“數(shù)字化學(xué)習(xí)”是一種在大數(shù)據(jù)環(huán)境下，以提高學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)特別是數(shù)據(jù)素養(yǎng)為宗旨，以探究式教學(xué)為鮮明特征，以科學(xué)思想、科學(xué)方法特別是數(shù)據(jù)挖掘方法為核心的學(xué)習(xí)模式。它不僅把數(shù)字化工具、媒體、網(wǎng)絡(luò)和軟件等技術(shù)作為輔助教學(xué)的工具，而且強(qiáng)調(diào)要利用數(shù)字化技術(shù)建構(gòu)一種新型的教學(xué)環(huán)境，以支持自主探索、多重交互、情境創(chuàng)設(shè)、合作學(xué)習(xí)、資源共享的學(xué)習(xí)方式。本著這樣的理念，我們從必修課、選修課、特色課等多方面展開了“數(shù)字化生物學(xué)習(xí)”的實(shí)踐研究。

一、數(shù)字化學(xué)習(xí)的應(yīng)用

　　在人教版高中生物教材中，編者引入了大量的數(shù)字化研究方法，如種群生長曲線、基因頻率及基因型頻率的推演等。但我們讓學(xué)生突破教材，選用各種多媒體輔助軟件開展深度探究學(xué)習(xí)。比如，學(xué)生們用傳感器測酶活性，用計(jì)算機(jī)繪制光合作用圖線，用數(shù)碼相機(jī)對植物固碳釋氧量進(jìn)行估算，用傳感器研究填海區(qū)土壤生態(tài)與微生物的關(guān)系，用數(shù)碼相機(jī)和幾何畫板研究動(dòng)物生態(tài)識別，用紅外測溫儀研究植物體溫調(diào)節(jié)，用數(shù)碼照片估算灌木地上生物量，等等。

二、數(shù)字化學(xué)習(xí)的作用

　　1.幫助學(xué)生完成由形象到抽象的思維升華
　　生物學(xué)科有些內(nèi)容比較抽象，看不到、摸不著，學(xué)生無法想象，無法在腦海中建立圖景，妨礙了學(xué)生對生物規(guī)律的深入理解。
　　例如，葉綠體的功能與結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因其亞顯微結(jié)構(gòu)較為抽象，我便和學(xué)生一起，將數(shù)碼相機(jī)功能調(diào)至“微距”或“放大”后拍攝教材圖片，然后轉(zhuǎn)至電腦進(jìn)行圖片的編輯和處理，再制成更為清晰的放大的教學(xué)圖片，彌補(bǔ)教材教學(xué)圖片的不足。再如，在群落結(jié)構(gòu)的教學(xué)中，學(xué)生用數(shù)碼相機(jī)拍取熟知的校園或周邊生物的水平結(jié)構(gòu)和垂直結(jié)構(gòu)，再通過PowerPoint播放圖片，既有真實(shí)感，貼近生活，又與教學(xué)內(nèi)容有效接軌。
　　一次課堂討論時(shí)，學(xué)生對斑馬的黑白條紋非常感興趣，他們查閱文獻(xiàn)，對文獻(xiàn)中“種群識別、保護(hù)色、驅(qū)趕蚊蠅”等觀點(diǎn)產(chǎn)生質(zhì)疑，并提出自己的觀點(diǎn)：斑馬條紋是否可以控制體表溫度？據(jù)此提出假設(shè)：黑白條紋如果可以降低溫度，可能是因?yàn)樵诤诎讞l紋的上方，空氣形成氣壓差，衍生小氣流，因而降低體表溫度以適應(yīng)非洲炎熱環(huán)境。于是，他們開始建立斑馬條紋的物理模型；進(jìn)而研究不同粗細(xì)黑白條紋瓶的控溫效果；最后再建立黑白相間條紋產(chǎn)生空氣對流的數(shù)學(xué)模型。學(xué)生經(jīng)歷了從生物現(xiàn)象到物理建模再到數(shù)學(xué)模型的思維遞進(jìn)升華（見圖1）。
　　2.加速學(xué)生思維過程，提高教學(xué)質(zhì)量
　　數(shù)字化研究方法能夠把動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地反映在計(jì)算機(jī)中，以便師生深入挖掘其數(shù)字內(nèi)涵，加速從觀察現(xiàn)象、建立模型到認(rèn)識本質(zhì)的思維過程，提高教學(xué)效果。在必修1“影響過氧化氫酶的活性因素”的教學(xué)中，我們借助氧氣傳感器，在電腦中同步記錄下各種蔬菜、水果及動(dòng)物肝臟提取液分解過氧化氫的速率隨時(shí)間變化圖像（見圖2），對特殊點(diǎn)附上坐標(biāo)值，讓學(xué)生分析生物酶是通過降低化學(xué)反應(yīng)活化能而起到催化作用。這對于高一學(xué)生是一個(gè)不小的挑戰(zhàn)。學(xué)生對來自于生活、來自于自身的問題充滿求知興趣和探索欲望，理性的教學(xué)中洋溢著激情，興奮的操作中突破了難點(diǎn)。
　　3.培養(yǎng)學(xué)生的問題意識和數(shù)據(jù)探究能力
　　古人云“工欲善其事，必先利其器”，有了數(shù)字化方法這個(gè)強(qiáng)大的工具和環(huán)境，學(xué)生的問題意識大大增強(qiáng)，總是希望能夠借助它解決更多的問題。在“光合作用”的學(xué)習(xí)中，我們利用傳感器測定金魚藻光合作用強(qiáng)度（見圖3）。
　　在此基礎(chǔ)上，學(xué)生對探究不同單色光對光合作用強(qiáng)度的影響充滿興趣，提出能否驗(yàn)證植物體溫變化規(guī)律、調(diào)節(jié)機(jī)制與光合作用的關(guān)系。他們上網(wǎng)查閱資料，沒有發(fā)現(xiàn)相關(guān)的研究和結(jié)論，真是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。經(jīng)過討論，大家確定利用紅外熱像儀獲得植物紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)，將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像（見圖4）。熱圖像的不同顏色代表被測物體的不同溫度。此外學(xué)生利用紅外測溫儀于夏季早、中、晚不同時(shí)段對同一植物體溫進(jìn)行連續(xù)觀察，得出植物體溫隨時(shí)間變化曲線，從而發(fā)現(xiàn)光合作用強(qiáng)度與植物體溫變化的規(guī)律。
　　4. 促使學(xué)生從指向性學(xué)習(xí)到跨界學(xué)習(xí)
　　教學(xué)中聚焦熱點(diǎn)，關(guān)注前沿。從熱門話題的導(dǎo)入、熱點(diǎn)問題的辯論、網(wǎng)絡(luò)信息的引入、生活問題的解決等方面探究生物跨學(xué)科融合的學(xué)習(xí)策略，讓學(xué)生學(xué)以致用，提高學(xué)生的科技意識和應(yīng)用意識。例如，學(xué)生通過觀看《廣州“蚊子工廠”周產(chǎn)2000萬只“益蚊”》新聞報(bào)道，思考：科研人員沒有選擇城市住宅區(qū)，而是選擇了一個(gè)小島先行實(shí)驗(yàn)，為什么呢？其中的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿绾螛?gòu)建？為找到答案，學(xué)生必須研究該小島——沙仔島的綜合情況，比如分析其地理位置、生態(tài)狀況、物理環(huán)境等信息，然后才能做出如遺傳漂變等綜合分析。教師進(jìn)而引導(dǎo)：要實(shí)現(xiàn)人工“益蚊”優(yōu)先交配權(quán)，達(dá)到良好的控蚊效果，人工飼養(yǎng)的雄蚊應(yīng)按什么比例、什么方式投放？需要考慮哪些因素？這都是跨界學(xué)習(xí)的深層次問題了。
　　總之，大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)來臨，我們希望數(shù)字化的生物學(xué)習(xí)模式能夠加強(qiáng)學(xué)生與生活、現(xiàn)代社會及科技發(fā)展的聯(lián)系。無論學(xué)生未來從事怎樣的工作，都能有良好的科學(xué)素養(yǎng)和數(shù)據(jù)素養(yǎng)，保有對科學(xué)、對數(shù)據(jù)的敏感和探索的熱情。
　　（作者單位：深圳北京師范大學(xué)南山附屬學(xué)校）
　　責(zé)任編輯：肖佳曉

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