基于VR/AR技術的“細胞膜的結構和功能”教學設計

張禮根

摘要以問題解決、自主學習為主線，結合科學史實和生活實例分析，綜合運用類比推理、VR/AR3D模型觀察、歸納概括、模型建構等方法，以小組合作學習和教師問題引導相結合形式展開教學，在VR課堂教學中有效落實學生科學思維與科學探究能力的培養，形成結構與功能觀，增強社會責任感，促進生物學學科核心素養的培育，提高課堂教學效果。

關鍵詞 VR/AR技術 細胞膜 教學設計 生物學學科核心素養

中圖分類號G633. 91文獻標志碼B

1教材分析與設計思路

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）提出以核心素養為宗旨，教學過程重實踐的基本理念?！墩n程標準》強調：課堂教學過程要求學生主動參與，通過探究活動加深對生物學概念的理解，培養學生的科學思維與科學探究能力，進而能夠應用所學知識探討或解決現實生活中的問題。但在高中生物學教學中，并不是所有的教學內容都能讓學生進行親身體驗實踐。例如，2019年人教版《必修1·分子與細胞》第三章第一節“細胞膜的結構與功能”在教材中起著承上啟下的作用，教師無論采用圖片教學或是視頻教學方式，都難以讓學生親身體驗到細胞膜的微觀結構、流動性及其與細胞膜功能的相互聯系。2018年，教育部印發《教育信息化2.0行動計劃》，提出以人工智能、VR等新興技術，積極倡導智慧教育。VR/AR技術作為新興技術具有沉浸性、交互性、多感知性與構想性的特征。此節教學時，教師若能采用VR（虛擬現實）/AR（增強現實），可有效解決學生無法親身體驗、感受的困境。

本節課采用“引導探究”的教學模式，依托科學史實和生活實例，運用作者與科駿VR公司共同開發的基于zSpace的VR/AR3D模型進行教學設計，巧妙融合類比推理、分析推理、歸納概括、模型建構等方法展開課堂教學。教師注重學生親身體驗操作，既激發學生學習興趣，又讓學生深刻理解生物學概念和培養學生科學思維與科學探究能力，促進學生形成結構與功能觀，增強學生的社會責任核心素養，促進生物學學科核心素養養成，同時也凸顯信息技術與學科教學相融合所帶來的高效課堂。

2教學目標

①通過科學史實和生活實例分析，培養基于生物學事實的分析與推理、歸納與概括能力。

②通過對細胞膜成分和結構探索知識的梳理，領悟觀察、假說、質疑和推理等在科學研究中的作用，感悟科學在質疑和創新中發展。

③通過對VR/AR3D模型的觀察和體驗及對細胞膜模型的建構，在實踐中理解生物學概念，形成結構與功能觀；通過對構建模型的評價，發展批判性思維。

④通過對脂質體藥物、血液透析原理的分析，體會科學知識與解決現實問題之間的密切聯系，關注人類生命健康；通過利用廢舊物品制作細胞膜模型，培養模型建構的科學思維能力，關注廢舊物品的再利用，樹立節約資源和環保意識，增強社會責任感。

3教學重點和難點

3.1教學重點

細胞膜的功能；細胞膜流動鑲嵌模型的基本內容

3.2教學難點

細胞膜的結構與組成成分之間的內在聯系；對細胞膜結構的探索過程

4教學過程

4.1熱點引入，引導學生類比推理細胞膜的功能

教師聯系社會，以社會熱點“2020年6·15中印加勒萬河谷邊境沖突”為背景引入新課，播放“中印邊境沖突”視頻和展示“中印邊界問題示意圖”地圖圖片，并提出問題：中印沖突事件中中印兩國的邊界是什么？該邊界有什么作用？學生通過積極思考、討論并得出初步結論，中印兩國的邊界是界碑或邊防線，其作用可能有：將中印兩國分開，控制兩國出入境人員的隨意流動等。教師繼續追問：那作為生命系統最基本結構層次的細胞的邊界又是什么？引導學生采用類比推理的方法進行分析（細胞內代表中國，細胞外代表印度，細胞膜類似于邊防線），進一步推測細胞膜的功能。

設計意圖：教師以社會熱點引入新課，采用類比推理方法，鼓勵學生大膽推測，在培養學生分析推理能力的同時，引導學生關注重大社會性議題，使學生樹立國家安全觀，建立捍衛國家主權和領土完整的信念，學習弘揚英雄模范精神，提高國家榮譽感，提升社會責任感。

4.2VR3D模型觀察，視頻圖片直觀展示，推理細胞膜的功能

小組學生合作分別帶上3D（2D）眼鏡，借助VR技術分別觀察大腸桿菌、高等植物細胞和動物細胞的VR3D模型圖（圖1），感受細胞膜的真實存在。教師提出問題，引導學生思考：大腸桿菌和高等植物細胞的細胞膜外側的細胞壁能否作為細胞的邊界？并分析原因。接著，教師播放“未受精的雞蛋中蛋白質與蛋黃分開”的實驗視頻，展示“臺盼藍對死、活動物細胞染色結果”的實驗圖片，引導學生從視頻和圖片中推理出細胞膜的功能。小組學生繼續合作相互交換3D（2D）眼鏡，借助VR技術依次觀察和體驗內分泌細胞與靶細胞、高等植物細胞之間的信息交流以及精、卵細胞結合的動態變化過程（圖2），從VR3D動態模型中繼續推理出細胞膜的功能。

設計意圖：通過對VR3D模型的觀察和體驗，學生直接親身感受到細胞膜及其細胞間進行信息交流過程動態變化的真實存在。學生通過視頻、圖片的觀看與VR3D模型的立體觀察，培養基于生物學事實和實證資料的分析推理能力，同時培養語言表達能力，在學習過程中發展科學思維。

4.3以史為據，問題引導，建構細胞膜的物理模型

教師指導學生閱讀教材“對細胞膜成分和結構探索”的科學史，并提出問題串：①依據歐文頓實驗，可做出什么推測？若要進一步驗證該推測，該如何繼續實驗？分析護膚品中甘油被人體細胞吸收的過程。②依據戈特和格倫德爾實驗，可做出什么推斷？③基于磷脂分子結構特點與組織細胞膜內外均含有水的事實，推理出磷脂分子在細胞膜上的排列分布，初步建構出由磷脂分子組成的細胞膜物理模型。④依據丹尼利和戴維森實驗結果，可做出什么推論？結合所學知識設計實驗驗證上述推理。⑤結合羅伯特森顯示出“暗-亮-暗”三層結構的電鏡照片和展示出的冰凍蝕刻電子顯微技術拍攝到的細胞膜結構圖片，可提出什么假說？學生思考、討論、回答教師精心設計的問題串，并逐步完成細胞膜物理模型的建構。教師引導學生推理出蛋白質在細胞膜上的排列分布情況，在已構建的細胞膜物理模型基礎上，進一步建構出有蛋白質分布的細胞膜物理模型。師生對兩次構建的細胞膜物理模型進行生生評價、師生評價。

設計意圖：通過對科學史實的分析與推理，教師引導學生追尋科學家科學探究的足跡，使學生領悟觀察、推理、歸納等方法在科學研究中的重要作用，認同科學理論的形成是科學思維、技術發展和科學精神相結合不斷修正與完善的結果。層層遞進的問題串最終指向細胞膜物理模型的建構，激發學生思維，啟發學生深入思考、養成科學思維。學生設計實驗驗證，進一步提升探究興趣；依據科學實驗證據，建構細胞膜物理模型，培養尊重科學事實的態度。教學突出課堂知識的動態生成，體現《課程標準》提出的教學過程重實踐的基本理念。對構建的物理模型進行生生評價、師生評價，踐行《課程標準》中“學業評價促發展”的基本理念，實現課堂高效交互。

4.4質疑求證，AR3D模型觀察，闡述細胞膜流動鑲嵌模型的知識要點

當學生初步建構完由磷脂分子和蛋白質分子組成的細胞膜物理模型后，教師提出質疑：你是否認同羅伯特森對細胞膜模型靜態結構的描述？分析原因并舉例加以求證。教師播放“人-鼠細胞融合”與“植物體細胞雜交”的實驗視頻，追問：依據上述實驗視頻，可推理出什么結論？小組學生相互合作分別帶上3D（2D）眼鏡，借助AR技術立體性全方位觀察細胞膜的組成成分及結構3D模型（圖3）；通過操作筆體驗細胞膜中磷脂分子和蛋白質分子的運動，對細胞膜結構進行拆分和重組裝（圖4），依據對細胞膜AR3D模型的觀察和體驗，歸納、總結并闡述細胞膜流動鑲嵌模型的知識要點，解釋與細胞膜結構相適應的功能。

設計意圖：學生通過對現有科學觀點的質疑，培養批判性思維能力和質疑精神，借助視頻觀察和問題引導，以事實為依據認同細胞膜是流動的而不是靜止的。并利用AR3D模型對細胞膜成分與結構的觀察、拆分和重組裝，直接親身體驗到細胞膜成分、結構、及其流動性，認同細胞膜的流動鑲嵌模型，在實踐中深化了對生物學概念的理解，有助于構建知識框架，進一步促進了結構與功能觀的生成。

4.5歸納總結，建構概念模型，拓展認知，增強社會責任感

教師帶領學生一起回顧本節課知識要點，引導學生建構“細胞膜的結構和功能”知識框架概念圖。教師聯系生活實際，提供“脂質體和紫杉醇（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，設計系列相關問題，引導學生分析、推理，進一步落實課堂知識在生活實踐中的應用，學以致用。課后，教師給出材料用具：包裹中藥丸的球形蠟質盒、廢棄鐵絲或電線、廢棄硬質泡沫塑料、剪刀等。學生小組合作、課后制作細胞膜的流動鑲嵌模型，制作的模型將于下節課課前進行小組展示與交流分享。

設計意圖：教師引導學生通過歸納總結，構建章節概念模型圖，強化知識之間的內在聯系，提高學生的整體認知水平。并聯系生活實際，培養學生在真實情境下運用所學生物學知識解決生活實際問題的能力，體現知識來源于生活并運用于生活，提高學生知識遷移能力，發展學生的科學思維，同時引導學生關愛生命健康。課后，小組合作制作細胞膜流動鑲嵌模型，培養動手實踐操作能力和小組團結合作的團隊精神；通過選擇廢棄物材料，培養環保意識。模型展示與交流分享關注對學生成果的肯定，促進學生語言表達能力的培養和增強學生的自信心，有效落實生物學學科核心素養的養成。

5教學反思

《課程標準》的實施和新教材的使用后，如何在課堂教學中有效落實生物學學科核心素養的培育是每個教師必需肩負的重要使命。本節課根據《課程標準》制定的以發展學生生物學學科核心素養的教學目標展開課堂教學，基于大量生活實例和科學史實證據，以問題為導向進行分析推理，培養了學生的科學思維與科學探究能力，提升社會責任核心素養。學生借助VR/AR3D模型觀察與體驗，親身感受到細胞膜的結構與功能的相適應，發展了生命觀念。在某種意義上，理解模型和進行模型建構是學生理解生物學的一把鑰匙。細胞膜模型建構與修正完善過程啟發了學生的自主思考性和創造性。教師將VR/AR技術適時地應用于高中生物學課堂教學，可有效解決生物學上的一些教學重點和難點問題，改變傳統的課堂教學方式，為教學帶來更多的趣味性、新穎性和創造性，有效地激發學生思維和提升生物學核心素養，實現高效課堂，提升教學效果。