淺談虛擬實(shí)驗(yàn)在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

羅華

【摘要】虛擬實(shí)驗(yàn)是相對(duì)于真實(shí)實(shí)驗(yàn)而言的，兩者的主要區(qū)別在于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所觸及的對(duì)象與事物是否真實(shí)，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)工具、實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)試劑等都是真實(shí)的、以實(shí)物形式呈現(xiàn)給實(shí)驗(yàn)者;但在虛擬實(shí)驗(yàn)中，沒(méi)有實(shí)物形式的實(shí)驗(yàn)工具、實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)試劑等，實(shí)驗(yàn)者在虛擬實(shí)驗(yàn)中所進(jìn)行的一系列操作，應(yīng)用的均是虛擬仿真的實(shí)驗(yàn)工具和材料試劑，實(shí)驗(yàn)步驟和結(jié)果也是對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的仿真和模擬。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)是真實(shí)實(shí)驗(yàn)的輔助和“虛擬呈現(xiàn)”。

【關(guān)鍵詞】虛擬實(shí)驗(yàn)? ?高中生物? ?實(shí)驗(yàn)教學(xué)? ?應(yīng)用策略

【中圖分類號(hào)】G633.91

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【文章編號(hào)】1992-7711（2020）12-070-01

1989年由美國(guó)的William Wolf 教授提出并建立虛擬實(shí)驗(yàn)室，短短20幾年，已在國(guó)內(nèi)外的教育和訓(xùn)練領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如美國(guó)麻省理工學(xué)院1988年創(chuàng)立的微電子在線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)有關(guān)顯微的原理知識(shí)時(shí)倍感輕松;休斯頓大學(xué)建立的“虛擬物理實(shí)驗(yàn)室”，通過(guò)允許學(xué)生控制和改變重力的大小、方向以及加速度大小等影響因素，使其更加深刻地理解萬(wàn)有引力定律;霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）“BioInteractive” 虛擬實(shí)驗(yàn)室（http：//www.hhmi.org/biointeractive/vlabs/index.html），以“教在教學(xué)之前”為理念，是一款集測(cè)試、操作和評(píng)價(jià)于一體的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，在該實(shí)驗(yàn)室中，“轉(zhuǎn)基因蒼蠅虛擬實(shí)驗(yàn)”可以為學(xué)生探索遺傳規(guī)律提供幫助等。

我國(guó)對(duì)于虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)、利用雖然起步較晚，但發(fā)展較快，在教學(xué)等方面也取得了一定的成績(jī)，目前已有部分高校初步建立了虛擬實(shí)驗(yàn)室和各類虛擬教學(xué)系統(tǒng)[5]。由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的“幾何光學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)平臺(tái)”突出了物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思想，不僅將計(jì)算機(jī)技術(shù)、虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)和物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合到一起，而且將實(shí)驗(yàn)者的操作、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)指導(dǎo)等有機(jī)地融合到了一起;寧陜中學(xué)的“高中生物虛擬實(shí)驗(yàn)室在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)”為教師提供了高中生物實(shí)驗(yàn)的教學(xué)課件和虛擬演示，為學(xué)生提供了理解實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)的便利條件;廣州市同實(shí)網(wǎng)絡(luò)科技有限公司開(kāi)發(fā)的“同步實(shí)驗(yàn)室”，把互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到中學(xué)化學(xué)、物理、生物實(shí)驗(yàn)課程中，旨在提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和實(shí)驗(yàn)探究能力，并在學(xué)生的虛擬實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中及時(shí)給予評(píng)價(jià)。

那么虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)我們高中生物教學(xué)有何作用呢？

第一、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)有助于學(xué)生由被動(dòng)聽(tīng)講轉(zhuǎn)為主動(dòng)學(xué)習(xí)

由于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)需要采用具體材料、儀器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，既需要大量的實(shí)驗(yàn)材料，也會(huì)損壞實(shí)驗(yàn)儀器，因此，在具體教學(xué)中通常會(huì)走傳統(tǒng)的生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，即學(xué)生預(yù)習(xí)，教師現(xiàn)場(chǎng)講解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟、操作方法等，學(xué)生在整個(gè)實(shí)驗(yàn)講解過(guò)程只能機(jī)械記憶、而很少深入思考結(jié)論是如何得來(lái)的，缺乏學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性。利用虛虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生可以身臨其境般地操作虛擬儀器，操作結(jié)果可以通過(guò)儀表顯示反饋給學(xué)生，有效地解決了實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)效果之間的矛盾。

第二、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)安全、高效，同時(shí)降低了教育成本

生物實(shí)驗(yàn)中有些涉及到放射性物質(zhì)或有毒物質(zhì)的部分，有些實(shí)驗(yàn)是不能讓學(xué)生做的。虛擬實(shí)驗(yàn)的一大優(yōu)點(diǎn)在于其絕對(duì)的安全性，不會(huì)因操作失誤而導(dǎo)致人身事故。

虛擬實(shí)驗(yàn)省去了真實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)許多簡(jiǎn)單勞動(dòng)，如實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備等，讓實(shí)驗(yàn)者可以集中精力研究實(shí)驗(yàn)對(duì)象本身的特性和規(guī)律。同時(shí)，虛擬實(shí)驗(yàn)通過(guò)提供良好的在線幫助和學(xué)習(xí)功能，可幫助實(shí)驗(yàn)者迅速掌握實(shí)驗(yàn)研究?jī)?nèi)容和達(dá)到實(shí)驗(yàn)研究的具體目標(biāo)和要求，從而提高了學(xué)習(xí)和探究效率。

在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，許多昂貴的實(shí)驗(yàn)器材，由于受價(jià)格的限制而無(wú)法普及，有些實(shí)驗(yàn)因時(shí)間持續(xù)很長(zhǎng)而無(wú)法開(kāi)設(shè)，利用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)既不消耗器材，也不受場(chǎng)地等外界條件的限制，可使教育成本大大降低。

如何在教學(xué)中進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)？

第一步：創(chuàng)設(shè)情境，激趣目標(biāo)

生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的核心解決問(wèn)題，學(xué)習(xí)活動(dòng)是圍繞問(wèn)題展開(kāi)的。根據(jù)教學(xué)目的和教學(xué)目標(biāo)，精心設(shè)計(jì)來(lái)源于現(xiàn)實(shí)生活中的、與本節(jié)課內(nèi)容有關(guān)的問(wèn)題，激發(fā)學(xué)生的興趣，讓學(xué)生意識(shí)到所學(xué)的內(nèi)容并不是空洞的，而是與實(shí)際生活有緊密聯(lián)系的。

第二步：設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，自主探究

在問(wèn)題的激發(fā)下，鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究，這是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)步驟，幫助學(xué)生擬定合理的研究計(jì)劃，選擇恰當(dāng)?shù)姆椒āＨ绻麠l件允許，鼓勵(lì)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐，體驗(yàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程;對(duì)于設(shè)備不足的實(shí)驗(yàn)，則將學(xué)生分成小組，以小組演示實(shí)驗(yàn)為主;若有些實(shí)驗(yàn)學(xué)校條件無(wú)法完成，則采用虛擬實(shí)驗(yàn)的方式。教師提供一定的條件或者必要的資料，有學(xué)生自己動(dòng)手去實(shí)驗(yàn)或者虛擬演示，以尋求問(wèn)題的答案，提出某些假設(shè)。教師起到組織者的角色，指導(dǎo)和規(guī)范學(xué)生的探索過(guò)程。

第三步：合作展示，體驗(yàn)成功

在自主探究中培養(yǎng)學(xué)生尋求合作的團(tuán)隊(duì)精神，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)探究過(guò)程，學(xué)生要把自己的實(shí)驗(yàn)過(guò)程或者查閱的資料進(jìn)行總結(jié)梳理，得出自己的結(jié)論和解釋，不同的團(tuán)隊(duì)或者學(xué)生可以就統(tǒng)一問(wèn)題提出不同的見(jiàn)解和看法。通過(guò)教師的評(píng)價(jià)學(xué)生互評(píng)，促進(jìn)學(xué)生間的交流，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)知識(shí)，以完整的探究結(jié)果體現(xiàn)“我能行”，使學(xué)生在合作展示環(huán)節(jié)體驗(yàn)成功樂(lè)。

第四步：當(dāng)堂鞏固，完成目標(biāo)

設(shè)計(jì)合理習(xí)題，對(duì)學(xué)生所學(xué)知識(shí)進(jìn)行當(dāng)堂檢測(cè)，及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)并解決學(xué)生在學(xué)習(xí)后存在的問(wèn)題，同時(shí)來(lái)評(píng)定教學(xué)內(nèi)容是否完成，教學(xué)目標(biāo)十分達(dá)到。

第五步：總結(jié)提升，升華知識(shí)

師生互動(dòng)，談?wù)劚竟?jié)課都學(xué)到了什么，共同回顧、歸納本節(jié)課的知識(shí)點(diǎn)。在這一環(huán)節(jié)中，教師把散落在學(xué)生頭腦中的知識(shí)，用精煉的語(yǔ)言歸納出來(lái)，使教學(xué)目標(biāo)得到落實(shí)。學(xué)生間通過(guò)交流“學(xué)到了什么”，是為了從情感上引導(dǎo)學(xué)生，總結(jié)本節(jié)課的內(nèi)容同時(shí)也是對(duì)本節(jié)課的升華。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的有效模式堅(jiān)持“能實(shí)不虛”的原則，以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為主，虛擬實(shí)驗(yàn)為輔，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，發(fā)揮“學(xué)生主體”和“教師主導(dǎo)”地位，充分體現(xiàn)了新課改的精神和理念。