高中生物学“氛围学习”空间的构建与教学实施

 

张金鑫　闫白洋

摘要：针对高中生物学知识抽象复杂、实验条件受限、学生探究能力培养困难等现实问题，基于“氛围编程”理念，融合Deep Seek等生成式人工智能技术，开发了涵盖实验模拟、原理可视化、模型搭建、科学探究与科学史再现五类交互资源的“高中生物学氛围学习空间”。该资源系统覆盖高中生物学近180项交互网页资源，通过营造沉浸式学习氛围，推动教与学方式的转型，为高中生物学教学提供了可借鉴的实践路径与资源范式。

《普通高中生物学课程标准(2017年版2025年修订)》明确指出，课程目标应由知识掌握转向素养培育，传统教学方式面临多重现实困境。大量微观的生命现象、抽象概念及动态过程，难以通过传统板书或静态图像充分展现。同时，由于课时、经费和安全等因素的限制，许多重要的生物学实验难以在课堂中实施，制约了学生动手能力与科学探究素养的发展。

近年来以大语言模型为代表的人工智能技术发展迅猛，基于大语言模型的智能化软件开发工具在代码生成等方面表现出良好的性能，为解决上述教学难题提供了新思路。“氛围编程”(vibe coding)是指用户能够超越具体编程语法的限制，通过自然语言向AI传达意图与创意，并由AI代理将其转化为可执行代码。基于“氛围编程”理念的“氛围学习”(vibe learning)是指教师将氛围编程的理念与技术融入教学，以自然语言为媒介，借助AI代理将教师的教学创意快速转化为可执行的交互式学习资源，实现从“技术依赖”到“创意驱动”的转变，让师生忘掉“技术”，师生共同沉浸在高阶思维学习氛围中。“氛围学习”强调以学生认知发展规律与学科核心素养要求为根本出发点，通过高互动、高沉浸、系统化的数字环境，构建支持感知、理解、建模、探究与反思的完整学习历程。在此过程中，技术作为“认知伙伴”隐于幕后，学生得以在接近真实的科学实践场景中发展关键能力与必备品格。

基于上述理念，研究团队利用DeepSeek等生成式人工智能工具，开发了覆盖高中生物学课程核心内容的近180项交互网页资源(网址:http://139.224.191.135/)，构建了具有内在逻辑关联的“氛围学习空间”，并在多校开展实践。本文旨在系统介绍高中生物学“氛围学习空间”的打造理念、教育价值及五类交互资源的设计与应用，以期为一线教师教学提供参考。

1“氛围学习”的理论内涵与教育价值

“氛围学习”作为一种新兴的教学范式，其核心特征体现在以下三个方面:

1.1 创意主导，技术隐身

在“氛围学习”中，教师角色从资源的使用者转变为创意的设计者与教学的架构师。教师无需掌握专业的编程技能，而是借助自然语言向AI清晰描述所需资源的教学目标、交互逻辑与界面形态。AI作为“智能协作者”，负责将抽象的教学意图转化为具体的交互功能。这种人机协作模式极大地降低了技术门槛，使教师能够将精力聚焦于教学逻辑与认知路径的设计，实现“技术隐身、创意凸显”的教学氛围。

1.2 认知进阶，素养贯通

“氛围学习”空间不是资源的简单堆积，而是依据学生的认知发展规律与学科核心素养的内在要求，对交互资源进行系统化组织与功能定位。通过将资源划分为实验模仿、原理表现、模型创建、科学探究与科学史再现五种类型，并对应设计“操作感知—可视化解析—模型建构—探究应用—历史感悟”的螺旋式学习路径，该空间旨在覆盖从感性认识到理性认识、从知识领会到能力迁移、从方法掌握到精神浸润的完整素养体系，实现认知层次与素养维度的双重进阶。

1.3 生态构建，系统赋能“氛围学习空间”本质上是

一个以课程为核心、以素养为导向、以学生为中心的微型“学习生态系统”。各类资源之间并非孤立存在，而是相互关联、功能互补，共同构成一个支持多样化学习方式与个性化认知发展的有机整体。这一系统不仅为学生提供了连贯、深入且富有挑战性的学习体验，也为教师提供了结构化、可重组、易调用的教学资源包，从整体上推动了教与学方式的变革。

2 高中生物学“氛围学习空间”资源类型与教学

2.1 实验类资源——虚拟操作，夯实实验素养

实验教学是培养学生核心素养的关键，但常受限于设备、安全、时长等因素。本空间的实验类交互网页利用高保真虚拟仿真技术，构建“零风险、低成本、可重复”的线上实验室，帮助学生预先形成规范的操作逻辑与科学思维。

例如，PCR虚拟仿真实验界面分为“器材准备”“反应配制”和“PCR仪操作”三区(图1)。学生需从器材库正确选取并放置移液器、PCR管、模板DNA等试剂。在配制环节，系统会对使用虚拟移液器的量程选择、吹打混匀等操作给予即时评价。在PCR仪操作区，学生需自行设置变性、退火、延伸的温度与时间参数。点击运行后，可通过动画直观观察DNA解旋、引物结合、新链合成的微观过程。

图1PCR虚拟仿真实验网页界面

在基因工程单元教学中，教师可安排学生课前自主开展该虚拟实验。课中，教师则聚焦学生操作中的共性错误，引导学生深度讨论“温度精确控制的必要性”“引物在反应中起什么作用”等深层次问题。课后，学生可反复练习以巩固技能，从而降低操作失误率。此举很好地解决了高端仪器少、实验周期长以及试剂成本高的问题，在保障安全的前提下，提升学生的科学探究和科学思维能力。

2.2 原理类资源——动态可视化，深化概念理解

生命过程动态连续是其本质特征，这些生物学原理具有微观、抽象、动态的特点，传统静态媒介难以有效呈现。原理类交互网页的核心功能在于“化静为动，变抽象为具体”。通过动画与交互控件，把教材中零散、静态的知识点重新组织成动态、连续的生理过程，帮助学生实现对核心概念的深度理解。

例如，转录过程的模拟器界面，中间是一段位于细胞核内的双螺旋DNA，右侧是核糖核苷酸原料池和RNA聚合酶(图2)。学生拖动RNA聚合酶至DNA的启动子区域后，DNA局部解旋。学生可扮演“RNA聚合酶”的角色，按碱基互补配对原则，从原料池选取对应核糖核苷酸进行连接，实时观察mRNA链的生成，清晰展示转录的起始、延伸、终止全过程。

图2转录过程模拟网页界面

在学习“基因的表达”时，教师可布置任务:“请扮演RNA聚合酶，按照给定的DNA模板链，合成一条完整的mRNA链。”学生在拼接过程中，亲身体验遗传信息的流动。完成该任务后，教师可引导学生思考:“若模板链某一碱基突变，会有什么后果?”学生可直接在网页上修改碱基进行验证。这种方式将抽象的“转录”概念转化为可操作的模型，有效培养了学生的模型与建模能力及“信息观”。学生对概念的理解远超机械记忆，达到了概念性知识的深度建构。

2.3 模型类资源——动手构建，强化空间思维

模型与建模是科学思维的核心要素之一。提升学生对模型的理解、评判以及构建能力是达成核心素养培育目的的必要手段。模型类交互网页让学生从被动的观察者变为主动的创建者，通过拖拽、旋转、拼接数字化“结构元件”，亲手搭建从分子到细胞器的各级模型，强化空间认知与系统思维。

例如，氨基酸与脱水缩合交互网页界面支持氨基酸结构搭建和脱水缩合过程模拟(图3)。在结构搭建区，学生可利用提供的原子和化学键自由搭建任意氨基酸。在脱水缩合区，学生可在界面左侧选定任意两种氨基酸到反应区，手动调整两个氨基酸分子的空间朝向，让其中一个氨基酸的氨基和另一个氨基酸的羧基准确地靠近在一起，当官能团达到反应距离时，系统会动态演示脱水形成肽键的过程。

图3氨基酸结构搭建网页界面

在“蛋白质”一节教学中，教师可提出挑战性任务:“请先搭建甘氨酸和丙氨酸，再尝试将它们连接起来形成新的分子。”学生在搭建中领悟氨基酸的共性与差异，在“拼装”中亲眼见证肽键的形成。教师可进一步提升难度:“用三种氨基酸合成三肽，有多少种不同的连接顺序?”学生在动手构建中，自然建立起“氨基酸序列决定蛋白质结构”的核心概念，深刻理解物质与能量观。

2.4 探究类资源——情境探究，激发科学思维

课标将“倡导探究性学习”作为课程理念，建议教师运用以探究为核心的多样化教学方式，推进学生在动手和动脑的学习活动中全面达成课程目标。探究类交互网页的核心在于模拟科研流程，为学生提供开放或半开放的探究环境，使其亲身经历从提出问题到得出结论的完整科学探究过程，全方位锻炼科学方法与批判性思维。

例如，物质跨膜运输模拟网页给学习者提供了二氧化碳、氧气、甘油、水、葡萄糖、氯离子、钠离子、钾离子等典型物质，允许学生自由设定膜两侧的浓度差，并可选择是否提供膜蛋白和ATP(图4)。当学生设置好所有参数并移动“运输滑块”后，网页会根据内置规则，即时反馈“通过”或“不通过”。

图4物质跨膜运输网页界面

在学习物质跨膜运输时，教师可设计开放性任务:“请自主设计实验，归纳物质跨膜运输的三种方式及特点。”学生以小组为单位，选择不同物质，组合不同条件进行测试，并将大量零散结果记录在共享表格中。通过对比分析，协作归纳出自由扩散、协助扩散和主动运输的特征与异同。这种方式实现了从“事实”到“概念”的认知跨越，将科学思维内化为解决真实问题的能力。

2.5 科学史类资源——经典重现，感悟科学本质

生物科学史是培养学生核心素养的生动教材。科学史的教育目的在于让学生认识科学概念或理论的发生和演化过程，把握科学的本质，领悟求真务实、开拓创新以及锲而不舍的科学精神。科学史类交互网页让学生“穿越”回历史现场，重走经典发现之路，亲身体验科学发现的曲折，理解知识的动态发展性，感悟求真务实的科学精神。

例如，恩格尔曼实验网页还原了1880年的实验场景，展示具有螺旋状叶绿体的水绵和均匀分布的好氧细菌。学生可进行两个递进实验:一是用狭小的白光照射水绵特定部位，观察细菌向被照亮的叶绿体段聚集，当光束移动，好氧细菌聚集的位置随之改变;二是用棱镜色散后的光谱带照射，清晰观察到细菌主要密集在红光与蓝紫光区域，当光谱带移动，好氧细菌聚集的位置随之改变(图5)。

图5恩格尔曼实验网页界面

在“光合作用的原理”教学中，教师可引导学生扮演恩格尔曼的助手:“请通过两个关键实验，找出氧气产生的部位和最有效的光质。”学生通过操作观察实验一，推理出“叶绿体是光合作用释放氧气的场所”;通过操作观察实验二，自主归纳出叶绿素的吸收光谱。整个过程学生不再是结论的复述者，而是像侦探一样依据实验现象进行逻辑推理，亲历概念的产生过程，深刻领悟科学的实证本质。

3 总结与展望

本研究构建的高中生物学“氛围学习”空间，以“氛围编程”为技术基石，将人工智能转化为教育创新的核心驱动力。五大类交互资源并非简单堆砌，而是共同构成一个功能互补、层次递进的“学习生态系统”。它们分别对应“操作感知—可视化理解—模型建构—探究应用—历史感悟”的认知路径，系统支撑学生从知识记忆迈向素养生成，有助于激发学习内驱力，提升课堂教学效率。

展望未来，本研究将从“虚实融合”与“智能升级”两个维度持续深化:一方面，推动空间从纯虚拟交互向“虚实联动”演进，通过智能感知设备(如智能眼镜、智能烧杯、数字手套)、真实传感器与虚拟模型的实时联动，融合虚拟环境与真实环境相结合实现学生与实验设备、实验场景自然且高效的交互，增强沉浸感与探究真实性;另一方面，致力于将“氛围学习空间”升级为更智能的“学习伴侣”，通过动态学情诊断与路径推荐、深化自然语言对话交互、支持学生利用“氛围编程”进行创造性输出等方式，实现从“资源支持”到“认知伙伴”的跨越，构建更加开放、动态、个性化的学习新生态。

来源：张金鑫,闫白洋.高中生物学“氛围学习”空间的构建与教学实施[J].生物学教学,2026,51(6):13-17.