基于VR/AR技术的“细胞膜的结构和功能”教学设计
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。
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
4.1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VR