智能點(diǎn)陣工具支撐下的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究

隨著教學(xué)改革的不斷推進(jìn)，社會(huì)對(duì)中學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的培養(yǎng)提出了更高的要求?！读x務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（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(xué)生提供適應(yīng)信息時(shí)代需求的新型學(xué)習(xí)模式和學(xué)習(xí)資源[1]。在當(dāng)前教育改革的大背景下，中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課程在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維和動(dòng)手能力方面扮演著至關(guān)重要的角色。然而，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍存在不足，如學(xué)生動(dòng)手能力不強(qiáng)、對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟理解不準(zhǔn)確、教學(xué)方法缺乏靈活性、評(píng)價(jià)方式單一，嚴(yán)重制約了教學(xué)效果的提升。筆者以“探究酒精對(duì)水蚤心率的影響”實(shí)驗(yàn)為例，引入智能點(diǎn)陣工具，對(duì)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)學(xué)案和實(shí)驗(yàn)報(bào)告單進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并借助技術(shù)工具評(píng)估實(shí)驗(yàn)課堂效果。筆者嘗試將智能點(diǎn)陣技術(shù)應(yīng)用于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，探索智能科技支持下的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，意在為科學(xué)類學(xué)科的教育教學(xué)提供新的視角和方法，期望為中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供切實(shí)可行的改進(jìn)策略，進(jìn)而推動(dòng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的全面提升。一、生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課教學(xué)存在的問題與不足實(shí)驗(yàn)教學(xué)是生物學(xué)教學(xué)過程中非常重要的組成部分。學(xué)生只有在掌握基本事實(shí)和原理的基礎(chǔ)上才能培養(yǎng)綜合能力。但在現(xiàn)實(shí)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中還存在如下問題。（一）學(xué)生動(dòng)手能力不強(qiáng)，對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟把握不準(zhǔn)確筆者調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一些學(xué)生之所以在實(shí)驗(yàn)操作過程中表現(xiàn)不佳，主要原因在于：實(shí)驗(yàn)教師并沒有對(duì)實(shí)驗(yàn)器材的基本使用方法進(jìn)行講解，導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)確的問題；學(xué)生在參與實(shí)驗(yàn)課程學(xué)習(xí)之前，不能準(zhǔn)確把握實(shí)驗(yàn)的目的，機(jī)械按照操作流程開展實(shí)驗(yàn)，缺乏思考，課堂上教師提出的問題又與實(shí)驗(yàn)操作沒有緊密聯(lián)系，導(dǎo)致學(xué)生實(shí)驗(yàn)缺乏邏輯，流于形式。（二）限于資源展示，學(xué)生參與度不高一些教師開展生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，擔(dān)心課堂上實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，數(shù)據(jù)收集不精準(zhǔn)，往往采用播放錄制視頻的方式，反復(fù)帶領(lǐng)學(xué)生觀看。這種做法優(yōu)點(diǎn)在于：播放的視頻是教師精心選擇的，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯，誤差較小。但由于學(xué)生沒有真實(shí)體驗(yàn)，難以鍛煉科學(xué)思維、實(shí)驗(yàn)探究的能力。同時(shí)，由于觀看方法陳舊單一，參與式實(shí)驗(yàn)任務(wù)有限，學(xué)生的學(xué)習(xí)僅停留在單向輸入的層面，沒有輸出，導(dǎo)致課堂缺乏參與度，效果不佳。（三）評(píng)價(jià)方式單一，缺乏診斷、改進(jìn)與激勵(lì)教學(xué)評(píng)價(jià)在教學(xué)中主要起反饋?zhàn)饔?，它是教學(xué)手段而不是教學(xué)目的。實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)不僅支配著教師采用何種教學(xué)模式、教學(xué)方法，也制約著學(xué)生的實(shí)驗(yàn)動(dòng)機(jī)、實(shí)驗(yàn)態(tài)度和實(shí)驗(yàn)過程中采取何種策略。目前，教師大多采用書面形式評(píng)價(jià)學(xué)生，雖然它簡(jiǎn)便、省時(shí)，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(xué)生的能力水平和實(shí)驗(yàn)態(tài)度、習(xí)慣，造成學(xué)生做與不做實(shí)驗(yàn)得到的評(píng)價(jià)差異不大?？己朔绞絾我唬荒芗皶r(shí)有效地記錄學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作的過程和實(shí)驗(yàn)課堂的參與度，導(dǎo)致紙筆方式評(píng)價(jià)缺乏過程性診斷，難以發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中的問題，缺少對(duì)學(xué)生的激勵(lì)措施。生物學(xué)教師應(yīng)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，改進(jìn)教學(xué)方式，分析智能技術(shù)對(duì)初中生物學(xué)教學(xué)改革的影響，充分應(yīng)用信息技術(shù)探索提高生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的有效路徑。二、智能點(diǎn)陣技術(shù)支撐下的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施（一）研究設(shè)計(jì)與準(zhǔn)備1.實(shí)驗(yàn)課內(nèi)容的整體設(shè)計(jì)臨近初中生物學(xué)學(xué)業(yè)水平考試時(shí)間，學(xué)生既需要在知識(shí)方面查漏補(bǔ)缺，又需要進(jìn)一步提升生物學(xué)核心素養(yǎng)。當(dāng)然，學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)的興趣也需要教師激活和點(diǎn)燃。完美兼顧并滿足學(xué)生學(xué)業(yè)需求，是單元復(fù)習(xí)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)和目標(biāo)。除合理恰當(dāng)選擇教學(xué)方法、設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容、組織教學(xué)環(huán)節(jié)外，教師還應(yīng)努力為學(xué)生創(chuàng)建開放的學(xué)習(xí)環(huán)境。針對(duì)本單元的教學(xué)，筆者借助生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室、點(diǎn)陣數(shù)碼工具等，聚焦學(xué)生的疑難問題，以學(xué)定教，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生科學(xué)探究能力，促進(jìn)解題能力的提高?！疤骄烤凭珜?duì)水蚤心率的影響”是初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中需要掌握科學(xué)探究的一般方法，在分析解決真實(shí)情境中的生物學(xué)問題的過程中初步形成科學(xué)探究能力。引導(dǎo)學(xué)生在收集處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的過程中養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度，既提高實(shí)驗(yàn)操作能力，又培養(yǎng)科學(xué)思維的習(xí)慣和樂于探索生命奧秘的興趣。筆者將智能點(diǎn)陣工具與實(shí)驗(yàn)課程相結(jié)合，設(shè)計(jì)了單元復(fù)習(xí)課“探究酒精對(duì)水蚤心率的影響”教學(xué)方案，合計(jì)三課時(shí)。第一課時(shí)：借助網(wǎng)絡(luò)圖片資源、視頻資源、酒后傷亡統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等材料激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，發(fā)現(xiàn)問題——酗酒對(duì)人體有哪些危害？確定實(shí)驗(yàn)方案，以水蚤為例，設(shè)計(jì)探究實(shí)驗(yàn)：酒精對(duì)水蚤心率的影響。在不斷討論交流中完善實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，利用多媒體課件為學(xué)生生動(dòng)形象地展示酗酒對(duì)人體的傷害。第二課時(shí)：生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，以小組為單位開展科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀察，課堂上用點(diǎn)陣學(xué)案在線收集并統(tǒng)計(jì)全班實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在點(diǎn)陣學(xué)案的幫助下，學(xué)生快速精準(zhǔn)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，高效完成教學(xué)任務(wù)。第三課時(shí)：以“探究酒精對(duì)水蚤心率的影響”實(shí)驗(yàn)為背景，開展科學(xué)探究專題復(fù)習(xí)。筆者帶領(lǐng)學(xué)生梳理科學(xué)探究問題的解決方法，運(yùn)用智能手寫設(shè)備實(shí)時(shí)在多媒體大屏上輸出學(xué)生學(xué)習(xí)內(nèi)容，及時(shí)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，并讓學(xué)生互評(píng)，了解他們?cè)谡n堂上對(duì)知識(shí)的掌握情況。學(xué)生利用智能工具的書寫功能整理第二課時(shí)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(dòng)，引導(dǎo)學(xué)生歸納總結(jié)酗酒對(duì)人體的危害，認(rèn)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(diǎn)陣筆是一種基于光學(xué)點(diǎn)陣技術(shù)的新型智能輸入工具。它支持教師或者學(xué)生在印有點(diǎn)陣碼的紙張上書寫，借由點(diǎn)陣筆前端的攝像頭捕捉筆尖的運(yùn)動(dòng)軌跡，并利用壓力傳感器采集筆跡坐標(biāo)、筆畫順序等數(shù)據(jù)[2]。這些數(shù)據(jù)被即時(shí)存儲(chǔ)并傳輸至后臺(tái)服務(wù)器。服務(wù)器接收了這些信息后實(shí)時(shí)反饋給多媒體終端，實(shí)時(shí)在屏幕上呈現(xiàn)筆跡信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果的反饋，這種虛實(shí)同步的反饋有利于師生及時(shí)高效互動(dòng)[3]。教師借助點(diǎn)陣筆這款互動(dòng)工具，可以在課上、課下及時(shí)查看每個(gè)學(xué)生的測(cè)驗(yàn)、作業(yè)等書寫過程，用不同顏色的筆跡對(duì)學(xué)生的作答進(jìn)行批注和修改，為學(xué)生標(biāo)注出重難點(diǎn)、易錯(cuò)點(diǎn)等內(nèi)容，也可以發(fā)起隨堂測(cè)驗(yàn)，讓學(xué)生在點(diǎn)陣答題卡上提交答案，并利用點(diǎn)陣筆課堂互動(dòng)系統(tǒng)即時(shí)統(tǒng)計(jì)和反饋[4]。點(diǎn)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(shí)現(xiàn)智能自然嵌入，讓教師及時(shí)了解每位學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和過程，從而加強(qiáng)過程性指導(dǎo)，為解決生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問題提供了新的可能性。教師使用這一工具可以及時(shí)收集每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)信息，及時(shí)發(fā)現(xiàn)班級(jí)每個(gè)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中暴露出的薄弱點(diǎn)和易錯(cuò)點(diǎn)，并開展重難點(diǎn)精講和易錯(cuò)點(diǎn)解析等，提升對(duì)學(xué)生指導(dǎo)的及時(shí)性，關(guān)注到每位學(xué)生并即時(shí)反饋，輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)。筆者采用點(diǎn)陣筆及其相應(yīng)的互動(dòng)課堂軟件，輔助開展生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，為提升學(xué)生的動(dòng)手能力、生物學(xué)科素養(yǎng)，提供創(chuàng)新解決方案和教學(xué)案例。（二）智能技術(shù)支撐下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究與實(shí)施1.點(diǎn)陣工具支撐生物學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)案設(shè)計(jì)，為規(guī)范實(shí)驗(yàn)步驟提供有力技術(shù)支撐在點(diǎn)陣數(shù)碼工具支持下，學(xué)生在點(diǎn)陣學(xué)案上完成書寫內(nèi)容，整個(gè)書寫的過程被實(shí)時(shí)投影到多媒體大屏上。筆者用這種方式及時(shí)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，呈現(xiàn)他們的學(xué)習(xí)成果。以實(shí)時(shí)更新的數(shù)字大屏為媒介，學(xué)生相互借鑒學(xué)習(xí)，提高了課堂學(xué)習(xí)效率和參與度。筆者在授課過程中根據(jù)實(shí)際需要單獨(dú)講評(píng)，或用對(duì)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(xué)生的學(xué)習(xí)情況，對(duì)于實(shí)驗(yàn)操作過程中出現(xiàn)問題的學(xué)生則可查看點(diǎn)陣學(xué)案的書寫過程以精準(zhǔn)定位到人，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的具體過程和方法進(jìn)行針對(duì)性指導(dǎo)。整個(gè)教學(xué)過程中，教師靈活運(yùn)用點(diǎn)陣筆將數(shù)字化教學(xué)手段與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合，強(qiáng)化了實(shí)驗(yàn)操作，讓復(fù)雜的、單一的課堂變得簡(jiǎn)單、高效和智能。圖1所示為實(shí)時(shí)互動(dòng)場(chǎng)景。2.借助點(diǎn)陣工具高效完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告單，促進(jìn)學(xué)生收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并有效應(yīng)用收集不同濃度酒精溶液對(duì)水蚤心率的影響數(shù)據(jù)難度很大。學(xué)生需要分別計(jì)時(shí)計(jì)數(shù)水蚤在酒精4種不同濃度下的心率變化。同時(shí)，為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，學(xué)生需要在每種濃度下測(cè)量5次，最終匯總?cè)鄶?shù)據(jù)。樣本量大，時(shí)間有限，如何突破難題？點(diǎn)陣實(shí)驗(yàn)報(bào)告單為我們提供了突破口。學(xué)生以小組為單位填寫一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告單，為保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，記錄同一濃度下5次實(shí)驗(yàn)的真實(shí)數(shù)據(jù)。全班20個(gè)小組利用點(diǎn)陣筆及時(shí)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(xué)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表的填寫任務(wù)。過往操作實(shí)驗(yàn)為節(jié)約時(shí)間，避免實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集之煩瑣和分析的不精準(zhǔn)，不少教師以視頻演示來代替動(dòng)手實(shí)驗(yàn)操作，認(rèn)為學(xué)生反復(fù)觀看也可以提高科學(xué)思維能力和實(shí)驗(yàn)探究能力。實(shí)則不然。筆者優(yōu)化實(shí)驗(yàn)后，課堂上收集到了豐富的數(shù)據(jù)，這時(shí)教師操作的核心在于是否具備對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行理解和批判性地評(píng)估統(tǒng)計(jì)結(jié)果，并作決策采取行動(dòng)[5]。點(diǎn)陣實(shí)驗(yàn)報(bào)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(jì)測(cè)算，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的高效反饋。3.利用點(diǎn)陣工具優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果評(píng)估，加強(qiáng)過程性評(píng)價(jià)激勵(lì)學(xué)生改進(jìn)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)評(píng)價(jià)具有診斷、導(dǎo)向、調(diào)節(jié)、激勵(lì)等功能。以往教師開展實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)，以實(shí)驗(yàn)報(bào)告、實(shí)驗(yàn)考試等作為終結(jié)性評(píng)價(jià)，在時(shí)間、空間上有很大的局限性。學(xué)生在操作科學(xué)探究類實(shí)驗(yàn)的過程中，對(duì)于數(shù)據(jù)和現(xiàn)象的處理往往比較粗糙，不夠精準(zhǔn)，很多僅限于收集數(shù)據(jù)。其實(shí)，在技術(shù)支持下以柱狀圖或折線圖表征實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的趨勢(shì)更有利于學(xué)生理解科學(xué)探究的實(shí)驗(yàn)結(jié)論?；谝陨峡紤]，筆者在第三課時(shí)的點(diǎn)陣學(xué)案中設(shè)計(jì)了坐標(biāo)軸，巧妙地利用點(diǎn)陣筆，將上節(jié)課得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和教師課下獲取的清水對(duì)照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總，讓學(xué)生利用點(diǎn)陣筆在自己的學(xué)案上繪制出“酒精對(duì)水蚤心率的影響”趨勢(shì)圖。每位學(xué)生繪制的曲線直接呈現(xiàn)于大屏之上，直觀又具體。學(xué)生將零散的數(shù)據(jù)集中到坐標(biāo)系中，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。整個(gè)數(shù)據(jù)分析的過程中，學(xué)生將數(shù)學(xué)思維、點(diǎn)陣筆設(shè)備及科學(xué)精神相融合，真正鍛煉了科學(xué)思維能力。授課過程中，筆者實(shí)時(shí)針對(duì)不同學(xué)生的作答情況進(jìn)行針對(duì)性診斷和指導(dǎo)，極大地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。三、智能點(diǎn)陣工具應(yīng)用的反思與建議實(shí)踐表明，點(diǎn)陣筆的應(yīng)用可以改變傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，能夠促進(jìn)信息技術(shù)與學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效融合，優(yōu)化了教學(xué)模式與教學(xué)方法。筆者提出如下兩點(diǎn)意見。（一）提升技術(shù)流暢度優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)智能點(diǎn)陣工具的應(yīng)用為課堂教學(xué)提供了良好的交互平臺(tái)與協(xié)作環(huán)境，有利于教師高效傳遞教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生提供豐富的互動(dòng)學(xué)習(xí)資源，也有利于創(chuàng)設(shè)高階學(xué)習(xí)活動(dòng)需要的支持環(huán)境與學(xué)習(xí)支架，改善了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)生動(dòng)手能力不強(qiáng)、實(shí)驗(yàn)步驟把握不準(zhǔn)確的狀況。新工具的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)甄別學(xué)生個(gè)體與班級(jí)群體的學(xué)習(xí)狀況，為教師及時(shí)調(diào)整課堂教學(xué)進(jìn)程提供數(shù)據(jù)支撐。但是實(shí)踐中也發(fā)現(xiàn)，技術(shù)操作的流暢度仍需提升。課堂實(shí)時(shí)檢測(cè)程序與學(xué)案展示頁面存在切換不流暢的瑕疵，建議后續(xù)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)，教師在教學(xué)中也要及時(shí)做好工具的維護(hù)與更新等工作。（二）以長效視角建設(shè)課程資源支撐實(shí)驗(yàn)教學(xué)智能工具的應(yīng)用重塑了實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)模式。真實(shí)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和求知欲，提高了學(xué)生的課堂參與度，體現(xiàn)了學(xué)生的主體地位，使課堂真正變成學(xué)生獲得知識(shí)和能力的場(chǎng)所。智能工具支撐實(shí)驗(yàn)課教學(xué)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)收集和分析。點(diǎn)陣數(shù)碼工具作為認(rèn)知工具，用以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度，促進(jìn)了學(xué)生互動(dòng)，便于進(jìn)行信息交換、信息共享，及時(shí)獲得教師的評(píng)價(jià)與反饋及個(gè)性化輔導(dǎo)。當(dāng)然，點(diǎn)陣學(xué)案設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，但常態(tài)處理批量印制方面對(duì)耗材要求較高，后續(xù)仍需探索更