张礼根

摘要以问题解决、自主学习为主线，结合科学史实和生活实例分析，综合运用类比推理、VR/AR3D模型观察、归纳概括、模型建构等方法，以小组合作学习和教师问题引导相结合形式展开教学，在VR课堂教学中有效落实学生科学思维与科学探究能力的培养，形成结构与功能观，增强社会责任感，促进生物学学科核心素养的培育，提高课堂教学效果。

关键词 VR/AR技术 细胞膜 教学设计 生物学学科核心素养

中图分类号G633. 91文献标志码B

1教材分析与设计思路

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）提出以核心素养为宗旨，教学过程重实践的基本理念。《课程标准》强调：课堂教学过程要求学生主动参与，通过探究活动加深对生物学概念的理解，培养学生的科学思维与科学探究能力，进而能够应用所学知识探讨或解决现实生活中的问题。但在高中生物学教学中，并不是所有的教学内容都能让学生进行亲身体验实践。例如，2019年人教版《必修1·分子与细胞》第三章第一节“细胞膜的结构与功能”在教材中起着承上启下的作用，教师无论采用图片教学或是视频教学方式，都难以让学生亲身体验到细胞膜的微观结构、流动性及其与细胞膜功能的相互联系。2018年，教育部印发《教育信息化2.0行动计划》，提出以人工智能、VR等新兴技术，积极倡导智慧教育。VR/AR技术作为新兴技术具有沉浸性、交互性、多感知性与构想性的特征。此节教学时，教师若能采用VR（虚拟现实）/AR（增强现实），可有效解决学生无法亲身体验、感受的困境。

本节课采用“引导探究”的教学模式，依托科学史实和生活实例，运用作者与科骏VR公司共同开发的基于zSpace的VR/AR3D模型进行教学设计，巧妙融合类比推理、分析推理、归纳概括、模型建构等方法展开课堂教学。教师注重学生亲身体验操作，既激发学生学习兴趣，又让学生深刻理解生物学概念和培养学生科学思维与科学探究能力，促进学生形成结构与功能观，增强学生的社会责任核心素养，促进生物学学科核心素养养成，同时也凸显信息技术与学科教学相融合所带来的高效课堂。

2教学目标

①通过科学史实和生活实例分析，培养基于生物学事实的分析与推理、归纳与概括能力。

②通过对细胞膜成分和结构探索知识的梳理，领悟观察、假说、质疑和推理等在科学研究中的作用，感悟科学在质疑和创新中发展。

③通过对VR/AR3D模型的观察和体验及对细胞膜模型的建构，在实践中理解生物学概念，形成结构与功能观；通过对构建模型的评价，发展批判性思维。

④通过对脂质体药物、血液透析原理的分析，体会科学知识与解决現实问题之间的密切联系，关注人类生命健康；通过利用废旧物品制作细胞膜模型，培养模型建构的科学思维能力，关注废旧物品的再利用，树立节约资源和环保意识，增强社会责任感。

3教学重点和难点

3.1教学重点

细胞膜的功能；细胞膜流动镶嵌模型的基本内容

3.2教学难点

细胞膜的结构与组成成分之间的内在联系；对细胞膜结构的探索过程

4教学过程

4.1热点引入，引导学生类比推理细胞膜的功能

教师联系社会，以社会热点“2020年6·15中印加勒万河谷边境冲突”为背景引入新课，播放“中印边境冲突”视频和展示“中印边界问题示意图”地图图片，并提出问题：中印冲突事件中中印两国的边界是什么？该边界有什么作用？学生通过积极思考、讨论并得出初步结论，中印两国的边界是界碑或边防线，其作用可能有：将中印两国分开，控制两国出入境人员的随意流动等。教师继续追问：那作为生命系统最基本结构层次的细胞的边界又是什么？引导学生采用类比推理的方法进行分析（细胞内代表中国，细胞外代表印度，细胞膜类似于边防线），进一步推测细胞膜的功能。

设计意图：教师以社会热点引入新课，采用类比推理方法，鼓励学生大胆推测，在培养学生分析推理能力的同时，引导学生关注重大社会性议题，使学生树立国家安全观，建立捍卫国家主权和领土完整的信念，学习弘扬英雄模范精神，提高国家荣誉感，提升社会责任感。

4.2VR3D模型观察，视频图片直观展示，推理细胞膜的功能

小组学生合作分别带上3D（2D）眼镜，借助VR技术分别观察大肠杆菌、高等植物细胞和动物细胞的VR3D模型图（图1），感受细胞膜的真实存在。教师提出问题，引导学生思考：大肠杆菌和高等植物细胞的细胞膜外侧的细胞壁能否作为细胞的边界？并分析原因。接着，教师播放“未受精的鸡蛋中蛋白质与蛋黄分开”的实验视频，展示“台盼蓝对死、活动物细胞染色结果”的实验图片，引导学生从视频和图片中推理出细胞膜的功能。小组学生继续合作相互交换3D（2D）眼镜，借助VR技术依次观察和体验内分泌细胞与靶细胞、高等植物细胞之间的信息交流以及精、卵细胞结合的动态变化过程（图2），从VR3D动态模型中继续推理出细胞膜的功能。

设计意图：通过对VR3D模型的观察和体验，学生直接亲身感受到细胞膜及其细胞间进行信息交流过程动态变化的真实存在。学生通过视频、图片的观看与VR3D模型的立体观察，培养基于生物学事实和实证资料的分析推理能力，同时培养语言表达能力，在学习过程中发展科学思维。

4.3以史为据，问题引导，建构细胞膜的物理模型

教师指导学生阅读教材“对细胞膜成分和结构探索”的科学史，并提出问题串：①依据欧文顿实验，可做出什么推测？若要进一步验证该推测，该如何继续实验？分析护肤品中甘油被人体细胞吸收的过程。②依据戈特和格伦德尔实验，可做出什么推断？③基于磷脂分子结构特点与组织细胞膜内外均含有水的事实，推理出磷脂分子在细胞膜上的排列分布，初步建构出由磷脂分子组成的细胞膜物理模型。④依据丹尼利和戴维森实验结果，可做出什么推论？结合所学知识设计实验验证上述推理。⑤结合罗伯特森显示出“暗-亮-暗”三层结构的电镜照片和展示出的冰冻蚀刻电子显微技术拍摄到的细胞膜结构图片，可提出什么假说？学生思考、讨论、回答教师精心设计的问题串，并逐步完成细胞膜物理模型的建构。教师引导学生推理出蛋白质在细胞膜上的排列分布情况，在已构建的细胞膜物理模型基础上，进一步建构出有蛋白质分布的细胞膜物理模型。师生对两次构建的细胞膜物理模型进行生生评价、师生评价。

设计意图：通过对科学史实的分析与推理，教师引导学生追寻科学家科学探究的足迹，使学生领悟观察、推理、归纳等方法在科学研究中的重要作用，认同科学理论的形成是科学思维、技术发展和科学精神相结合不断修正与完善的结果。层层递进的问题串最终指向细胞膜物理模型的建构，激发学生思维，启发学生深入思考、养成科学思维。学生设计实验验证，进一步提升探究兴趣；依据科学实验证据，建构细胞膜物理模型，培养尊重科学事实的态度。教学突出课堂知识的动态生成，体现《课程标准》提出的教学过程重实践的基本理念。对构建的物理模型进行生生评价、师生评价，践行《课程标准》中“学业评价促发展”的基本理念，实现课堂高效交互。

4.4质疑求证，AR3D模型观察，阐述细胞膜流动镶嵌模型的知识要点

当学生初步建构完由磷脂分子和蛋白质分子组成的细胞膜物理模型后，教师提出质疑：你是否认同罗伯特森对细胞膜模型静态结构的描述？分析原因并举例加以求证。教师播放“人-鼠细胞融合”与“植物体细胞杂交”的实验视频，追问：依据上述实验视频，可推理出什么结论？小组学生相互合作分别带上3D（2D）眼镜，借助AR技术立体性全方位观察细胞膜的组成成分及结构3D模型（图3）；通过操作笔体验细胞膜中磷脂分子和蛋白质分子的运动，对细胞膜结构进行拆分和重组装（图4），依据对细胞膜AR3D模型的观察和体验，归纳、总结并阐述细胞膜流动镶嵌模型的知识要点，解释与细胞膜结构相适应的功能。

设计意图：学生通过对现有科学观点的质疑，培養批判性思维能力和质疑精神，借助视频观察和问题引导，以事实为依据认同细胞膜是流动的而不是静止的。并利用AR3D模型对细胞膜成分与结构的观察、拆分和重组装，直接亲身体验到细胞膜成分、结构、及其流动性，认同细胞膜的流动镶嵌模型，在实践中深化了对生物学概念的理解，有助于构建知识框架，进一步促进了结构与功能观的生成。

4.5归纳总结，建构概念模型，拓展认知，增强社会责任感

教师带领学生一起回顾本节课知识要点，引导学生建构“细胞膜的结构和功能”知识框架概念图。教师联系生活实际，提供“脂质体和紫杉醇（一种抗癌药物，不溶于水）”与“血液透析治疗尿毒症”两则情境资料，设计系列相关问题，引导学生分析、推理，进一步落实课堂知识在生活实践中的应用，学以致用。课后，教师给出材料用具：包裹中药丸的球形蜡质盒、废弃铁丝或电线、废弃硬质泡沫塑料、剪刀等。学生小组合作、课后制作细胞膜的流动镶嵌模型，制作的模型将于下节课课前进行小组展示与交流分享。

设计意图：教师引导学生通过归纳总结，构建章节概念模型图，强化知识之间的内在联系，提高学生的整体认知水平。并联系生活实际，培养学生在真实情境下运用所学生物学知识解决生活实际问题的能力，体现知识来源于生活并运用于生活，提高学生知识迁移能力，发展学生的科学思维，同时引导学生关爱生命健康。课后，小组合作制作细胞膜流动镶嵌模型，培养动手实践操作能力和小组团结合作的团队精神；通过选择废弃物材料，培养环保意识。模型展示与交流分享关注对学生成果的肯定，促进学生语言表达能力的培养和增强学生的自信心，有效落实生物学学科核心素养的养成。

5教学反思

《课程标准》的实施和新教材的使用后，如何在课堂教学中有效落实生物学学科核心素养的培育是每个教师必需肩负的重要使命。本节课根据《课程标准》制定的以发展学生生物学学科核心素养的教学目标展开课堂教学，基于大量生活实例和科学史实证据，以问题为导向进行分析推理，培养了学生的科学思维与科学探究能力，提升社会责任核心素养。学生借助VR/AR3D模型观察与体验，亲身感受到细胞膜的结构与功能的相适应，发展了生命观念。在某种意义上，理解模型和进行模型建构是学生理解生物学的一把钥匙。细胞膜模型建构与修正完善过程启发了学生的自主思考性和创造性。教师将VR/AR技术适时地应用于高中生物学课堂教学，可有效解决生物学上的一些教学重点和难点问题，改变传统的课堂教学方式，为教学带来更多的趣味性、新颖性和创造性，有效地激发学生思维和提升生物学核心素养，实现高效课堂，提升教学效果。