智能点阵工具支撑下的生物学实验教学研究

随着教学改革的不断推进，社会对中学生科学素养的培养提出了更高的要求。《义务教育生物学课程标准（2022年版）》明确指出，应利用数字化、多媒体、互联网及人工智能技术，为学生提供适应信息时代需求的新型学习模式和学习资源[1]。在当前教育改革的大背景下，中学生物学实验课程在培养学生科学思维和动手能力方面扮演着至关重要的角色。然而，当前实验教学仍存在不足，如学生动手能力不强、对实验步骤理解不准确、教学方法缺乏灵活性、评价方式单一，严重制约了教学效果的提升。笔者以“探究酒精对水蚤心率的影响”实验为例，引入智能点阵工具，对实验导学案和实验报告单进行优化设计，并借助技术工具评估实验课堂效果。笔者尝试将智能点阵技术应用于生物学实验教学中，探索智能科技支持下的生物学实验教学模式，意在为科学类学科的教育教学提供新的视角和方法，期望为中学生物学实验教学提供切实可行的改进策略，进而推动学生科学素养的全面提升。

一、生物学实验课教学存在的问题与不足

实验教学是生物学教学过程中非常重要的组成部分。学生只有在掌握基本事实和原理的基础上才能培养综合能力。但在现实的生物学实验教学中还存在如下问题。

（一）学生动手能力不强，对实验步骤把握不准确

笔者调查发现，一些学生之所以在实验操作过程中表现不佳，主要原因在于：实验教师并没有对实验器材的基本使用方法进行讲解，导致学生在实验操作过程中出现使用器材不规范，观察现象和收集数据不准确的问题；学生在参与实验课程学习之前，不能准确把握实验的目的，机械按照操作流程开展实验，缺乏思考，课堂上教师提出的问题又与实验操作没有紧密联系，导致学生实验缺乏逻辑，流于形式。

（二）限于资源展示，学生参与度不高

一些教师开展生物学实验教学时，担心课堂上实验现象不明显，数据收集不精准，往往采用播放录制视频的方式，反复带领学生观看。这种做法优点在于：播放的视频是教师精心选择的，实验现象明显，误差较小。但由于学生没有真实体验，难以锻炼科学思维、实验探究的能力。同时，由于观看方法陈旧单一，参与式实验任务有限，学生的学习仅停留在单向输入的层面，没有输出，导致课堂缺乏参与度，效果不佳。

（三）评价方式单一，缺乏诊断、改进与激励

教学评价在教学中主要起反馈作用，它是教学手段而不是教学目的。实验评价不仅支配着教师采用何种教学模式、教学方法，也制约着学生的实验动机、实验态度和实验过程中采取何种策略。目前，教师大多采用书面形式评价学生，虽然它简便、省时，但是其局限性也显而易见。用传统的纸笔方式记录不能全面反映学生的能力水平和实验态度、习惯，造成学生做与不做实验得到的评价差异不大。考核方式单一，不能及时有效地记录学生实验操作的过程和实验课堂的参与度，导致纸笔方式评价缺乏过程性诊断，难以发现实验过程中的问题，缺少对学生的激励措施。

生物学教师应优化实验教学，改进教学方式，分析智能技术对初中生物学教学改革的影响，充分应用信息技术探索提高生物学实验教学质量的有效路径。

二、智能点阵技术支撑下的实验教学设计与实施

（一）研究设计与准备

1.实验课内容的整体设计

临近初中生物学学业水平考试时间，学生既需要在知识方面查漏补缺，又需要进一步提升生物学核心素养。当然，学生学习生物学的兴趣也需要教师激活和点燃。完美兼顾并满足学生学业需求，是单元复习设计的出发点和目标。除合理恰当选择教学方法、设计教学内容、组织教学环节外，教师还应努力为学生创建开放的学习环境。针对本单元的教学，笔者借助生物学实验室、点阵数码工具等，聚焦学生的疑难问题，以学定教，激发学生学习兴趣，提升学生科学探究能力，促进解题能力的提高。

“探究酒精对水蚤心率的影响”是初中生物学实验教学的重点内容。学生在实验操作过程中需要掌握科学探究的一般方法，在分析解决真实情境中的生物学问题的过程中初步形成科学探究能力。引导学生在收集处理实验数据的过程中养成严谨求实的科学态度，既提高实验操作能力，又培养科学思维的习惯和乐于探索生命奥秘的兴趣。笔者将智能点阵工具与实验课程相结合，设计了单元复习课“探究酒精对水蚤心率的影响”教学方案，合计三课时。

第一课时：借助网络图片资源、视频资源、酒后伤亡统计数据等材料激发学生学习兴趣，发现问题——酗酒对人体有哪些危害？确定实验方案，以水蚤为例，设计探究实验：酒精对水蚤心率的影响。在不断讨论交流中完善实验设计，利用多媒体课件为学生生动形象地展示酗酒对人体的伤害。

第二课时：生物学实验室内，以小组为单位开展科学探究实验。实验材料：显微镜、水蚤、不同浓度酒精溶液、载玻片、盖玻片等。小组充分合作进行实验观察，课堂上用点阵学案在线收集并统计全班实验数据。在点阵学案的帮助下，学生快速精准处理实验数据，高效完成教学任务。

第三课时：以“探究酒精对水蚤心率的影响”实验为背景，开展科学探究专题复习。笔者带领学生梳理科学探究问题的解决方法，运用智能手写设备实时在多媒体大屏上输出学生学习内容，及时进行点评，并让学生互评，了解他们在课堂上对知识的掌握情况。学生利用智能工具的书写功能整理第二课时中收集的数据，并绘制不同酒精浓度下水蚤心率变化曲线。在全班范围内开展展示与交流活动，引导学生归纳总结酗酒对人体的危害，认同保持健康生活方式的重要性。

2.智能技术的选择与应用分析

点阵笔是一种基于光学点阵技术的新型智能输入工具。它支持教师或者学生在印有点阵码的纸张上书写，借由点阵笔前端的摄像头捕捉笔尖的运动轨迹，并利用压力传感器采集笔迹坐标、笔画顺序等数据[2]。这些数据被即时存储并传输至后台服务器。服务器接收了这些信息后实时反馈给多媒体终端，实时在屏幕上呈现笔迹信息，实现对数据统计分析结果的反馈，这种虚实同步的反馈有利于师生及时高效互动[3]。教师借助点阵笔这款互动工具，可以在课上、课下及时查看每个学生的测验、作业等书写过程，用不同颜色的笔迹对学生的作答进行批注和修改，为学生标注出重难点、易错点等内容，也可以发起随堂测验，让学生在点阵答题卡上提交答案，并利用点阵笔课堂互动系统即时统计和反馈[4]。

点阵笔是一款解决“屏幕过度依赖”问题的信息技术替代工具，其应用可以实现智能自然嵌入，让教师及时了解每位学生的学习进度和过程，从而加强过程性指导，为解决生物学实验教学中的问题提供了新的可能性。教师使用这一工具可以及时收集每个学生的实验信息，及时发现班级每个学生在实验过程中暴露出的薄弱点和易错点，并开展重难点精讲和易错点解析等，提升对学生指导的及时性，关注到每位学生并即时反馈，辅助实验教学。笔者采用点阵笔及其相应的互动课堂软件，辅助开展生物学实验教学，为提升学生的动手能力、生物学科素养，提供创新解决方案和教学案例。

（二）智能技术支撑下实验教学的研究与实施

1.点阵工具支撑生物学实验学案设计，为规范实验步骤提供有力技术支撑

在点阵数码工具支持下，学生在点阵学案上完成书写内容，整个书写的过程被实时投影到多媒体大屏上。笔者用这种方式及时了解学生的学习效果，呈现他们的学习成果。以实时更新的数字大屏为媒介，学生相互借鉴学习，提高了课堂学习效率和参与度。笔者在授课过程中根据实际需要单独讲评，或用对比观察的方式引发全班讨论。在收集数据的过程中，教师能够快速掌握每位学生的学习情况，对于实验操作过程中出现问题的学生则可查看点阵学案的书写过程以精准定位到人，对实验操作的具体过程和方法进行针对性指导。整个教学过程中，教师灵活运用点阵笔将数字化教学手段与传统实验教学相融合，强化了实验操作，让复杂的、单一的课堂变得简单、高效和智能。图1所示为实时互动场景。

2.借助点阵工具高效完成实验报告单，促进学生收集实验数据并有效应用

收集不同浓度酒精溶液对水蚤心率的影响数据难度很大。学生需要分别计时计数水蚤在酒精4种不同浓度下的心率变化。同时，为保证实验数据的准确性，学生需要在每种浓度下测量5次，最终汇总全班数据。样本量大，时间有限，如何突破难题？点阵实验报告单为我们提供了突破口。学生以小组为单位填写一份实验报告单，为保证实验数据的真实性，重复实验，记录同一浓度下5次实验的真实数据。全班20个小组利用点阵笔及时传输到教师端完成数据收集任务。全部4种浓度数据收集后，学生将上传的同一浓度的全部数据收集起来，取其平均值。如此重复共操作5次，整理全班数据，完成在4种不同酒精浓度条件下水蚤心率变化的实验数据汇总表的填写任务。

过往操作实验为节约时间，避免实验数据收集之烦琐和分析的不精准，不少教师以视频演示来代替动手实验操作，认为学生反复观看也可以提高科学思维能力和实验探究能力。实则不然。笔者优化实验后，课堂上收集到了丰富的数据，这时教师操作的核心在于是否具备对这些数据进行理解和批判性地评估统计结果，并作决策采取行动[5]。点阵实验报告单的使用，将原来凌乱分散的书写笔迹清晰地呈现出来，快速在课堂上集中呈现，支持整体统计测算，实现了实验数据的高效反馈。

3.利用点阵工具优化实验教学效果评估，加强过程性评价激励学生改进

生物学实验教学评价具有诊断、导向、调节、激励等功能。以往教师开展实验评价，以实验报告、实验考试等作为终结性评价，在时间、空间上有很大的局限性。学生在操作科学探究类实验的过程中，对于数据和现象的处理往往比较粗糙，不够精准，很多仅限于收集数据。其实，在技术支持下以柱状图或折线图表征实验现象的趋势更有利于学生理解科学探究的实验结论。

基于以上考虑，笔者在第三课时的点阵学案中设计了坐标轴，巧妙地利用点阵笔，将上节课得出的实验数据和教师课下获取的清水对照实验数据进行汇总，让学生利用点阵笔在自己的学案上绘制出“酒精对水蚤心率的影响”趋势图。每位学生绘制的曲线直接呈现于大屏之上，直观又具体。学生将零散的数据集中到坐标系中，分析实验数据，得出实验结论。整个数据分析的过程中，学生将数学思维、点阵笔设备及科学精神相融合，真正锻炼了科学思维能力。授课过程中，笔者实时针对不同学生的作答情况进行针对性诊断和指导，极大地提高学生的学习积极性。

三、智能点阵工具应用的反思与建议

实践表明，点阵笔的应用可以改变传统的课堂教学，能够促进信息技术与学科实验教学的有效融合，优化了教学模式与教学方法。笔者提出如下两点意见。

（一）提升技术流畅度优化实验教学

智能点阵工具的应用为课堂教学提供了良好的交互平台与协作环境，有利于教师高效传递教学内容，为学生提供丰富的互动学习资源，也有利于创设高阶学习活动需要的支持环境与学习支架，改善了传统实验教学中学生动手能力不强、实验步骤把握不准确的状况。新工具的应用实现了精准甄别学生个体与班级群体的学习状况，为教师及时调整课堂教学进程提供数据支撑。但是实践中也发现，技术操作的流畅度仍需提升。课堂实时检测程序与学案展示页面存在切换不流畅的瑕疵，建议后续进行技术升级，教师在教学中也要及时做好工具的维护与更新等工作。

（二）以长效视角建设课程资源支撑实验教学

智能工具的应用重塑了实验课的教学模式。真实的实验体验激发了学生的学习兴趣和求知欲，提高了学生的课堂参与度，体现了学生的主体地位，使课堂真正变成学生获得知识和能力的场所。智能工具支撑实验课教学，实现了实验数据的精准收集和分析。点阵数码工具作为认知工具，用以提高学生学习的参与度，促进了学生互动，便于进行信息交换、信息共享，及时获得教师的评价与反馈及个性化辅导。当然，点阵学案设计较为简单，但常态处理批量印制方面对耗材要求较高，后续仍需探索更加经济适用的方式。

教育数字化有效地推动了教育评价的变革。未来教育评价也必将实现从传统的纸笔评价转向数字化评价。点阵数码工具的持续应用符合智能化数据采集、自动化数据的分析和可视化数据呈现等技术赋能评价的发展趋势。教师利用点阵笔等信息技术优化初中生物学实验教学，还需要正确把握信息技术与生物学实验教学的关系。信息技术只是辅助实验教学的工具，它要为实验教学的目标和内容服务。在应用相关设备过程中，学生良好的体验和效果才是最好的反馈评价，只有适时适当地应用技术，才能切实促进生物学实验教学有效开展。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.义务教育生物学课程标准：2022年版[S].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 张晓梅，胡钦太，田雪松，等.智慧课堂教学新形态：纸笔数字书写技术教学应用[J].现代远程教育研究，2020（1）：77-83.

[3] 连军，王晓鹏，郭丽丽.数码点阵技术支持下的互动课堂系统在高中物理教学中的实践应用[J].中国现代教育装备， 2017（22）：19-22.

[4] 张晓梅，胡钦太，田雪松，等. 智慧课堂教学新形态：纸笔数字书写技术教学应用[J].现代远程教育研究，2020（1）：77-83.

[5] 王小明.如何有效实施基于大数据的精准教学[J].中小学数字化教学，2024（1）：70-74.

（作者王振宏系北京市房山区房山第二中学教师；李晓庆系北京师范大学未来教育高精尖创新中心学科教育实验室主任；汪丹系北京师范大学博士；徐扬系北京教育学院数学与科学教育学院生物教研室主任）

责任编辑：祝元志