虛擬實(shí)驗(yàn)室在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

【摘要】虛擬實(shí)驗(yàn)室仿真學(xué)習(xí)環(huán)境有助于緩解實(shí)驗(yàn)資源與教學(xué)需求之間的矛盾，解決學(xué)生多，實(shí)驗(yàn)設(shè)備少，鍛煉機(jī)會(huì)少等問(wèn)題。本文重點(diǎn)介紹虛擬實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)中的應(yīng)用、虛擬實(shí)驗(yàn)室融入生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法以及虛擬實(shí)驗(yàn)室效果的評(píng)價(jià)。

【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)教學(xué) 生物實(shí)驗(yàn) 虛擬實(shí)驗(yàn)室

【基金項(xiàng)目】廣州市教育局2016年青少年科技教育項(xiàng)目“玻璃溫室種植有機(jī)蔬菜”科技實(shí)踐活動(dòng)。

【中圖分類號(hào)】G633.91 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2016）24-0105-02

生物是一門(mén)十分注重實(shí)驗(yàn)的學(xué)科，除了要求學(xué)生掌握扎實(shí)的基礎(chǔ)理論知識(shí)，更要把實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的觀察力、思維力和動(dòng)手能力（林鳳屏等，2016）。但實(shí)際的教學(xué)過(guò)程中由于實(shí)驗(yàn)課時(shí)、試劑、儀器設(shè)備價(jià)格昂貴等條件的限制，許多實(shí)驗(yàn)無(wú)法開(kāi)設(shè)，學(xué)生對(duì)一些理論知識(shí)的掌握理解得不透徹。虛擬實(shí)驗(yàn)室是指由網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等生成的一類適于進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)的軟件，包括實(shí)驗(yàn)環(huán)境、儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)對(duì)象以及實(shí)驗(yàn)資源等內(nèi)容（葉步偉， 馬德俊， 2016；）。生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)，將器材、試劑等實(shí)驗(yàn)室元素生成一種特殊的立體環(huán)境，不僅加深了學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和實(shí)驗(yàn)方法的感性認(rèn)識(shí)，而且提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)造力及豐富的想象力，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的缺點(diǎn)同時(shí)彌補(bǔ)傳統(tǒng)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的不足，減少實(shí)驗(yàn)室廢棄物排放對(duì)環(huán)境的污染和節(jié)省學(xué)校的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)（王偉和陳輝2007；蔡丁友，2013）。

1.虛擬實(shí)驗(yàn)室在教學(xué)中的應(yīng)用（Potkonjak et al.， 2016）

與實(shí)體實(shí)驗(yàn)室不同，虛擬實(shí)驗(yàn)室可以使學(xué)生提前熟悉了解實(shí)驗(yàn)原理、掌握實(shí)驗(yàn)過(guò)程和操作步驟、了解實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題和解決方法（李彩虹等2013；張麗娟等2015），因此在應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)中必然具有不同的特點(diǎn)，如何利用虛擬實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)至關(guān)重要。

1.1虛擬實(shí)驗(yàn)室可以開(kāi)設(shè)更多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室由于儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)課時(shí)和場(chǎng)地等諸多因素的限制，許多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目無(wú)法開(kāi)設(shè)。在虛擬實(shí)驗(yàn)室里，儀器即軟件，可以根據(jù)需要隨意開(kāi)發(fā)。由于儀器缺乏無(wú)法開(kāi)設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，可利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿真，同樣能達(dá)到學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的掌握。有了虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間和空間的限制，能夠更自由地依據(jù)個(gè)人的時(shí)間、學(xué)習(xí)進(jìn)度和掌握程度進(jìn)行自主安排實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，加大了實(shí)驗(yàn)的靈活性。

1.2虛擬實(shí)驗(yàn)室提高了學(xué)生對(duì)實(shí)體實(shí)驗(yàn)室的利用率。學(xué)生進(jìn)入開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室之前，首先利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、分析和驗(yàn)證，熟悉儀器設(shè)備的使用等，在進(jìn)入開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室后才會(huì)有目的的進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。學(xué)生可以利用虛擬實(shí)驗(yàn)室的一些輔助功能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)約，提交電子實(shí)驗(yàn)報(bào)告，還可以和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)教師進(jìn)行在線互動(dòng)。將虛擬實(shí)驗(yàn)室和開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室有機(jī)結(jié)合在一起，可以調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，提高實(shí)驗(yàn)室的利用率和實(shí)驗(yàn)效率。

1.3虛擬實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。利用虛擬實(shí)驗(yàn)室，可以對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中所提出的各種假設(shè)模型進(jìn)行模擬，通過(guò)虛擬系統(tǒng)便可直觀地觀察到這一假設(shè)所產(chǎn)生的結(jié)果或效果。例如，利用虛擬技術(shù)，學(xué)生還可以進(jìn)行溫室效應(yīng)等方面探索性的學(xué)習(xí)，從而研究出二氧化碳對(duì)全球氣候的影響規(guī)律。因此，利用虛擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行探索學(xué)習(xí)，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.虛擬實(shí)驗(yàn)室融入生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法

在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，選擇適合于教材內(nèi)容和學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)方法是至關(guān)重要的。從生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容來(lái)看，主要有形態(tài)解剖實(shí)驗(yàn)、分類實(shí)驗(yàn)和生理實(shí)驗(yàn)三種。從實(shí)驗(yàn)的類型上劃分，可分為學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)、教師演示實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)三種，而其中學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)所占的比例最大。根據(jù)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的特點(diǎn)，可將學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)分為驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn)、同步式實(shí)驗(yàn)和探索式實(shí)驗(yàn)三種類型。

2.1 虛擬實(shí)驗(yàn)室在驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中的應(yīng)用

驗(yàn)證式實(shí)驗(yàn)是形態(tài)和現(xiàn)象的觀察為主，例如： “觀察根尖的結(jié)構(gòu)”、“觀察葉片的結(jié)構(gòu)”等實(shí)驗(yàn)，這類實(shí)驗(yàn)所需要的基礎(chǔ)知識(shí)多、觀察操作要求高、實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容比較復(fù)雜。將實(shí)驗(yàn)的各個(gè)操作步驟、關(guān)鍵點(diǎn)等制成不同的環(huán)節(jié)，學(xué)生在虛擬操作中通過(guò)選擇來(lái)完成實(shí)驗(yàn)的虛擬操作。其基本的程序是：學(xué)生運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)室軟件進(jìn)行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)→學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)→驗(yàn)證知識(shí)。

2.2 虛擬實(shí)驗(yàn)室在同步式實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中的應(yīng)用

這類實(shí)驗(yàn)課講課與實(shí)驗(yàn)操作同步或交替進(jìn)行，它一般編排在有關(guān)課文之中或之后，所需的基礎(chǔ)知識(shí)較多，并且實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容與講述的理論知識(shí)關(guān)系相當(dāng)密切，學(xué)生需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得一定的感性認(rèn)識(shí)之后，才能將觀察結(jié)果上升為理性認(rèn)識(shí)。如：“觀察種子的結(jié)構(gòu)”、“觀察葉芽的構(gòu)造”、“觀察花的結(jié)構(gòu)”、“觀察水?！?、“觀察蚯蚓”、“解剖青蛙”和“解剖鯽魚(yú)”等。

因此，此類實(shí)驗(yàn)課教學(xué)程序的設(shè)計(jì)以及教學(xué)內(nèi)容的合理組織尤為重要，是實(shí)驗(yàn)課成敗的關(guān)鍵。首先，教師應(yīng)精心設(shè)計(jì)好本節(jié)課的教程，做到手段多樣而不繁瑣，內(nèi)容豐富而不雜亂，即：通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)室將實(shí)驗(yàn)的觀察、操作等環(huán)節(jié)給學(xué)生演示，穿插于講述、理解、思考與總結(jié)之中，并力求兩者銜接自然而合理，做到教學(xué)思路清晰，知識(shí)脈絡(luò)一目了然，符合初中學(xué)生從感性到理性的認(rèn)知規(guī)律。

2.3 虛擬實(shí)驗(yàn)室在探索式實(shí)驗(yàn)課教學(xué)中的應(yīng)用

探索式實(shí)驗(yàn)?zāi)艹浞煮w現(xiàn)啟發(fā)式教學(xué)思想，是實(shí)踐論在教學(xué)中的實(shí)際體現(xiàn)，它充分利用學(xué)生對(duì)新奇事物進(jìn)行探索、調(diào)查、研究的心理，由教師向?qū)W生提出課題和實(shí)驗(yàn)方法，學(xué)生積極主動(dòng)地去操作、觀察、思考和得出結(jié)論。這類實(shí)驗(yàn)一般編排于相關(guān)課文之前，所需要的基礎(chǔ)知識(shí)不多，實(shí)驗(yàn)方法通過(guò)學(xué)生自己閱讀就能掌握，如：“綠葉在光下制造淀粉”和“脊蛙反射實(shí)驗(yàn)”。其教學(xué)程序是：虛擬實(shí)驗(yàn)室預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)→實(shí)體實(shí)驗(yàn)室正式實(shí)驗(yàn)→討論分析→獲得結(jié)論。通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)室預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生對(duì)將要操作的實(shí)驗(yàn)有充分的了解，提高實(shí)際操作中的實(shí)驗(yàn)效率，對(duì)實(shí)際結(jié)果與設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果有出入的，可引導(dǎo)學(xué)生對(duì)結(jié)果進(jìn)行討論，了解實(shí)驗(yàn)結(jié)果的各種影響因素（蔡丁友， 2013）。在探討對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響的因素過(guò)程中，有可能積累一些以往忽略了的問(wèn)題，將這些問(wèn)題反饋于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)之中，可使其設(shè)計(jì)逐步得到完善。

總之，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用可以主要分為2個(gè)步驟。第一步可將各個(gè)實(shí)驗(yàn)的從實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備開(kāi)始、依次將實(shí)驗(yàn)操作的各個(gè)步驟做成虛擬演示實(shí)驗(yàn)。這部分可作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中的補(bǔ)充，學(xué)生可根據(jù)需要調(diào)取演示實(shí)驗(yàn)自主學(xué)習(xí)，然后再運(yùn)用于實(shí)際操作中。第二部是將驗(yàn)證性試驗(yàn)、形態(tài)和現(xiàn)象的觀察結(jié)合起來(lái)制成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)的各個(gè)操作步驟、關(guān)鍵點(diǎn)等制成不同的環(huán)節(jié)，學(xué)生在虛擬操作中同過(guò)選擇來(lái)完成實(shí)驗(yàn)的虛擬操作，形態(tài)和現(xiàn)象的觀察作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果以圖像的方式自動(dòng)生成，最后學(xué)生選擇實(shí)驗(yàn)的結(jié)論?？傊?，將虛擬實(shí)驗(yàn)室融入課堂可以通過(guò)在課堂教學(xué)實(shí)際的展示以及課后讓學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的方式。

3.虛擬實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)效果的評(píng)價(jià)

虛擬實(shí)驗(yàn)室采用的擬物化設(shè)計(jì)，更好地將實(shí)驗(yàn)室儀器進(jìn)行虛擬化，從而模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，在操作過(guò)程中也同樣遵循實(shí)際實(shí)驗(yàn)的流程與步驟，重點(diǎn)是注意實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用前景要依靠其在實(shí)際應(yīng)用中的效果來(lái)決定，教學(xué)實(shí)踐的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)效果的評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)該主要是看教學(xué)效果和實(shí)驗(yàn)效果。教學(xué)效果的觀察可用隨機(jī)對(duì)照實(shí)驗(yàn)進(jìn)行觀察，將學(xué)生進(jìn)行隨機(jī)分組，設(shè)為運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)組和不運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行對(duì)比觀察，設(shè)計(jì)各種指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比。實(shí)驗(yàn)效果的評(píng)價(jià)可根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)的相關(guān)性來(lái)判斷。唐富山等（2015）研究發(fā)現(xiàn)開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，學(xué)生實(shí)驗(yàn)成績(jī)和理論考試成績(jī)與以往年級(jí)相比，均有不同幅度的提高。劉慧萍等（2014）通過(guò)問(wèn)卷調(diào)査發(fā)現(xiàn)學(xué)生對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)容易接受，也喜歡這種新的教學(xué)手段。

參考文獻(xiàn)：

[1]蔡丁友. 優(yōu)課虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室在化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].教育信息技術(shù)， 2013 （ 6 ）：13-15

[2]李彩虹，丁航， 邱文峰等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在醫(yī)學(xué)生物化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用策略研究[J].中國(guó)教育技術(shù)裝備，2013（6）：126-127

[3]劉慧萍， 張國(guó)民， 陽(yáng)力爭(zhēng)等. 基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的生化實(shí)驗(yàn)教學(xué)初探[J].中國(guó)中醫(yī)藥現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育， 2014，12（14）：85-87

[4]林鳳屏， 黃飛， 陳必鏈. 虛擬實(shí)驗(yàn)室在生物教學(xué)中的應(yīng)用與研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)， 2016， 19 （2）：152-158

[5]唐富山，原凌燕，劉愛(ài)東等.虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)在生物藥劑學(xué)與藥物動(dòng)力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用[J].衛(wèi)生職業(yè)教育，2015， 33 （15）：41-42

[6]王偉， 陳輝.虛擬現(xiàn)實(shí)在醫(yī)學(xué)教育中的應(yīng)用[J].中國(guó)教育信息化，2007（3）：79-81

[7]葉步偉， 馬德俊.虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)及其在遠(yuǎn)程教育當(dāng)中的應(yīng)用[J]. 繼續(xù)教育研究，2011（6）

[8]張麗娟，古同男.虛擬網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室?guī)?dòng)生物化學(xué)教學(xué)模式改革[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索， 2015 （5）：192-194

[9]Potkonjak V.， Gardner M.， Callaghan V et al. Virtual laboratories for education in science， technology， and engineering： A review [J]. Computers & Education， 2016 （95）：309-327

作者簡(jiǎn)介：

李丹（1981.09—），山東省定陶縣人，博士研究生，研究方向生物學(xué)教育。