基于信息技术融合的生物模型建构教学实践

[摘 要] 随着信息技术在教育领域的普及和应用，如何利用信息技术改变传统的生物教学模式、创新教学形式是当前生物学教育工作者需要思考的问题。本文阐述了在初中生物学模型建构教学中运用信息技术手段的途径，以期实现信息技术与模型建构教学深度融合。依托信息技术创新教学方式，不仅促进了学生课前、课中、课后的连续性学习，还有效落实了学科核心素养，提升了学生的综合素质。

[关键词] 信息技术；初中生物学；模型建构；教学实践

《义务教育生物学课程标准（2022年版）》（以下简称《标准》）指出，教师应重视运用互联网技术、移动通信技术和人工智能等现代信息技术手段，开发和利用数字化教学资源，丰富师生互动交流方式，促进学生个性化学习。这就要求教师要顺应时代发展，推进现代信息技术与教学深度融合。生物学是一门探究性、实验性很强的学科，部分教师在教学中应运用模型与建模的方法，帮助学生建构生命观念，发展科学思维，提高探究能力，落实核心素养。

一、生物模型建构教学现状分析

初中生物学中部分内容比较抽象，通过建模的方法可有效地化抽象为具体、变零散为系统。建模即建构模型，是指把原型的映像呈现出来的过程，包括模型创建、修正、检验等不断循环的环节。生物学教学中的模型主要包括概念模型、物理模型和数学模型等。

（一）概念模型教学

概念模型指使用文字、箭头及其他符号，表达抽象概念间的关联，包括图示图解、文字符号、思维导图等。教师一般会使用概念模型来帮助学生厘清各知识点之间的联系，引导学生理解知识点间隐藏的逻辑关系，使学生能够根据概念模型快速搭建知识网络。同时，在建构概念模型的过程中，教师还可以培养学生比较、分析和归纳等科学思维方法。

（二）物理模型教学

物理模型包括实物模型和图像模型两类，是指以实物或图画形式直观表征抽象概念，一般会通过一定比例放大或缩小研究对象的原型。《标准》中设定的建模活动有：制作可调节的眼球成像模型、自制实验装置模拟香烟的危害、设计制作生态瓶等。在教学中，教师可以根据实际情况安排自制心脏模型、肾单位模型、鸡卵模型等活动，使学生在动手制作的过程中进一步提高实践能力和创新能力。

（三）数学模型教学

数学模型是指利用数学关系反映生命现象和阐释生物学概念，运用恰当的数学工具，如公式、曲线、柱状图等，呈现出生物学知识的规律。如在探究酒精对水蚤心率影响的实验中，可通过Excel软件计算水蚤的平均心率，并生成折线图，直观反映不同体积分数的酒精对水蚤心率的影响。数学模型体现了数学与生物学的交叉融合，有利于培养学生的逻辑思维。

（四）存在问题

虽然模型建构在生物学教学中应用较为广泛，但模型建构与信息技术融合的案例较少。在生物学教学中，信息技术的主要应用形式包括PowerPoint、视频等。模型建构教学往往在课中进行，忽略了课前预习、课后复习与课堂教学的联系，这不利于学生连续性思维的培养。《标准》倡导信息技术与课堂教学深度融合。教师可以利用信息技术直观呈现物理模型的过程，将概念模型、数学模型通过信息技术快速建构，从而改进教学内容的呈现方式，突破教学重难点，并培养学生的科学思维。

二、基于信息技术融合的模型建构教学策略

教师可采用“线上+课堂+实践”混合式教学策略。包括课前利用信息技术发布学习任务、课中运用信息技术开展模型建构探究、课后依托信息技术完成拓展性作业，充分发挥数字化资源在教学中的作用，促进学生自主学习与合作探究。基于信息技术融合的具体教学策略如下。

（一）课前准备

教师可以利用Camtasia Studio、剪映等视频编辑软件制作微课，并在班级群中发布，鼓励学生通过自制模型初步建构生物学相关概念。也可以利用问卷星等小程序开展问卷调查，做好课前的信息收集与分析准备。

（二）课中探究

1.运用鸿合交互式白板及其配套软件、希沃授课助手等工具直观呈现多媒体资料。丰富的视觉和互动体验可以激发学生的学习兴趣，增强他们的感性认识。

2.通过小组合作、教师演示等方式建构生物学系列模型，运用模型直观表征抽象概念，帮助学生建立结构与功能观，并运用投屏软件演示实验过程。

3.运用虚拟仿真技术开展模型建构教学，突破时空限制，帮助学生深化对生命现象的理解。

4.运用金陵微校、希沃授课助手等软件进行课堂评价，利用图片拖曳、图片分类、游戏竞赛等功能，增强师生互动。

（三）课后延伸

学生完成拓展性作业后，利用网络平台收集资料；利用问卷星小程序展开调查；利用Excel、Word等软件做好数据分析，并撰写报告；录制微视频进行推广宣传，物化成果。

三、基于信息技术融合的模型建构教学实践

笔者以苏教版《生物学》七年级下册“人体和外界环境的气体交换”一节为例，结合《标准》要求，开展以模型建构为主线的创新性教学活动，从情景创新、实验创新、教学重难点的突破等方面，进行了信息技术的融合应用，以期探索生物学信息化教学实施的新路径。

（一）制作微课，激发学习兴趣

笔者在课前通过班级群发布微课“DIY呼吸运动模型”，指导学生利用塑料瓶、吸管、气球、胶水等生活中易于获取的材料制作模型，激发学生学习兴趣。学生通过建模的方法，初步认识了呼吸系统的组成。

（二）导入真实情境，激发探究欲望

笔者以生活中真实的问题情境“肺泡呼吸音和粗湿啰音”为切入点，引导学生认真聆听并思考人体为什么会出现这样异常的呼吸音。经过讨论，学生认为空气中存在着大量病菌和颗粒物，可能引起肺部感染。笔者顺势设疑：病菌或颗粒物是如何随空气到达肺部的？通过设计具有思维深度的问题，引发了学生的认知冲突，激发了学生的探究欲望，进而引出本课第一个重要概念——呼吸系统。

（三）创新生物模型建构教学

本节内容包括呼吸系统的组成及呼吸运动两大重要概念。学生难以理解呼吸道处理气体的过程、气压变化与容积的关系及呼吸肌的运动是如何引起胸廓容积变化的。因此，可采用模型建构的方法直观表征出这些抽象内容。

1.呼吸系统模型建构

在建构呼吸系统概念模型的过程中，笔者通过图片、视频等方式展示鼻、咽、喉、气管与支气管、肺的结构，并通过自制模型演示各器官的功能。

在学习咽的结构时，笔者设计的问题是：咽是空气与食物共同的通道，食物为何不会“迷路”？学生答出咽部具有会厌软骨这一特殊结构。此时，笔者利用自制模型演示会厌软骨的功能，并通过鸿合多屏互动的直播功能进行投屏展示。当吞咽食物时，食物经过咽，黄色的会厌软骨模型下落，盖住气管入口处，食物顺利进入食道。通过投屏展示，学生能够直观认识会厌软骨的作用，并理解咽成为呼吸道和消化道共同通道的原因。

在学习气管及支气管的功能时，笔者利用自制气管模型演示痰液形成的过程。当病菌和颗粒物经过气管时，气管黏膜分泌的黏液会将其包裹住。此时，笔者将气管模型内表面的水晶泥取下包住“病菌”模型，接着引导学生说出黏液可顺着纤毛的摆动依次经过喉、咽、口等器官，进而排出体外。整个演示过程通过鸿合多屏互动直播系统进行投屏展示，形象直观，有助于学生理解气管与支气管的功能。

在学习肺的结构时，笔者播放了离体猪肺通气实验的相关视频，通过观察肺的收缩和舒张，引导学生思考问题：肺作为呼吸系统的主要器官，它的哪些特点有利于气体交换？接着笔者利用肺泡模型进行演示，向模型内反复吹气，模拟肺泡的通气过程。学生通过观察能够明确肺泡具有数量多、表面积大的特点，从而自主建构肺的结构与功能相适应的观念。

在教师通过多组自制模型和多媒体设备进行演示后，学生能够自主总结呼吸系统各器官的结构与功能，并学会运用所学知识解决真实情境中有关呼吸系统的常见问题。

2.呼吸运动模型建构

呼吸系统从大气中摄取氧气，排出代谢产生的二氧化碳，是通过呼吸运动实现的。因此，本阶段笔者设计了三组模型探究实验，引导学生自主建构呼吸运动的概念。

学生难以理解气压变化引起的呼吸运动过程，因此，笔者利用针筒开展探究活动。学生小组合作完成驱动任务：①不堵住针孔，推拉活塞；②堵住针孔，往里推活塞；③将针筒拉至最大刻度，堵住针孔，尽量往里推活塞，推不动时迅速放手。学生通过体验，发现任务①针筒可以自由拉动，任务②针孔处压力增大，任务③活塞向外运动。这些现象与气压有什么联系呢？学生可以利用两个压强传感器直观展示针筒容积变化时气压的变化：将针筒针头插入一个传感器，将另一个传感器置于大气中；将传感器、数据采集器与电脑连接，利用LlabV12软件呈现测定数据。根据测定数据可知，当针筒内容积减小时，气压增大，且大于外界气压，松手时，气体由气压大的一侧流向气压小的一侧，因此活塞向外运动。通过直观的数据呈现，学生能够思考并解释问题，得出气压与容积呈反比关系的结论。由针筒可类比到我们的胸廓，胸廓容积变小，内部气压增大，气体向胸廓外运动，即呼气；吸气过程与之相反。通过探究实践，学生能够理解是胸廓大小的改变引起了吸气和呼气，学生的建模思维、类比思维不断提升，交流合作能力进一步提高，新知也得到了迁移、内化和应用。

（四）利用信息技术，落实社会责任

笔者播放正常的肺泡呼吸音，驱动学生思考：正常的肺泡呼吸音与异常的肺泡呼吸音有什么不同？作为学生，可以为守卫呼吸环境做些什么？笔者通过问题串的设置，引发学生深度讨论，使他们关注身体内外各种因素对健康的影响。课后，笔者布置了拓展性作业，学生以小组合作形式，搜集有关尘肺病、肺炎的资料，尝试提出净化环境的合理建议，并录制成微视频。这样有助于学生参与个人和社会事务的讨论，做出判断和合理解释，提高解决生活问题的能力。

四、结语

在信息化飞速发展的时代，现代信息技术深刻改变着人类的思维方式、生产方式、生活方式和学习方式。信息技术与生物学的融合，是改革教育模式、创新教学方法和完善教学手段的重要途径。教师应不断提升自身信息化素养，以培养学生核心素养为目标，充分利用信息技术赋能生物学教学，促进学生个性化发展。

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]马陆亭.加快推进教育数字化建设教育强国[J].上海教育，2022（36）：1.

[3]沈伟云.基于模型与建模思维发展的初中生物学实验教学[J].中学生物教学，2022（19）：51-54.