数字信息化赋能科学家精神培育的生物学教学

［摘要］ 数字信息化为教育赋能提供了新的契机。研究以中学生物学教学为例，以科学家精神的培养为切入点，利用数字信息化创新教学策略：沉浸体验神奇现象，激发好奇探究欲望；技术引入科学争论，涵育质疑审辩思维；介入数字模拟实验，培养循证推理能力；延伸科技应用思考，增强社会责任意识；重现科学探究历程，领悟坚持创新精神。

［关键词］ 科学家精神；数字信息化；中学生物学；循证推理

“创新、求实、奉献、育人”的新时代科学家精神，是以袁隆平为代表的广大科技工作者在长期实践中形成的优秀品质和行为规范。创新是核心，求实是根本，奉献是本质，育人是根本，几个方面紧密联系，共同构成了新时代科学家精神的核心内容。科学家精神不仅包括严谨求实、勇于探索、勤于创新等科学精神方面的内容，还包括求真务实、严谨治学等科学态度方面的内容，以及淡泊名利、甘于奉献等高尚品格方面的内容。在数字信息化时代，各类先进技术介导下的翻转教学、沉浸学习和诊断评价，为课堂的有效教学提供了更多可能。因而，充分利用数字信息技术，赋能生物学教学中培育科学家精神的实践探索，具有重要意义。以数字信息化技术为媒介，教师可以深度挖掘教材中的科学家精神内涵，通过沉浸式学习体验、具象化呈现和多样化评价等途径创新教学策略。基于此，笔者在实践尝试中提炼出数字信息化赋能科学家精神培育的具体教学策略。

一、沉浸体验神奇现象，激发好奇探究欲望

培养学生的好奇心和求知欲，是培养学生科学家精神的重要基础。在教学中，教师要善于利用数字信息化手段创设直观形象、生动有趣的情境，让学生沉浸式体验科学世界中的神奇现象。具体而言，可通过虚拟现实或地图导览的场景体验，给学生展示神奇的生命科学现象，并通过追问、探究、反思等方式引导学生深化对这些现象的理解和领悟。教师要善于激发学生的好奇心和求知欲，引导学生在已有知识和经验的基础上，通过自主学习和合作学习等方式，经历提出问题、猜想与假设、制订计划与设计实验、实施实验与观察记录、分析与解释数据等环节，实现对科学家精神的深层次理解和具身化感悟。

例如，在“染色体的结构和功能”教学中，教师可利用数字信息化手段，创设“探究染色体结构与功能关系”的教学情境。首先通过展示3种不同类型染色体的照片，引导学生了解不同类型染色体的结构特点，进而引出“染色单体”的概念。再利用计算机动画技术呈现染色体的结构和功能示意图，让学生直观感受染色体的结构特点，并提出问题：染色体如何携带遗传信息，如何传递遗传信息？接着，利用多媒体技术播放细胞分裂和基因重组的动画视频，让学生沉浸式体验“染色单体”在细胞分裂和基因重组中的作用。

基于上述教学情境，教师引导学生通过小组合作探究的方式，收集相关实验数据和信息，并尝试运用统计图表分析数据。比如，利用数字信息化手段设置“观察细胞分裂过程中染色单体的变化”实验情境，引导学生分组完成以下任务：统计染色体数目和染色单体个数；绘制出染色体数目和染色单体个数随时间变化曲线图；分析染色单体个数和染色体数目随时间变化曲线图。通过该教学情境的设置，学生在教师的引导下经历发现问题、提出假设、制订计划与设计实验、实施实验与观察记录、分析与解释数据等环节，经历探究过程中的提出问题、猜想与假设等环节。在这个过程中，学生能够发现问题，尝试提出解决问题的方法，并学会理性地分析数据、科学地解释数据。

二、技术引入科学争论，涵育质疑审辩思维

质疑是创新的先导，是发现问题、解决问题的基础。质疑是指在好奇心的驱使下，对已有认知和经验的怀疑与否定，其目的在于探求新知、寻求真理。审辩是指在好奇心的驱使下，对所提出的问题进行理性思考，以找到合理的解释。数字信息化时代，教师应当充分利用数字信息化技术手段，以问题引导学生开展科学争论，发展学生的审辩思维。例如，可以采用Flash动画制作的方式，融入科技论文重点段落节选，并配音介绍重现科学家探究“DNA是蛋白质还是遗传物质”的争论。这场争论促使广大科学家通过大量科学实验，在“DNA是主要的遗传物质”这一结论上最终达成共识。这样看，数字化技术以其直观、形象的表达形式，能够带领学生理解科学的要义，促进深度思考，发展审辩思维。

此外，采用数字信息化技术引入科学争论，也有助于学生深刻理解科学审辩的思维逻辑，并培养他们对学科内容的结构化统整。以学习“细胞的结构和功能”为例，学生发现在细胞内部存在一种能保持细胞结构稳定的物质——蛋白质，它与细胞内其他物质一起组成了细胞器。随着学习的深入，为了加深学生对蛋白质构成、结构与功能的认识，可以采用“人体蛋白质来源、构成及其具体功能”的医学科普视频，助力学生学习，植根其系统观念。再如，在学习“动物细胞有丝分裂”时，学生发现两种不同类型的染色体发生了分离现象——减数分裂时染色体数目减半、有丝分裂时染色体数目不变。在此基础上，教师经由微观生物学世界的模拟视频演示，引导学生思考——为何减数分裂的染色体数目减半，并让学生依据视频演示过程，标注影响数量变化的关键时间，然后采用“证据—推理—主张”的论证式写作进行具体阐释。

三、介入数字模拟实验，培养循证推理能力

循证推理能力是当前国际教育改革的热点，它强调学生应具备科学探究能力，并具備批判性思维和科学思维能力。教师可以引导学生在实验证据、逻辑推理和理性思考等方面重点发力，从而形成对科学探究过程的深入认识，养成实事求是、严谨治学的科学态度。数字模拟实验，是指以数字化技术为基础，通过计算机模拟现实实验过程中的某些环节，借助计算机强大的计算能力，按照预先设计好的程序对实验过程中的各种因素进行自动控制，并得出正确结论的一种新型实验形式。基于数字信息化技术的模拟实验，可以很好地培养循证推理能力。教师可以在课前利用数字信息化技术，将待探究的实验情境转化为数字模拟实验，引导学生在数字化模拟实验中进行自主探究。

以“探究叶绿体色素在不同条件下的含量”为例，教师可以先设计探究实验，要求每组学生独立完成实验。然后，教师在课前布置任务，让学生自主设计实验方案，具体包括：观察不同温度下叶绿体色素在细胞液中的含量；观察不同光照条件下叶绿体色素在细胞液中的含量；观察不同水分下叶绿体色素在细胞液中的含量。根据学生的实验方案，教师引导学生在线上模拟的实验系统中开展小组合作实验。为了达到预期的实验效果，可以分组进行观察、分析、比较和思考等实验环节。在“探究光照条件对叶绿体色素在细胞液中含量的影响”实验中，首先由小组成员通过设置不同光照条件的变量，采用数字软件模拟监测叶绿体色素在细胞液中的吸光度，再结合分析结果提出假设。这样，学生通过数字模拟实验的探究，进一步提升自身的推理能力，更加顺利地得出相应的研究结论。

四、延伸科技应用思考，增强社会责任意识

随着科学技术的发展，生物学科技成果在生产生活中发挥着越来越重要的作用，但一些涉及生命科学和生物技术的重大科研成果往往被公众所忽视。利用数字信息化手段，将一些前沿科技成果和科学方法引入课堂，引导学生从生命科学的角度看待科学技术的应用与发展，有助于增强学生在科技应用方面的社会责任意识。基于此，通过数字信息化手段将科技成果引入课堂就成为一种有效的教学手段。比如，教师可以借助“新视野”“希沃云课堂”等软件，将最新的前沿科技成果和科学方法以数字化的形式引入课堂，让学生在感受前沿科技魅力的同时，开阔视野，丰富体验，感受到科学家勇于探索、敢于创新的科学精神，并增强社会责任意识。

在“光合作用的原理”教学中，教师利用数字信息化手段，将最新研究成果引入课堂，让学生了解光合作用的本质和意义。例如，利用FineBI数字可视化软件，将光合作用过程中酶的催化过程用图形来呈现，并将结果与计算机模拟结果进行对比分析。在清晰的图像和动画中，学生可以直观地观察到酶的催化作用、能量转化过程，以及分子间的相互作用力。由此，学生能够加深对光合作用过程的认识。而在“酶的发现与应用”教学中，教师借助AutoDock软件将酶的分子对接过程进行可视化呈现，让学生了解酶发挥微观作用的基本过程，培养学生的结构与功能观。此外，教师还可以通过“希沃云课堂”软件将最新的科研成果引入课堂，引导学生从科学思维、科学方法、科学态度、社会责任等方面综合评价不同生命科学领域的研究成果，以激发学生学习生命科学的热情。

五、重现科学探究历程，领悟坚持创新精神

创新是科学发展的内在动力，科学家精神的核心是创新精神。培养学生的创新精神，既需要在实践中培养，也需要在理论研究中培育。新时代科学家精神要求科学家具备开放的胸怀和创新的意识，拥有坚持不懈的探究精神。数字化时代，虚拟现实、增强现实和混合现实等技术正深刻改变着人们的学习方式和生活方式。信息技术的不断发展为生物教学提供了更多的选择和可能。比如，在虚拟实验室中可以设置“生命起源”“光合作用”“拉马克观点的问世”“达尔文的航海旅行”“中性分子突变”等主题，采用三维动画的形式，让学生沉浸式体验生物进化的历程，从中感受生物进化的伟大和神奇。

具体来说，在“生命起源”主题中，笔者利用“希沃白板”平台创建生命起源的虚拟实验室，模拟地球早期生命诞生的过程。在虚拟实验室中，可以看到地球早期的环境条件，如原始大气、雷电、火山、岩浆等。通过对米勒学说中“原始汤”概念的信息技术复现，可以看到地球经历若干年变化生成氨基酸类的化学物质，这为构成原始的细胞提供了物质基础。同时，学生可以看到原始细胞的样子——它是由水和蛋白质组成的简单结构，在地球上四处游走。此外，也可以模拟原始细胞在地球上進化、分裂和死亡等过程，如原始细胞开始分裂成两个新细胞时会发生什么，等等。可以说，虚拟实验室不仅加深了学生对生命起源的认识，而且为学生提供了沉浸式体验的机会。并且，虚拟实验室还可以对虚拟实验进行二次开发，使其具有更多的拓展功能。比如，可将虚拟实验与信息技术结合起来，引入一些开放性问题，让学生以小组合作形式探究生命起源的奥秘。总之，虚拟实验室重现科学探究历程，让学生在虚拟世界中感受生命起源的神奇，体会科学家在发现生命现象背后的原因和过程时是如何运用科学方法与科学思维进行探究的，从而深刻领悟坚持不懈与实践创新的科学家精神。

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马香华   江苏省张家港市教师发展中心，高级教师。