張春雷

(華東師范大學 教師教育學院, 上海 200062)

生物學是研究生命現(xiàn)象和生命活動規(guī)律的科學[1]。它是環(huán)境科學、醫(yī)學、農(nóng)學等諸多應用學科的基礎。近年來，隨著生物學與信息、工程技術(shù)的結(jié)合，它對人類生活的影響也越來越大，成為21世紀人們必備的科學素養(yǎng)之一。

生物學與其他研究非生命的物質(zhì)科學顯著不同，它具有廣泛性、復雜性、不完整性和結(jié)構(gòu)不良等特點[2]。這些特點使得生物學的教授和學習困難而富有挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展以及各種信息技術(shù)產(chǎn)品走進教育領(lǐng)域，技術(shù)對于生物學教育的影響越來越不可忽視。但在生物學教育實踐中，仍然存在技術(shù)應用簡單化和融合程度不高等問題，“電灌”“機灌”代替“人灌”的現(xiàn)象仍然存在。那么，如何更好地進行技術(shù)整合和創(chuàng)新，讓技術(shù)賦能學科教育就成為當下值得重點研究的課題。

1 教育技術(shù)與生物學教育整合的困境

技術(shù)與生物學教育整合現(xiàn)狀不夠理想，不僅與生物學教師的教育技術(shù)應用能力有關(guān)，也與學校條件保障以及外部師資培訓有關(guān)。例如對生物學教師調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，學校存在信息基礎設施建設滯后、數(shù)字化教學資源相對缺乏、資源分布不均、利用率低、融合方式有待完善等問題[3-4]。這些問題都不利于在職教師有效開展教學工作，也不利于教師對信息資源獲取和通訊科技支持下的終生學習[5]。此外，教師作為教育信息化的踐行者和推動者, 也發(fā)揮著關(guān)鍵性和決定性作用[6]。為了讓學科教師會用技術(shù)、用好技術(shù)，政府和相關(guān)機構(gòu)為教師提供了很多培訓項目和課程，但由于統(tǒng)一培訓往往很難顧及生物學的學科獨特性，培訓后教師仍然難于將技術(shù)與生物學教學融合創(chuàng)造性地解決實際問題，根本原因在于培訓忽略了學科內(nèi)容的特異性、教學情境的不確定性以及學生學習的差異性。

首先，生物學不同內(nèi)容主題具有高度的特異性。內(nèi)容間的差異程度有時會遠大于相似度。因此，教師不能直接把一種技術(shù)整合方案從一個主題遷移到另一個主題，而必須根據(jù)內(nèi)容特點做出調(diào)整。其次，技術(shù)整合方案還具有環(huán)境依賴性。教師教學環(huán)境條件非常復雜，而且充滿不確定性。學科教師往往因為網(wǎng)絡、設備條件等原因不得不放棄某一個成熟技術(shù)產(chǎn)品或解決方案。這就要求教師要能夠根據(jù)環(huán)境需要重新設計解決方案和選擇替代品。最后，學生個體之間也存在差異性，這種差異表現(xiàn)在學生的學習基礎、學習方式以及學習需要等方面，統(tǒng)一的技術(shù)產(chǎn)品或解決方案往往很難滿足學生個性化學習的需要，教師需要根據(jù)學生情況進行選擇和調(diào)整才能實現(xiàn)學生學習的個性化和最優(yōu)化。此外，教師還需要注意教育目標對技術(shù)創(chuàng)新應用的引領(lǐng)作用，不能為了用技術(shù)而用技術(shù)。新一輪課程改革深化以發(fā)展學生核心素養(yǎng)為宗旨，教師的技術(shù)創(chuàng)新需要服務于這一目標。教師只有立足于特定的學科內(nèi)容、教學情境，結(jié)合學生特點來應用技術(shù)，才能有效地發(fā)展學生核心素養(yǎng)。因此，要想讓技術(shù)真正賦能學科教育，學科內(nèi)容特異性、教學條件不確定性、學生差異性以及教育目標的引領(lǐng)都是不可忽略的重要因素。技術(shù)整合必須回歸真實的學科教學情景，而不能過度簡化和去情境化。教師培訓也需要從技術(shù)的一般性推廣和普及轉(zhuǎn)變?yōu)榧夹g(shù)思想的領(lǐng)會以及技術(shù)產(chǎn)品的靈活應用，從脫離學科情境的純技術(shù)學習回歸到學科教育情境下的技術(shù)創(chuàng)新與實踐。

教育信息化的重點已經(jīng)不再是技術(shù)設施的基礎建設，而是信息技術(shù)的創(chuàng)新應用，乃至于教育教學的整體變革。而課堂是學校教育的最主要結(jié)構(gòu)，因此也是技術(shù)推進學校教育系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性變革的關(guān)鍵所在[7]。教師只有明確技術(shù)在課堂結(jié)構(gòu)中的角色，并考慮到教育目標、學科內(nèi)容、學生差異以及教學環(huán)境的交互作用，才能發(fā)揮出技術(shù)的潛在優(yōu)勢，為學科教育賦能。

2 發(fā)展核心素養(yǎng)需要課堂結(jié)構(gòu)要素的相互融洽

2016年《中國學生發(fā)展核心素養(yǎng)》框架發(fā)布，將核心素養(yǎng)分為文化基礎、自主發(fā)展和社會參與等3個方面, 綜合表現(xiàn)為人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實踐創(chuàng)新等六大素養(yǎng), 具體細化為國家認同等18個基本要點[8]。2017年，《普通高中生物學課程標準(2017年版)》在此基礎上凝練了生物學學科核心素養(yǎng)，具體包括生命觀念、科學思維、科學探究和社會責任，其根本目的都是進一步明確未來公民的必備品格和關(guān)鍵能力，從學習結(jié)果的角度定義未來社會所需人才的形象[9]。

那么，什么樣的學習環(huán)境更有利于培養(yǎng)具有核心素養(yǎng)的人才呢？OECD、UNESCO等組織機構(gòu)都對能夠有效發(fā)展21世紀核心能力的學習環(huán)境特征進行過研究和描述[10-11]。這些有效學習環(huán)境的特征可以概括為促進學生學習的自主性、社會性、情境性、關(guān)聯(lián)性和差異性。但現(xiàn)實課堂環(huán)境中的技術(shù)應用卻總是呈現(xiàn)換湯不換藥、舊瓶裝新酒的尷尬，其根本原因在于信息“內(nèi)容”和信息“過程”的相互分離、甚至自相矛盾。因此，吳剛[12]提出教育技術(shù)需要回歸人的社會性，關(guān)注社會互動，強調(diào)學習過程中環(huán)境要素的整合。為了整合課堂結(jié)構(gòu)要素構(gòu)建有效的課堂學習環(huán)境，張春雷[13]提出了課堂結(jié)構(gòu)的6要素模型，如圖1所示。該課堂結(jié)構(gòu)模型由價值、理念、內(nèi)容、教法、時空、技術(shù)等6個要素構(gòu)成，其中，價值和理念構(gòu)成了課堂的頂層結(jié)構(gòu)，內(nèi)容和教法構(gòu)成了課堂的中層結(jié)構(gòu)，時空與技術(shù)則構(gòu)成了課堂的底層結(jié)構(gòu)。

圖1 課堂結(jié)構(gòu)的“6要素”模型

頂層的價值與理念是課堂的靈魂，它決定了課堂其他層面和要素的設計。教法、內(nèi)容、技術(shù)和時空的選擇都為頂層的價值和理念服務。底層的技術(shù)和時空則是課堂結(jié)構(gòu)的基礎，它為上層結(jié)構(gòu)和要素提供支撐。技術(shù)處在底層，這顯示了它在課堂結(jié)構(gòu)的基礎性地位?！?要素、3層面”課堂結(jié)構(gòu)模型能夠反映出技術(shù)、教法和內(nèi)容在課堂結(jié)構(gòu)中的功能地位，同時也強調(diào)了價值理念層面對技術(shù)應用的引導作用，有助于教師基于課堂結(jié)構(gòu)找準技術(shù)的作用點和作用路徑，進而充分釋放技術(shù)對學科教育的推動作用。

3 新課堂結(jié)構(gòu)下技術(shù)賦能生物學教育的路徑

根據(jù)新型課堂結(jié)構(gòu)中的層面支撐關(guān)系和要素相互作用，進一步具體分析技術(shù)賦能生物學學科教育的可行路徑。

3.1 技術(shù)對教學“時空”的拓展作用

技術(shù)應用能夠拓展學生的學習時空，反過來學習時空設計也能彰顯技術(shù)力量。遠程學習、異步學習就是通過互聯(lián)網(wǎng)和信息存儲技術(shù)使得學習可以隨時隨地發(fā)生，極大地賦予學習的自由和選擇權(quán)，讓個性化的學習時空選擇成為可能。教師可以從學生的學習時空設計入手，尋求技術(shù)整合的可能，比如在特定的時空運用技術(shù)來促進學生的學習，或者恰當?shù)貞眉夹g(shù)來突破學生學習時空的邊界和局限。例如，在互聯(lián)網(wǎng)熱議“基因編輯嬰兒”事件時，一位大學教師在課堂上也引入了該話題，除了在課堂上引導學生討論基因編輯技術(shù)背后的生物學原理之外，還引出了更有爭議的生物學倫理大討論，比如是否應該繼續(xù)發(fā)展基因編輯技術(shù)，如何對待已經(jīng)出生的基因編輯嬰兒，以及這些嬰兒是否享有生育權(quán)。教師要求每位同學采用理性的科學論證方式發(fā)表個人的觀點，要注重證據(jù)、推理、觀點的一致性，同時提示學生科學并不能解決所有問題。課堂上的辯論十分精彩，但受課時限制，還有很多學生想發(fā)言但是沒有機會，這時師生共同商議決定在課程的BB平臺上專門開一個交流板塊繼續(xù)這一討論，部分同學還在自己的朋友圈表明立場、“切磋”觀點。可見，在課程平臺和社交網(wǎng)絡的支撐下，課堂的時空邊界得到了進一步擴展。在技術(shù)的支撐下，學生在學習時空上也獲得了更大的自由度。

3.2 技術(shù)對“內(nèi)容”的可視化作用

生物學知識具有復雜、抽象和結(jié)構(gòu)不良等特點，多媒體技術(shù)、計算機模擬技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以讓抽象、復雜的生物學知識和過程以更直觀形象的方式展現(xiàn)出來。PhET網(wǎng)站(https://phet.colorado.edu/)提供了很多交互性生物學仿真模擬程序供教師使用。比如基因表達這一復雜生命過程，教師可以通過對模擬仿真程序在線操作來演示不同基因轉(zhuǎn)錄、翻譯進而獲得相應蛋白質(zhì)的過程，教師還可以把部分任務分配給學生完成，學生通過在線交互性操作獲得目標蛋白質(zhì)進而學習基因表達相關(guān)知識，如圖2所示[14]。

圖2 PhET網(wǎng)站中的基因表達模擬仿真程序

在一款名叫Omosa的3D科學游戲中，學生甚至可以扮演科學家助手的身份，對虛擬世界中科學現(xiàn)象展開調(diào)查和研究，從而體驗科學研究的實踐過程[15]。此外，信息技術(shù)還可以通過進程可視化支持學生的研究性學習，比如在MOORS平臺的支撐下，課題研究進展能更直觀地展現(xiàn)在學習者面前，學生更容易找到研究伙伴和指導教師，學科與學科邊界被打破，學科與生活的聯(lián)系被加強[16]。

3.3 技術(shù)對“教法”支撐和限制作用

技術(shù)應用效果提升需要合適的教學策略和方法與之相匹配，反過來技術(shù)應用也需要滿足教學法的需求。疫情期間ZOOM視頻會議軟件成為很多教師在線授課的首選，主要原因之一就在于它可以幫助教師快速將學生分成多個視頻會議討論組，進而實現(xiàn)小組合作學習。這體現(xiàn)的就是技術(shù)對教學法的支撐作用。

此外，技術(shù)環(huán)境的變化也會對教學法提出新的要求或限制。比如，隨著傳統(tǒng)課堂線下學習轉(zhuǎn)變?yōu)榫€上學習，學生離開了教師的監(jiān)督和同學的陪伴，如何保證能夠高度專注的參與線上學習成為一個難題。這時就要求教師采用合適的教學法提高學生的學習興趣，比如采用游戲化教學策略，把學習任務變成學生喜歡的游戲任務，或者采用合作學習的策略，讓學生選擇一個他們喜歡的研究課題開展項目式學習?？梢?，教師必須基于技術(shù)特點設計教學策略和方法才能充分發(fā)揮技術(shù)潛能。

4 新課堂結(jié)構(gòu)下技術(shù)與生物學教學整合方式

那么，技術(shù)與生物學教學有哪些整合方式呢？我們以“種群的數(shù)量變化”這一內(nèi)容為例進行闡釋。該內(nèi)容是高中生物學選擇性必修模塊 “生物與環(huán)境”中的內(nèi)容，課程標準對該內(nèi)容的要求是“嘗試建立數(shù)學模型解釋種群的數(shù)量變動”。因此本節(jié)內(nèi)容主要把學習種群數(shù)量變化的規(guī)律以及數(shù)學模型構(gòu)建的方法作為重點。為達成目標，教師可以靈活應用技術(shù)的不同功能支撐教學活動。

4.1 技術(shù)作為教學的“資源”

首先，為了激發(fā)學生的學習興趣，引發(fā)學生的思考，本節(jié)課以圖片的形式導入新課。教師會呈現(xiàn)白鱀豚滅絕和水葫蘆大暴發(fā)的照片(圖3)，然后講述圖片背后的故事喚起學生情感共鳴，創(chuàng)設情境、引入主題，如果我們要保護某個物種或者控制某個物種的數(shù)量就要學習種群的數(shù)量變化規(guī)律。

圖3 教師使用圖片資源吸引學生

在這個環(huán)節(jié)，技術(shù)作為顯性的“資源”直接用于教學過程。對于這種整合方法，教師最需要的就是高質(zhì)量的資源。此時，技術(shù)可以直接作為資源滿足教學需求，它是作為靜態(tài)的元素發(fā)揮作用的。有了這些資源，學科內(nèi)容能夠以直觀和多樣的方式(圖片、動畫、視頻等)呈現(xiàn)，進而促進學生理解。

4.2 技術(shù)作為教學的“工具”

喚起了學生的學習興趣后，如何引導學生主動對問題進行思考和探究呢？接下來，教師利用縮時視頻引導學生對細菌種群的數(shù)量變化規(guī)律展開研究。教師呈現(xiàn)給學生的是大腸桿菌分裂繁殖的視頻，視頻的巧妙之處在于將幾個小時的細菌繁殖過程壓縮到幾秒鐘。以往學生都是通過酵母菌的培養(yǎng)來體驗觀察、計數(shù)、數(shù)據(jù)分析等科學探究技能，但疫情期間學生無法進行酵母菌培養(yǎng)實驗?？s時視頻為解決這一難題提供了一種新的可能。學生可以通過視頻編輯軟件每隔1 s對視頻進行1次截屏(圖4)，然后對屏幕中的細菌數(shù)量進行計數(shù)，再使用電子表格工具進行繪圖和數(shù)學建模。

圖4 教師使用截屏工具記錄細菌種群數(shù)量變化

在這種整合方式當中，縮時視頻技術(shù)、截屏軟件、電子表格的應用使得所有學生都能直接參與種群數(shù)量變化的研究。師生可以利用工具制造出很多產(chǎn)品，開展很多探究活動。生物學教學中還經(jīng)常使用形色、花伴侶手機APP來鑒別植物，使用SPSS軟件記錄和分析試驗數(shù)據(jù)，使用地理信息系統(tǒng)軟件來獲得大尺度的生態(tài)學數(shù)據(jù)開展環(huán)境問題研究等。

4.3 技術(shù)作為教學的“環(huán)境”

當學生利用縮時視頻研究了細菌種群數(shù)量變化規(guī)律并建立數(shù)學模型后，為了促進學生交流并對學生構(gòu)建的數(shù)學模型進行檢驗，教師首先要求在小組內(nèi)進行討論形成統(tǒng)一意見，最后每個小組將自己收集的數(shù)據(jù)以及建構(gòu)的數(shù)學模型以小論文的形式發(fā)表在微信群和朋友圈中，供其他小組同學進行審閱和評判。每個小組要對自己的研究結(jié)論進行合理辯護，并基于同學的反饋對模型進行修改完善。

在這個環(huán)節(jié)，技術(shù)是以“環(huán)境”的形態(tài)與學科教育整合。微信群和朋友圈成為師生交流和討論的線上學習環(huán)境。環(huán)境背后的技術(shù)支撐包括互聯(lián)網(wǎng)、通訊、手機平臺、云存儲等技術(shù)本身往往是不被關(guān)注的、隱性的，但是卻共同構(gòu)成學習活動所依賴的外部環(huán)境。技術(shù)作為環(huán)境時往往具有普及化、日?；碗[性化的特點，師生不一定需要直接跟技術(shù)打交道，但是卻需要了解和適應這一環(huán)境來開展和組織學習活動。

5 新課堂結(jié)構(gòu)下生物學教育中技術(shù)創(chuàng)新應用策略

根據(jù)新型課堂結(jié)構(gòu)模型，提出以下技術(shù)創(chuàng)新應用策略。

5.1 發(fā)揮目標對技術(shù)應用的引領(lǐng)作用

頂層的價值和理念對于技術(shù)應用具有引領(lǐng)作用。新一輪課程改革深化以發(fā)展核心素養(yǎng)為宗旨，倡導學生自主、合作、深度學習。因此，技術(shù)與學科教學的整合一定需要符合這一價值要求。技術(shù)的角色應從輔助教師傳遞信息向輔助教師基于學生差異性開展個性化學習轉(zhuǎn)變，從強化“雙基”向發(fā)展核心素養(yǎng)轉(zhuǎn)變，凸顯學習的自主性、社會性、情境性、關(guān)聯(lián)性和差異性。

5.2 技術(shù)要符合內(nèi)容特點和教學法需要

學科內(nèi)容是教育價值的載體，但不同內(nèi)容卻具有高度的特異性。教師需要量體裁衣、因地制宜，充分考慮學科內(nèi)容的特點來設計和組織教學活動，深入挖掘?qū)W科內(nèi)容的育人價值。只有符合學科內(nèi)容的特點和教學原則，技術(shù)應用才能有的放矢，發(fā)揮出其對學科教育的巨大推動作用。

5.3 技術(shù)要能拓展和優(yōu)化學生的學習時空

技術(shù)處于課堂結(jié)構(gòu)的底層，它支撐著課堂的上層結(jié)構(gòu)和要素，特別表現(xiàn)在對教學時空的擴展和對個性化學習的支持上。技術(shù)讓師生對教學有更多的自由和選擇權(quán)。因此，生物學教師可以從學生學習時空設計入手，從群體到個體，從同步到異步，從孤立到聯(lián)合，從封閉到開放。

5.4 從技術(shù)本身出發(fā)，教師要能認識到技術(shù)的本質(zhì)以靈活應用

每項技術(shù)都有自己的生命周期，都會經(jīng)歷產(chǎn)生、發(fā)展和淘汰的過程。因此，教師眼里不能只看到一個技術(shù)產(chǎn)品，還要看到這類產(chǎn)品背后的技術(shù)思想。只有掌握技術(shù)的本質(zhì)，才能更好地應對教育環(huán)境的不確定性。

教育技術(shù)與生物學教育整合既是技術(shù)推動教育的必然要求，又是生物學教育發(fā)展的必然需要。它是一個不斷迭代、不斷優(yōu)化的過程。隨著課堂結(jié)構(gòu)要素的整合、技術(shù)賦能生物學教育路徑的明確以及一線教師的積極努力探索，技術(shù)與生物學教育的深度融合必然可期。