張禮根

摘要以問(wèn)題解決、自主學(xué)習(xí)為主線(xiàn)，結(jié)合科學(xué)史實(shí)和生活實(shí)例分析，綜合運(yùn)用類(lèi)比推理、VR/AR3D模型觀察、歸納概括、模型建構(gòu)等方法，以小組合作學(xué)習(xí)和教師問(wèn)題引導(dǎo)相結(jié)合形式展開(kāi)教學(xué)，在VR課堂教學(xué)中有效落實(shí)學(xué)生科學(xué)思維與科學(xué)探究能力的培養(yǎng)，形成結(jié)構(gòu)與功能觀，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感，促進(jìn)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培育，提高課堂教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 VR/AR技術(shù) 細(xì)胞膜 教學(xué)設(shè)計(jì) 生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

中圖分類(lèi)號(hào)G633. 91文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

1教材分析與設(shè)計(jì)思路

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《課程標(biāo)準(zhǔn)》）提出以核心素養(yǎng)為宗旨，教學(xué)過(guò)程重實(shí)踐的基本理念。《課程標(biāo)準(zhǔn)》強(qiáng)調(diào)：課堂教學(xué)過(guò)程要求學(xué)生主動(dòng)參與，通過(guò)探究活動(dòng)加深對(duì)生物學(xué)概念的理解，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究能力，進(jìn)而能夠應(yīng)用所學(xué)知識(shí)探討或解決現(xiàn)實(shí)生活中的問(wèn)題。但在高中生物學(xué)教學(xué)中，并不是所有的教學(xué)內(nèi)容都能讓學(xué)生進(jìn)行親身體驗(yàn)實(shí)踐。例如，2019年人教版《必修1·分子與細(xì)胞》第三章第一節(jié)“細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能”在教材中起著承上啟下的作用，教師無(wú)論采用圖片教學(xué)或是視頻教學(xué)方式，都難以讓學(xué)生親身體驗(yàn)到細(xì)胞膜的微觀結(jié)構(gòu)、流動(dòng)性及其與細(xì)胞膜功能的相互聯(lián)系。2018年，教育部印發(fā)《教育信息化2.0行動(dòng)計(jì)劃》，提出以人工智能、VR等新興技術(shù)，積極倡導(dǎo)智慧教育。VR/AR技術(shù)作為新興技術(shù)具有沉浸性、交互性、多感知性與構(gòu)想性的特征。此節(jié)教學(xué)時(shí)，教師若能采用VR（虛擬現(xiàn)實(shí)）/AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)），可有效解決學(xué)生無(wú)法親身體驗(yàn)、感受的困境。

本節(jié)課采用“引導(dǎo)探究”的教學(xué)模式，依托科學(xué)史實(shí)和生活實(shí)例，運(yùn)用作者與科駿VR公司共同開(kāi)發(fā)的基于zSpace的VR/AR3D模型進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，巧妙融合類(lèi)比推理、分析推理、歸納概括、模型建構(gòu)等方法展開(kāi)課堂教學(xué)。教師注重學(xué)生親身體驗(yàn)操作，既激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，又讓學(xué)生深刻理解生物學(xué)概念和培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維與科學(xué)探究能力，促進(jìn)學(xué)生形成結(jié)構(gòu)與功能觀，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任核心素養(yǎng)，促進(jìn)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)養(yǎng)成，同時(shí)也凸顯信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)相融合所帶來(lái)的高效課堂。

2教學(xué)目標(biāo)

①通過(guò)科學(xué)史實(shí)和生活實(shí)例分析，培養(yǎng)基于生物學(xué)事實(shí)的分析與推理、歸納與概括能力。

②通過(guò)對(duì)細(xì)胞膜成分和結(jié)構(gòu)探索知識(shí)的梳理，領(lǐng)悟觀察、假說(shuō)、質(zhì)疑和推理等在科學(xué)研究中的作用，感悟科學(xué)在質(zhì)疑和創(chuàng)新中發(fā)展。

③通過(guò)對(duì)VR/AR3D模型的觀察和體驗(yàn)及對(duì)細(xì)胞膜模型的建構(gòu)，在實(shí)踐中理解生物學(xué)概念，形成結(jié)構(gòu)與功能觀；通過(guò)對(duì)構(gòu)建模型的評(píng)價(jià)，發(fā)展批判性思維。

④通過(guò)對(duì)脂質(zhì)體藥物、血液透析原理的分析，體會(huì)科學(xué)知識(shí)與解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題之間的密切聯(lián)系，關(guān)注人類(lèi)生命健康；通過(guò)利用廢舊物品制作細(xì)胞膜模型，培養(yǎng)模型建構(gòu)的科學(xué)思維能力，關(guān)注廢舊物品的再利用，樹(shù)立節(jié)約資源和環(huán)保意識(shí)，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感。

3教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)

3.1教學(xué)重點(diǎn)

細(xì)胞膜的功能；細(xì)胞膜流動(dòng)鑲嵌模型的基本內(nèi)容

3.2教學(xué)難點(diǎn)

細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與組成成分之間的內(nèi)在聯(lián)系；對(duì)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的探索過(guò)程

4教學(xué)過(guò)程

4.1熱點(diǎn)引入，引導(dǎo)學(xué)生類(lèi)比推理細(xì)胞膜的功能

教師聯(lián)系社會(huì)，以社會(huì)熱點(diǎn)“2020年6·15中印加勒萬(wàn)河谷邊境沖突”為背景引入新課，播放“中印邊境沖突”視頻和展示“中印邊界問(wèn)題示意圖”地圖圖片，并提出問(wèn)題：中印沖突事件中中印兩國(guó)的邊界是什么？該邊界有什么作用？學(xué)生通過(guò)積極思考、討論并得出初步結(jié)論，中印兩國(guó)的邊界是界碑或邊防線(xiàn)，其作用可能有：將中印兩國(guó)分開(kāi)，控制兩國(guó)出入境人員的隨意流動(dòng)等。教師繼續(xù)追問(wèn)：那作為生命系統(tǒng)最基本結(jié)構(gòu)層次的細(xì)胞的邊界又是什么？引導(dǎo)學(xué)生采用類(lèi)比推理的方法進(jìn)行分析（細(xì)胞內(nèi)代表中國(guó)，細(xì)胞外代表印度，細(xì)胞膜類(lèi)似于邊防線(xiàn)），進(jìn)一步推測(cè)細(xì)胞膜的功能。

設(shè)計(jì)意圖：教師以社會(huì)熱點(diǎn)引入新課，采用類(lèi)比推理方法，鼓勵(lì)學(xué)生大膽推測(cè)，在培養(yǎng)學(xué)生分析推理能力的同時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注重大社會(huì)性議題，使學(xué)生樹(shù)立國(guó)家安全觀，建立捍衛(wèi)國(guó)家主權(quán)和領(lǐng)土完整的信念，學(xué)習(xí)弘揚(yáng)英雄模范精神，提高國(guó)家榮譽(yù)感，提升社會(huì)責(zé)任感。

4.2VR3D模型觀察，視頻圖片直觀展示，推理細(xì)胞膜的功能

小組學(xué)生合作分別帶上3D（2D）眼鏡，借助VR技術(shù)分別觀察大腸桿菌、高等植物細(xì)胞和動(dòng)物細(xì)胞的VR3D模型圖（圖1），感受細(xì)胞膜的真實(shí)存在。教師提出問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生思考：大腸桿菌和高等植物細(xì)胞的細(xì)胞膜外側(cè)的細(xì)胞壁能否作為細(xì)胞的邊界？并分析原因。接著，教師播放“未受精的雞蛋中蛋白質(zhì)與蛋黃分開(kāi)”的實(shí)驗(yàn)視頻，展示“臺(tái)盼藍(lán)對(duì)死、活動(dòng)物細(xì)胞染色結(jié)果”的實(shí)驗(yàn)圖片，引導(dǎo)學(xué)生從視頻和圖片中推理出細(xì)胞膜的功能。小組學(xué)生繼續(xù)合作相互交換3D（2D）眼鏡，借助VR技術(shù)依次觀察和體驗(yàn)內(nèi)分泌細(xì)胞與靶細(xì)胞、高等植物細(xì)胞之間的信息交流以及精、卵細(xì)胞結(jié)合的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程（圖2），從VR3D動(dòng)態(tài)模型中繼續(xù)推理出細(xì)胞膜的功能。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)對(duì)VR3D模型的觀察和體驗(yàn)，學(xué)生直接親身感受到細(xì)胞膜及其細(xì)胞間進(jìn)行信息交流過(guò)程動(dòng)態(tài)變化的真實(shí)存在。學(xué)生通過(guò)視頻、圖片的觀看與VR3D模型的立體觀察，培養(yǎng)基于生物學(xué)事實(shí)和實(shí)證資料的分析推理能力，同時(shí)培養(yǎng)語(yǔ)言表達(dá)能力，在學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)展科學(xué)思維。

4.3以史為據(jù)，問(wèn)題引導(dǎo)，建構(gòu)細(xì)胞膜的物理模型

教師指導(dǎo)學(xué)生閱讀教材“對(duì)細(xì)胞膜成分和結(jié)構(gòu)探索”的科學(xué)史，并提出問(wèn)題串：①依據(jù)歐文頓實(shí)驗(yàn)，可做出什么推測(cè)？若要進(jìn)一步驗(yàn)證該推測(cè)，該如何繼續(xù)實(shí)驗(yàn)？分析護(hù)膚品中甘油被人體細(xì)胞吸收的過(guò)程。②依據(jù)戈特和格倫德?tīng)枌?shí)驗(yàn)，可做出什么推斷？③基于磷脂分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與組織細(xì)胞膜內(nèi)外均含有水的事實(shí)，推理出磷脂分子在細(xì)胞膜上的排列分布，初步建構(gòu)出由磷脂分子組成的細(xì)胞膜物理模型。④依據(jù)丹尼利和戴維森實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可做出什么推論？結(jié)合所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證上述推理。⑤結(jié)合羅伯特森顯示出“暗-亮-暗”三層結(jié)構(gòu)的電鏡照片和展示出的冰凍蝕刻電子顯微技術(shù)拍攝到的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)圖片，可提出什么假說(shuō)？學(xué)生思考、討論、回答教師精心設(shè)計(jì)的問(wèn)題串，并逐步完成細(xì)胞膜物理模型的建構(gòu)。教師引導(dǎo)學(xué)生推理出蛋白質(zhì)在細(xì)胞膜上的排列分布情況，在已構(gòu)建的細(xì)胞膜物理模型基礎(chǔ)上，進(jìn)一步建構(gòu)出有蛋白質(zhì)分布的細(xì)胞膜物理模型。師生對(duì)兩次構(gòu)建的細(xì)胞膜物理模型進(jìn)行生生評(píng)價(jià)、師生評(píng)價(jià)。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)對(duì)科學(xué)史實(shí)的分析與推理，教師引導(dǎo)學(xué)生追尋科學(xué)家科學(xué)探究的足跡，使學(xué)生領(lǐng)悟觀察、推理、歸納等方法在科學(xué)研究中的重要作用，認(rèn)同科學(xué)理論的形成是科學(xué)思維、技術(shù)發(fā)展和科學(xué)精神相結(jié)合不斷修正與完善的結(jié)果。層層遞進(jìn)的問(wèn)題串最終指向細(xì)胞膜物理模型的建構(gòu)，激發(fā)學(xué)生思維，啟發(fā)學(xué)生深入思考、養(yǎng)成科學(xué)思維。學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步提升探究興趣；依據(jù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)證據(jù)，建構(gòu)細(xì)胞膜物理模型，培養(yǎng)尊重科學(xué)事實(shí)的態(tài)度。教學(xué)突出課堂知識(shí)的動(dòng)態(tài)生成，體現(xiàn)《課程標(biāo)準(zhǔn)》提出的教學(xué)過(guò)程重實(shí)踐的基本理念。對(duì)構(gòu)建的物理模型進(jìn)行生生評(píng)價(jià)、師生評(píng)價(jià)，踐行《課程標(biāo)準(zhǔn)》中“學(xué)業(yè)評(píng)價(jià)促發(fā)展”的基本理念，實(shí)現(xiàn)課堂高效交互。

4.4質(zhì)疑求證，AR3D模型觀察，闡述細(xì)胞膜流動(dòng)鑲嵌模型的知識(shí)要點(diǎn)

當(dāng)學(xué)生初步建構(gòu)完由磷脂分子和蛋白質(zhì)分子組成的細(xì)胞膜物理模型后，教師提出質(zhì)疑：你是否認(rèn)同羅伯特森對(duì)細(xì)胞膜模型靜態(tài)結(jié)構(gòu)的描述？分析原因并舉例加以求證。教師播放“人-鼠細(xì)胞融合”與“植物體細(xì)胞雜交”的實(shí)驗(yàn)視頻，追問(wèn)：依據(jù)上述實(shí)驗(yàn)視頻，可推理出什么結(jié)論？小組學(xué)生相互合作分別帶上3D（2D）眼鏡，借助AR技術(shù)立體性全方位觀察細(xì)胞膜的組成成分及結(jié)構(gòu)3D模型（圖3）；通過(guò)操作筆體驗(yàn)細(xì)胞膜中磷脂分子和蛋白質(zhì)分子的運(yùn)動(dòng)，對(duì)細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆分和重組裝（圖4），依據(jù)對(duì)細(xì)胞膜AR3D模型的觀察和體驗(yàn)，歸納、總結(jié)并闡述細(xì)胞膜流動(dòng)鑲嵌模型的知識(shí)要點(diǎn)，解釋與細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的功能。

設(shè)計(jì)意圖：學(xué)生通過(guò)對(duì)現(xiàn)有科學(xué)觀點(diǎn)的質(zhì)疑，培養(yǎng)批判性思維能力和質(zhì)疑精神，借助視頻觀察和問(wèn)題引導(dǎo)，以事實(shí)為依據(jù)認(rèn)同細(xì)胞膜是流動(dòng)的而不是靜止的。并利用AR3D模型對(duì)細(xì)胞膜成分與結(jié)構(gòu)的觀察、拆分和重組裝，直接親身體驗(yàn)到細(xì)胞膜成分、結(jié)構(gòu)、及其流動(dòng)性，認(rèn)同細(xì)胞膜的流動(dòng)鑲嵌模型，在實(shí)踐中深化了對(duì)生物學(xué)概念的理解，有助于構(gòu)建知識(shí)框架，進(jìn)一步促進(jìn)了結(jié)構(gòu)與功能觀的生成。

4.5歸納總結(jié)，建構(gòu)概念模型，拓展認(rèn)知，增強(qiáng)社會(huì)責(zé)任感

教師帶領(lǐng)學(xué)生一起回顧本節(jié)課知識(shí)要點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生建構(gòu)“細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)和功能”知識(shí)框架概念圖。教師聯(lián)系生活實(shí)際，提供“脂質(zhì)體和紫杉醇（一種抗癌藥物，不溶于水）”與“血液透析治療尿毒癥”兩則情境資料，設(shè)計(jì)系列相關(guān)問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生分析、推理，進(jìn)一步落實(shí)課堂知識(shí)在生活實(shí)踐中的應(yīng)用，學(xué)以致用。課后，教師給出材料用具：包裹中藥丸的球形蠟質(zhì)盒、廢棄鐵絲或電線(xiàn)、廢棄硬質(zhì)泡沫塑料、剪刀等。學(xué)生小組合作、課后制作細(xì)胞膜的流動(dòng)鑲嵌模型，制作的模型將于下節(jié)課課前進(jìn)行小組展示與交流分享。

設(shè)計(jì)意圖：教師引導(dǎo)學(xué)生通過(guò)歸納總結(jié)，構(gòu)建章節(jié)概念模型圖，強(qiáng)化知識(shí)之間的內(nèi)在聯(lián)系，提高學(xué)生的整體認(rèn)知水平。并聯(lián)系生活實(shí)際，培養(yǎng)學(xué)生在真實(shí)情境下運(yùn)用所學(xué)生物學(xué)知識(shí)解決生活實(shí)際問(wèn)題的能力，體現(xiàn)知識(shí)來(lái)源于生活并運(yùn)用于生活，提高學(xué)生知識(shí)遷移能力，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生關(guān)愛(ài)生命健康。課后，小組合作制作細(xì)胞膜流動(dòng)鑲嵌模型，培養(yǎng)動(dòng)手實(shí)踐操作能力和小組團(tuán)結(jié)合作的團(tuán)隊(duì)精神；通過(guò)選擇廢棄物材料，培養(yǎng)環(huán)保意識(shí)。模型展示與交流分享關(guān)注對(duì)學(xué)生成果的肯定，促進(jìn)學(xué)生語(yǔ)言表達(dá)能力的培養(yǎng)和增強(qiáng)學(xué)生的自信心，有效落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的養(yǎng)成。

5教學(xué)反思

《課程標(biāo)準(zhǔn)》的實(shí)施和新教材的使用后，如何在課堂教學(xué)中有效落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培育是每個(gè)教師必需肩負(fù)的重要使命。本節(jié)課根據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》制定的以發(fā)展學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的教學(xué)目標(biāo)展開(kāi)課堂教學(xué)，基于大量生活實(shí)例和科學(xué)史實(shí)證據(jù)，以問(wèn)題為導(dǎo)向進(jìn)行分析推理，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)思維與科學(xué)探究能力，提升社會(huì)責(zé)任核心素養(yǎng)。學(xué)生借助VR/AR3D模型觀察與體驗(yàn)，親身感受到細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)與功能的相適應(yīng)，發(fā)展了生命觀念。在某種意義上，理解模型和進(jìn)行模型建構(gòu)是學(xué)生理解生物學(xué)的一把鑰匙。細(xì)胞膜模型建構(gòu)與修正完善過(guò)程啟發(fā)了學(xué)生的自主思考性和創(chuàng)造性。教師將VR/AR技術(shù)適時(shí)地應(yīng)用于高中生物學(xué)課堂教學(xué)，可有效解決生物學(xué)上的一些教學(xué)重點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題，改變傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式，為教學(xué)帶來(lái)更多的趣味性、新穎性和創(chuàng)造性，有效地激發(fā)學(xué)生思維和提升生物學(xué)核心素養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)高效課堂，提升教學(xué)效果。