频率的推演等。但我们让学生突破教材，选用各种多媒体辅助软件开展深度探究学习。比如，学生们用传感器测酶活性，用计算机绘制光合作用图线，用数码相机对植物固碳释氧量进行估算，用传感器研究填海区土壤生态与微生物的关系，用数码相机和几何画板研究动物生态识别，用红外测温仪研究植物体温调节，用数码照片估算灌木地上生物量，等等。

二、数字化学习的作用

　　1.帮助学生完成由形象到抽象的思维升华
　　生物学科有些内容比较抽象，看不到、摸不着，学生无法想象，无法在脑海中建立图景，妨碍了学生对生物规律的深入理解。
　　例如，叶绿体的功能与结构密切相关，因其亚显微结构较为抽象，我便和学生一起，将数码相机功能调至“微距”或“放大”后拍摄教材图片，然后转至电脑进行图片的编辑和处理，再制成更为清晰的放大的教学图片，弥补教材教学图片的不足。再如，在群落结构的教学中，学生用数码相机拍取熟知的校园或周边生物的水平结构和垂直结构，再通过PowerPoint播放图片，既有真实感，贴近生活，又与教学内容有效接轨。
　　一次课堂讨论时，学生对斑马的黑白条纹非常感兴趣，他们查阅文献，对文献中“种群识别、保护色、驱赶蚊蝇”等观点产生质疑，并提出自己的观点：斑马条纹是否可以控制体表温度？据此提出假设：黑白条纹如果可以降低温度，可能是因为在黑白条纹的上方，空气形成气压差，衍生小气流，因而降低体表温度以适应非洲炎热环境。于是，他们开始建立斑马条纹的物理模型；进而研究不同粗细黑白条纹瓶的控温效果；最后再建立黑白相间条纹产生空气对流的数学模型。学生经历了从生物现象到物理建模再到数学模型的思维递进升华（见图1）。
　　2.加速学生思维过程，提高教学质量
　　数字化研究方法能够把动态的数据实时地反映在计算机中，以便师生深入挖掘其数字内涵，加速从观察现象、建立模型到认识本质的思维过程，提高教学效果。在必修1“影响过氧化氢酶的活性因素”的教学中，我们借助氧气传感器，在电脑中同步记录下各种蔬菜、水果及动物肝脏提取液分解过氧化氢的速率随时间变化图像（见图2），对特殊点附上坐标值，让学生分析生物酶是通过降低化学反应活化能而起到催化作用。这对于高一学生是一个不小的挑战。学生对来自于生活、来自于自身的问题充满求知兴趣和探索欲望，理性的教学中洋溢着激情，兴奋的操作中突破了难点。
　　3.培养学生的问题意识和数据探究能力
　　古人云“工欲善其事，必先利其器”，有了数字化方法这个强大的工具和环境，学生的问题意识大大增强，总是希望能够借助它解决更多的问题。在“光合作用”的学习中，我们利用传感器测定金鱼藻光合作用强度（见图3）。
　　在此基础上，学生对探究不同单色光对光合作用强度的影响充满兴趣，提出能否验证植物体温变化规律、调节机制与光合作用的关系。他们上网查阅资料，没有发现相关的研究和结论，真是一项挑战。经过讨论，大家确定利用红外热像仪获得植物红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应，将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像（见图4）。热图像的不同颜色代表被测物体的不同温度。此外学生利用红外测温仪于夏季早、中、晚不同时段对同一植物体温进行连续观察，得出植物体温随时间变化曲线，从而发现光合作用强度与植物体温变化的规律。
　　4. 促使學生从指向性学习到跨界学习
　　教学中聚焦热点，关注前沿。从热门话题的导入、热点问题的辩论、网络信息的引入、生活问题的解决等方面探究生物跨学科融合的学习策略，让学生学以致用，提高学生的科技意识和应用意识。例如，学生通过观看《广州“蚊子工厂”周产2000万只“益蚊”》新闻报道，思考：科研人员没有选择城市住宅区，而是选择了一个小岛先行实验，为什么呢？其中的实验模型如何构建？为找到答案，学生必须研究该小岛——沙仔岛的综合情况，比如分析其地理位置、生态状况、物理环境等信息，然后才能做出如遗传漂变等综合分析。教师进而引导：要实现人工“益蚊”优先交配权，达到良好的控蚊效果，人工饲养的雄蚊应按什么比例、什么方式投放？需要考虑哪些因素？这都是跨界学习的深层次问题了。
　　总之，大数据时代已经来临，我们希望数字化的生物学习模式能够加强学生与生活、现代社会及科技发展的联系。无论学生未来从事怎样的工作，都能有良好的科学素养和数据素养，保有对科学、对数据的敏感和探索的热情。
　　（作者单位：深圳北京师范大学南山附属学校）
　　责任编辑：肖佳晓

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