虛擬實驗在初中生物學實驗教學中的運用

金鑫

摘 要 根據《義務教育生物課課程標準（2011年版）》的實施建議“有條件的學校還可以適當引入多媒體技術進行虛擬實驗”，介紹了虛擬實驗的產生、概念以及虛擬實驗在初中生物實驗教學中的運用實例及作用。

關鍵詞 虛擬實驗 生物實驗教學

中圖分類號 G633.91 文獻標識碼 B

為了保護生物的多樣性，培養學生熱愛生命、熱愛自然的情感，在生物新課標教材中，大量的解剖實驗已經被刪除，《義務教育生物課課程標準（2011年版)》更提倡實驗設計多樣化，建議“有條件的學校還可以適當引入多媒體技術進行虛擬實驗”。但在教學實踐中，一線教師對虛擬實驗還不甚了解。下面對虛擬實驗在生物實驗教學中的運用做個簡單介紹。

1 虛擬實驗的概念

虛擬實驗是指利用多媒體技術、虛擬現實技術，學習者通過鼠標、鍵盤、顯示器以及力矩球、數據手套、數據眼鏡等輸入、輸出設備操作虛擬環境中的實驗儀器，模擬實驗過程，觀察實驗現象，探索實驗規律的實驗。簡單地說，虛擬實驗是用多媒體的手段對真實實驗進行再現或模擬，再由學生進行觀看或參與操作的一種實驗方式。虛擬實驗用到的相關技術見圖1。

我國的生物虛擬實驗還處于起步階段，首家中學虛擬科學實驗室于2002年9月建成，其中也安裝了生物學科的實驗軟件和傳感器。此網站中也介紹了很多生物虛擬實驗室的網址。但是總體來說，我國對虛擬實驗室和虛擬實驗的研究還停留在探索階段，其實踐和應用局限在部分高校的有限的范圍，虛擬實驗的數量有限，在教學中真正發揮作用的更是少量，初中生物教學中需要的相關實驗幾乎是空白。現在在中學教學中少量使用的所謂虛擬實驗，多數以課件形式出現，交互性少，以模擬演示方式存在，還不能稱之為真正意義上的虛擬實驗，但已經可以在教學中發揮獨特的作用。

2 虛擬實驗在實驗教學中的運用

虛擬實驗用在實驗教學中的運用包括以下幾方面：（1） 用于真實實驗前的指導。在實驗前，對實驗的原理、過程、現象做一些介紹，以便于對教學內容的理解，便于真實實驗的開展。（2） 用于講解教學內容。在課堂上講解內容時，為了說明一些現象，需要用虛擬實驗來展示，進而有助于講解教學內容。這些教學內容可以是通過真實實驗來演示的，也可能是一些宏觀、微觀、危險的、無法通過真實實驗來演示的，這時，通過虛擬實驗來講解實驗現象是一個十分可行的方法。（3） 用于課后復習。在復習過程中，學生還會遇到很多問題。其中就有很多關系到實驗的，這時候再去實驗室做實驗已不大可能，利用虛擬實驗可以便于學生自主學習。下面介紹兩個可以方便使用的虛擬實驗課件，通過截圖演示。

2.1 “魚鰭的作用”（適用于人教版八年級上冊第4頁“魚鰭在游泳中的作用”）

課件來自網絡，選取部分操作與說明見圖2。

通過菜單操作，學生可以很清晰地觀看魚鰭的各種作用。此課件可以在學生只做了“活體魚”進行模擬實驗后進一步探究。

2.2 “輸血與血型”（適用于人教版七年級下冊76頁“輸血與血型”）

課件來自網絡，操作與說明如下列系列截圖。

（1） 救護車送來三位病人，他們失血過多，需要輸血。醫生提示：操作者的工作是測定他們的血型，并且給他們輸血。操作者隨意用鼠標點擊一個病人，將此病人送入病房（圖3）。

（2） 病房護士要求操作者先正確測定病人的血型，然后輸血。如果你操作順序錯誤，如沒有測定病人的血型，想直接輸血，就會出現下列提示，修正你的做法。

（3） 當操作者使用鼠標點擊注射器，從病人裸露的胳膊上抽血并與三種血型抗體試劑混合后，操作者可以通過小圖來查看A、B、C三個試管發生的情況，以判斷病人的血型（圖5）。

（4） 然后參考血袋中的用血說明，決定給病人輸何種血型的血液（圖6）。

（5） 當操作者給病人所輸的血是與病人的血型不符合的，病房護士就會提醒你修正。如果操作者的操作是正確的，病房護士就會提醒你再嘗試輸其他血袋里的血。沒有血液可輸時，就可以帶下一位病人了。

（6） 點擊其他病人，重復以上的操作，直到把正確的血液輸完為止。

這一課件，雖然不是典型的虛擬實驗課件，但是指導語言是中文，背景、情景設計逼真。當操作者操作正確時，病人的臉色立即變得紅潤；錯誤時，病人的臉色青紫，渾身顫抖、青筋暴露，非常有現場感。其他像抽血、輸血，與醫院醫生的真實操作非常相似，設計科學。課件設計有三個病人，當學生在學習時，第一個病人還容易判斷錯誤，到第三個病人時，已經基本掌握血型的判定和輸血的知識，這種設計很符合學生學習的認知規律。課件畫面醒目、易操作、不枯燥，易于使用，是個很不錯的虛擬實驗課件。

我國的生物虛擬實驗室大部分是非交互式的，即學生可以在網上了解實驗內容、觀看動畫或視頻形式的實驗演示過程，但無法自己動手操作。這樣學生不能獲得直接的感性認識，不利于實驗技能的培養和知識的鞏固。學校應該大力發展交互式的虛擬實驗室，讓學生不僅可以觀看，還可以動用輸入設備對實驗過程進行實際操作。

3 虛擬實驗在實驗教學中的作用

3.1 用于學生熟悉實驗原理、方法和實驗操作過程

新課程改革以后，為了提高學生的生物科學素養，初中生物實驗內容明顯增多，相對地，由于教學課時沒有增加，甚至還有減少，例如七年級上學期的周課時從3節減少到2節，這就造成教學課時的明顯不足，這也是部分學校不能開齊所有實驗課的客觀原因之一。在教學實踐中，部分教師為了在有限的實驗課時間內完成實驗，常常縮短講解和示范操作的實驗環節，但這常常會造成部分學生在實驗前對實驗原理理解不透，直接影響實驗過程，拖延實驗時間，影響實驗效果。如果教師在開展真實實驗前，可以通過展示虛擬實驗來講解實驗原理、實驗方法、實驗步驟，讓學生能充分了解實驗的進程，就可以增加學生對實驗的了解，以保證學生有較多的操作時間。如果學生能夠在開展真實實驗前，親手操作虛擬實驗課件，學生不必擔心損壞儀器，甚至發生事故，在正式實驗時就能熟悉操作過程，減少操作失誤，從而更加激發學生對實驗的學習興趣。

另外，虛擬實驗課件具有無限量復制特性，學生可以根據自己的需求，隨時選擇時間完成實驗，并可根據需要“真實”地觀察實驗現象、操作實驗儀器。這對于課前預習實驗，充分搞清實驗原理、實驗過程和儀器設備的使用，建立實驗前的直觀認識有極大的好處，客觀上實現了實驗室空間和時間上的延伸。

3.2 促進學生由被動學習變主動學習，提高創新實踐能力

真實實驗利用真實材料、儀器做實驗，往往因為要消耗實驗材料，損耗實驗器材，教師本著節約資源的考慮，在有限的實驗時間內，對學生使用實驗材料的數量和操作儀器的次數往往加以限制。而一些花費時間較長的實驗，如探究“酸雨對生物的影響”，由于實驗所需周期較長，在課堂教學時間內難于完成，學生即使觀看了有關圖片，但是單憑教師的語言描述和講解，學生沒有參與感。通過虛擬實驗，不僅可以重復實驗、縮短實驗時間，學生還可以參與其中，在一遍遍地嘗試中，學生不僅可以溫故知新，在深刻理解實驗原理的基礎上，還可以嘗試提出新的實驗方法和設想，有利于創新能力的培養。這樣學生變成了學習的主體、知識的主動構建者。

在虛擬實驗過程中，學生甚至還可以根據自己的興趣自主選擇實驗內容、自己決定實驗時間和進度，自己發現問題、解決問題，可以按照自己的想法大膽嘗試，或者在網上協同實驗室里與他人交流、合作，共同完成一項科學探索，從而加深對知識的理解，激發學習興趣，增強創新能力。

3.3 幫助學生完成一些難以開展的實驗，進一步培養學生的探究精神

虛擬實驗在教學中有著真實實驗所不具有的某些功能，能完成真實實驗難以完成或無法完成的實驗。例如，一些花費昂貴的實驗，學校需要拿出不少的費用投到實驗上來，條件達不到的學校就沒法開設，虛擬實驗就可以彌補這個遺憾，節約資源和經費。對于一些危險的、不太好實施的實驗，用虛擬實驗去實施，既可以省去很多的實驗費用，使許多實驗成本過高而難于開出或無法一人一組開出的實驗順利開出，又增加了學生的實驗機會，提高了實驗教學的質量。虛擬實驗利用虛擬現實技術仿真或虛構某些情境，供學生觀察與操縱其中的對象，使他們可以獲得體驗或有所發現。例如，最經典的虛擬青蛙解剖實驗可以幫助少年兒童利用生動、直觀的形象有效地激發聯想，喚醒長期記憶中的有關知識、經驗和表象，從而使學生能利用自己原有認知結構中的有關知識與經驗去同化當前學習到的新知識，賦予新知識以某種新意義，在溫故知新的過程中培養學生的探究精神。

虛擬實驗還可以讓學生在模擬的情境中進行探索，去發現隱藏在其中的奧秘，讓學生像科學家一樣研究，體驗科學研究的過程和樂趣，對培養學生的科學、創新精神和提高科學素養有很重要的促進作用。在虛擬實驗中，虛擬實驗室采取人機交互的方式實施實驗，使學生就像置身于真實的實驗環境中，具有智能性、仿真性、形象性和趣味性，充分調動了學生學習的興趣和積極性，培養了學生的創造力，提高了學生的創新能力。

虛擬實驗是對真實實驗的模擬或再現，通過虛擬實驗可以輔助真實實驗的實施以及教學的進行。但是，在學校實驗條件允許的條件下，能開展真實實驗的還是要開展真實實驗。不能因為虛擬實驗技術的發展而忽視真實實驗。只有通過真實實驗，才能逐步提高學生的動手操作能力。而在有條件的學校，也要提倡充分開發虛擬實驗，使其成為教學的重要組成部分。因為，即使是交互性不強的虛擬實驗，也形象、生動、直觀，在展現實驗現象時具有強大的表現力。