基于智慧课堂建设中学生物学数字化实验室

沈续丰

(淮南市谢家集区第六中学 安徽淮南 232046)

教育部颁布的《义务教育生物学课程标准(2022年版)》(以下简称《课程标准》)中的课程目标模块提出了探究实践的核心素养内涵,其对探究实践的诠释是源于对自然界的好奇心、求知欲和现实需求,解决真实情境中的问题或完成实践项目的能力与品格。《课程标准》指出通过生物学课程的学习,学生能够从生物学现象中发现和提出问题、收集和分析证据、得出结论;综合运用生物学和其他学科的知识、方法与实验操作技能。

为了实现这一目标,教师需要采用多样的教学形式,结合学校的各种教学资源,为学生的发展提供各种机会。其中,实验室资源为开展探究实践活动提供技术和场地支持,若将智慧课堂与初中生物学实验室结合,能进一步促进初中生物学实验室的数字化发展。

1 智慧课堂的特点

随着科学技术的进步,特别是人工智能的发展,各类先进的智能教学技术在学校教育教学中获得广泛应用,使信息技术和学校教育再度结合,促进教师的教和学生的学。

新一代智慧课堂是通过智慧教室超脑搭载的一系列在人工智能领域的先进技术,将讯飞智慧窗与讯飞智能学生机紧密联系在一起,通过一块大屏和一块小屏的对话,进一步为课堂教学服务。智慧教室的安装便于教师利用科大讯飞提供的软件和硬件,科学合理地安排课堂教学,能有效提高课堂教学中教师的主导作用和学生的学习主体地位,为精准、互助和个性化的教学提供可能。

2 传统生物学实验室的不足

首先,在实验室管理方面,我国各地的中学生物学实验室还处于手工管理的阶段,实验室的各种登记表需要手工录入,如教学仪器明细账、药品明细账,实验室使用记录等。手工录入不仅工作量大,容易出错不易修改,而且在仪器药品破损需要从账目中作废时,会使账目凌乱、不美观。

其次,在实验教学方面,新课改下的许多生物学实验是开放性的实验,学生必须通过自己的亲身实践探索发现实验的目的和内容,达到实验要求。而在传统的生物学实验室中,学生很难在学校实验室中进行真正的开放性实验,教师也往往只是围绕教学计划进行生物学实验,围绕教材开展实验,缺乏开放性和创新性。

最后,在实验资源利用方面,生物学实验室是开展生物学实验教学的重要场所,能为日常实验操作提供场所和器材,有利于学生运用科学的方式解决生物学问题。现有实验室不仅要提供实验的硬件还要提供软件资源,而这对传统的生物学实验室而言是一种挑战。

3 基于智慧课堂的数字化生物学实验室的特点

3.1 具有一定的智能性

基于智慧课堂的数字化生物学实验室,由于配备相应的开发软件,实验室具备智能分析和识错功能,具有一定的智能性。在实验过程中,实验室设备能根据实验过程实时、智能地向学生传递信息,让学生及时对实验做出评估。

3.2 实现实验的开放性

基于智慧课堂的数字化生物学实验室既可以用于教师的演示实验,也可以用于学生的分组实验;可以用于实验的课堂教学,也可以用于学生的课外综合实践活动。因此,数字化实验室是一个开放的实验教学平台,其表现为时空、教学内容和教学方式上的开放性。

3.3 具备实验的共享性

以智慧课堂软、硬件为基础的数字化生物学实验室结合传统生物学实验和现代信息技术,将各种生物学实验操作智能化;利用网络技术实现资源的校内和校际共享,既节约人力成本也节约实验物力成本,从而实现了信息技术与理科实验教学的有效整合。

4 基于智慧课堂建设中学生物学数字化实验室的应用策略

信息技术已在学校教学中获得较高程度的普及和应用,特别是近几年来,以科大讯飞为代表的智慧课堂普遍进入学校,广大学科教师已通过培训初步了解智慧课堂的优点和使用方法。智慧课堂的软硬件进入中学生物学实验室为实验室管理的变革提供了可能。

4.1 基于智慧课堂,建设数字化生物学实验室的管理资料

在生物学实验室的使用过程中,需要准备一系列的管理资料,使实验室的管理人员和使用人员可以按照制度操作,保证实验室的正常使用和管理。实验室管理的数字化,体现在通过智慧课堂的大屏下载相应的文字、图片、文档和电子表格,将与实验室管理有关的资料录入智慧课堂的大屏中,组建相关的文件夹,为管理制度的建立、完善和查阅等工作提供便利,并且智慧课堂具有网络化的特点,能对实验室进行实时管理和监控。

4.2 基于智慧课堂,建设数字化生物学实验室的资产账目

生物学实验室的正常使用需要提前准备仪器设备和药品,因此管理仪器设备和药品是实验室管理工作的重要环节之一。利用生物学实验室的智慧课堂大屏下载文字或数据处理的管理软件,建立仪器、药品等设备信息数据库,实现生物学实验室的资产账目数字化。

如在实验室管理软件录入药品仪器设备的基本信息后,利用软件的数字化编辑功能实时更新药品仪器设备数据,通过现场或网络预约的方式借还实验室中的设备等,利用软件实现设备的科学管理,提高实验室设备的使用效率,为顺利开展生物学实验提供保障。

4.3 基于智慧课堂,建设数字化生物学实验室的实验教学资源

4.3.1 基于智慧课堂,建设数字化生物学实验室虚拟实验资源

讯飞智慧课堂教学软件的操作界面中有各种实验资源,其中包括各种生物学教学同步实验资源和虚拟实验室等。实验内容紧扣《课程标准》和当下生物学课堂实验教学的要求。生物学实验内容涵盖初中阶段的“生物体的结构层次”“生物的多样性”“生物与环境”“植物的生活”“人体生理与健康”“遗传与进化”和“生物学与社会·跨学科实践”等七大知识点。实验的内容形式包括教材中的学生分组实验、教师演示型实验以及学生的探究活动和观察调查等。相比于传统实验,虚拟仿真实验能将实验中抽象、虚拟的现象直观呈现,便于学生理解,加深学生认识。同时,虚拟实验室可以无限制地重复实验,学生可操作性增强,提高实验的利用效率。

讯飞智慧课堂中带有NOBOOK 生物学软件(以下简称“NB 生物学实验室”),其中的虚拟实验资源是利用信息技术的虚拟仿真技术编程开发而成的跨平台、跨学科使用工具。实验者可利用多媒体进行操作,在编程软件设定的虚拟现实环境中完成各种事先编排好的实验操作过程,按照一定的逻辑分析得到实验结论,为实验操作者和观看者提供真实的实验场景和操作体验。

4.3.2 基于智慧课堂,建设数字化生物学实验室微课资源

传统的生物学实验教学大多由教师讲解起始,教师先细致讲解实验的内容、目的、器材和步骤等,待学生基本理解后再引导学生观看教师演示实验或自主动手实验。由于学生的领悟和实操能力具有差异,不少学生对实验的理解可能存在偏差,甚至在实验操作后预期的操作技能并没有提升。因此,尽管在实验课中引入了虚拟实验设备,让学生可以利用虚拟实验进行模拟操作,但对于部分领悟能力较差的学生而言这还不够。基于班级部分群体的理解能力,在中学生物学实验教学中引入实验微课资源,应最大限度地提高生物学实验对学生理解生物学基本概念和基础知识的助力。

微课实验教学和虚拟实验一样,是一种开放性的实验教学方式,但要求教师针对实验教学内容制作教学视频,生物学实验微视频应包括实验的知识点、目标、重难点、实验的准备材料和步骤等基本内容。

智慧课堂的AI 录课为教师制作生物学实验微课提供技术和软件支持,教师可在课堂或课余时间利用微课呈现实验的操作步骤和操作过程;如果条件允许,部分没有安全隐患的实验,教师可以安排学生完成微课录制。

通过准备生物学实验微课资源,利用实验微课教学,可以让学生在课前、课中、课后反复学习实验教学中不理解的信息,提高学生对生物学实验的理解能力和生物学学习兴趣。

4.3.3 基于智慧课堂,建设数字化生物学实验室在线教学资源

讯飞智慧课堂和安徽基础教育应用资源平台(皖教云)互通,学校可统一安排学生注册安徽基础教育应用平台(皖教云)账号,利用讯飞智慧课堂进入个人中心。在生物学实验教学过程中,为学生配备了相应的学习平板,借助智慧课堂的软硬件设施,实现教师和学生、学生和学生、学生和智慧课堂软件间的交流互动。教师完成相应生物学实验学习内容的推送,学生在平板端进行实验内容的学习和确认。利用智慧课堂实时反馈的特性,教师能了解班级学生的学习状况,收集并分析相应数据,开展动态的个性化学情分析,针对学生特质推送个性化的实验资源,进行个性化辅导,实现生物学实验的精准教学。

同时,讯飞智慧课堂、学科网和科大讯飞的云资源,以及校本资源共同构建了科大讯飞在线教学资源,其中的实验资源也比较丰富,为师生教学提供大量资源,使教师获得更为丰富的生物学实验教学资源,使学生能体验和探究更多的生物学谜团。

4.4 基于智慧课堂,建设数字化生物学实验室使用过程性资料

生物学实验室管理过程中会面临各种检查,需要准备相应的使用过程性资料。依赖于原始的手工记录誊写工作量较大且易于丢失,而生物学实验室装备智慧课堂后,利用其文字处理和电子表格等软件,可将实验室工作计划、工作总结和使用记录等过程性资料数字化。在智慧课堂大屏的存储器中创建过程性检查文件夹,既便于查找和编辑资料,也助于应对各种有关实验室的教学检查。

在人工智能的大环境下,生物学教师可以依托智慧课堂建设中学生物学数字实验室,创建智慧型的生物学实验课堂,将自己打造为与时俱进的生物学实验室管理员,努力为学生创造智慧型的学习资源和场所,促进学生探究实践核心素养的发展。