基于虛擬實驗技術的新課改背景下生物實驗教學的有效途徑

【摘要】新課改不斷深化的背景下，要求學生具有自主探究能力與高階思維能力。相關研究表明，利用數字信息技術可以構建合適的實驗環境從而激發學生的學習興趣，提高學習效率，并在現實的實踐教學中得到了印證。隨著計算機網絡技術和虛擬現實技術的不斷發展，虛擬實驗越來越多地被應用到生物實驗的教學中，既可以把抽象知識具體化，促進學生學習方式多樣性，還能為學生提供一個更加生動有趣的學習環境，提高學習主動性。本文對高中生物實驗教學中，虛擬實驗的優勢以及設計策略做了簡要說明，并給出了相關的案例分析，相信其在未來的生物教學工具中具有十分重要的地位。

【關鍵詞】虛擬實驗技術 ?新課改 ?高中生物 ?教學實踐

【中圖分類號】G633.91 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2020）23-0040-02

在新課改環境下，教師不再是既定教學規則的執行者，而是教育教學的決策者。這就要求教師要及時更新教育觀念，推動學生由被動的、接受性的學習向主動的、探究性的學習轉變，引導學生自主發展、自我選擇。數字信息技術的發展，不僅更新了教育技術，更促進了教學結構模式的改進[1]，在教育部頒布的《普通高中生物學課程標準（2017年版）》中更是明確提出要加強和完善生物教學，充分利用多媒體、互聯網及無線通信技術打破學生的思維束縛，實現學生的主動探究性學習。而實驗作為人們理解和認識生物學的重要手段，在基礎教學階段，是生物教學中不可缺少的重要組成部分。它有助于對學生觀察能力、理解能力、動手操作能力、創造能力以及思維能力的培養。如何將數字信息技術融入到生物實驗教學中，是教育者們一直關注的重點。

隨著虛擬現實技術的發展，虛擬實驗這一重要工具出現了，并在物理、化學、醫學和生物等領域有著重要應用。在生物學中，國外出現過“虛擬青蛙解剖實驗”、“轉基因蒼蠅虛擬實驗”、“細菌鑒定虛擬實驗”、“免疫學虛擬實驗”等，這些虛擬實驗均為實驗者提供基本的實驗步驟和學習目標，并且在實驗操作過程中，實驗步驟都有文字解說，來幫助學生更好地理解。在國內，寧陜中學的“高中生物虛擬實驗室在線學習系統”[2]為教師提供了高中生物實驗的教學課件和虛擬演示;臺灣“國中生物學習網站——快樂營”中的“生物實驗室”為學生模擬動植物的培養環境;中國農業大學開發的“網上虛擬土壤作物系統實驗室”[3]模擬了植物的生長狀況。目前國內應用于教學的虛擬實驗主要以教學大綱為導向，融合教學內容與教學指導，以演示型課件為主，來幫助學生加深對生物組織結構的理解，但是交互的水平不高，顯然不能夠滿足對學生自主探究能力與高階思維能力培養的需求。因此，筆者試圖從三個方面淺談對于高中生物實驗教學，如何合理利用并設計虛擬實驗來達到新課改背景下對學生的要求。

一、根據實驗偏重點選擇虛擬實驗類型

在高中生物課程中，實驗教學是重要的構成部分，能夠提升學生的實際操作能力，知識的綜合運用能力，以及自主探究能力，在掌握實驗原理、操作技能的基礎上更好更全面地認識和理解生物科學，對于學生學習生物來說有著積極作用。生物實驗有的以觀察實驗現象為主、有的以驗證結論為主、有的以理解生物概念和實驗原理為主，因此，明確實驗目標并根據偏重點來選擇合適的虛擬實驗類型進行教學才能事半功倍。例如在學習“細胞生活的環境”這一節中，需要學生掌握的是細胞外液的成分、細胞外液的理化性質、細胞與外界環境如何進行物質交換等內容，這些生物概念大多比較抽象難以理解，借助演示型虛擬實驗便可以有效解決這一問題。通過多媒體動畫動態演示組織液、血漿和淋巴的物質交換。引導學生注意觀察血漿與組織液之間的物質交換方向、組織液與淋巴之間的物質交換方向、淋巴與血漿之間物質交換方向。揭示細胞外液是一個有機的整體，從而使學生逐步深入理解內環境的概念，解決學習困惑。再如“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質”中的顏色反應實驗，學生需要識別和區分用于可溶性還原糖、脂肪、蛋白質鑒定的試劑及產生的特定顏色，掌握鑒定上述化合物的基本方法，學會描述實驗現象，掌握NaOH溶液和CuSO4溶液的使用方法。這類實驗中，由于化學試劑的使用，會對學生的安全性構成一定程度的威脅，搭建操作型虛擬實驗平臺，能讓學生通過電腦終端自主完成實驗步驟，模擬系統就可以根據選擇的試劑與化合物來產生特定的顏色反應，既節約實驗時間與實驗成本，還可以避免錯誤使用化學藥劑產生的不安全因素。由此可以看出，依據實驗偏重點來合理選擇虛擬實驗的類型，可以大大激發學生的學習興趣，提高學習效率，真正體現出新課改老師為主導，學生為主體的教學規律。

二、虛擬仿真模型的有效結合

當前高中生物實驗課堂由于多種因素影響，在推行實驗科學的力度上和效果上都不十分理想。特別是在復雜生物組織三維結構觀察、植物生長過程的探究等方面，傳統實驗模式無法滿足學習要求，而虛擬仿真實驗的出現，為解決這一難題提供了可能。虛擬仿真實驗[4]依托虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫及網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和實驗對象，使學生在虛擬環境中自主探究學習，具有開放性、廣域性、交互性和實時性，是數字信息技術在教學領域的重要產物。特別是三維仿真技術的出現，極大程度地滿足了學生對生物系統構造認識與分析的需求，目前該技術已經成功用于不同領域，例如醫療行業中各種器官的精確模型;土木行業中不同建筑物的內部展示;影視業中人物特效的實現等等。專業的軟件如3DStudioMax等，可以出現在高中生物的課堂，教師可以下載所需的三維模型，對其進行放大、縮小及動畫設置，增強生物教學的形象性與趣味性。此外，還可以將傳統課堂中不易實現的實驗，以虛擬仿真的形式向學生展示，例如在探究“基因的本質”中，DNA的結構和復制過程微觀且抽象，學生即使制作出DNA物理模型，也難以在不斷犯錯和糾正過程中，準確模擬整個復制過程。但是借助虛擬仿真實驗，學生可以通過計算機對DNA分子的復制過程進行手動模擬與分析，從而打破固有的思維模式，主動發現并糾正DNA復制過程中常見的問題，充分理解DNA復制過程并構建與完善DNA復制模型。再如“觀察根尖分生組織細胞的有絲分裂”實驗中，首先要培養3-4天的根尖，這些準備工作學生幾乎沒有時間與精力去完成，只能交由教師完成。而且最佳實驗時間是上午10點到下午2點，學生只能分批次進行實驗，無法讓全部學生觀察到良好效果。虛擬實驗則可以克服這一難題，它通過電腦終端將實驗的動態過程展現給學生，而且學生可以參與其中，比如壓片時，學生施加的壓力可以借由壓力傳感器上傳到系統，判斷壓力是否合適，還會三維動畫顯示不同壓力下根尖細胞發生的變化，從而加深對實驗條件的理解，這種手腦并用的實驗過程可以大大提高生物實驗教學的效率。因此虛擬仿真實驗在高中生物教學中的應用是提高教學效果的必然選擇，不僅有利于提高生物教與學的質量和效果，還能夠保障實驗設備和教師的安全，更重要的是給學生的實驗過程增加了許多樂趣，激發學生的學習興趣。

三、復雜實驗的虛擬化設計

高中生物中有一些實驗結論或原理無法讓學生通過真實實驗來探究，這類實驗通常步驟復雜且涉及許多高深的生物學知識，但是隨著數字信息技術的不斷發展，可以做到復雜實驗的自主虛擬化設計。例如遺傳定律的推導和應用一直以來都是高中生物學習的難點，關于“孟德爾實驗”學生很難重現，但是根據基本定律結合數字信息技術可以自行設計虛擬孟德爾實驗[5]，讓學生在網絡環境中進行自主探究和結果分析，從而歸納相應的遺傳定律。在復雜實驗虛擬化設計的過程中，要全面考慮學生的接受程度，在不同實驗步驟嚴格把控通關條件，如只有正確自主完成前一步驟才能繼續后續操作，讓學生通過人機對話和虛擬操作逐漸形成有關概念，并在不斷糾正錯誤完善操作的過程中，對生物實驗達到較深層次的理解。再如“綠葉中色素的提取和分離”的實驗重點及難點是，對實驗原理的理解以及對葉綠體中色素的提取，傳統實驗耗時耗力而且難以達到最佳效果，因此可以將該實驗進行虛擬化設計，以“東師理想生物虛擬實驗平臺”為例，主要包括“實驗實施”、“實驗基礎”及“實驗總結”三個模塊。用“實驗設計”來培養學生統觀整體的思維習慣，引導學生逐步填寫實驗的設計方案，并且要對實驗的結果做出假設和預期;用“實驗操作”來驗證學生的設計方案，通過系統提示來實現學生對于科學操作過程的了解和掌握。在此過程中，將三種原理分別加以闡述，為學生提供一般性的原理知識，并培養學生總結和思考的實驗習慣，并通過模擬小測的方式來考查學生對于葉綠體中色素種類及其顏色對應的掌握情況。諸如此類的復雜實驗虛擬化設計，可以極大程度地節約實驗成本，幫助學生更好地理解實驗內容與總結規律。

虛擬實驗技術在高中生物實驗教學中的應用，不僅為原本平淡無奇的傳統生物實驗課堂帶來了生機與活力，更重要的是可以激發學生的學習興趣，響應新課改背景下學生主動、探究性學習的目標。作為數字信息時代的教師，更要與時俱進不斷創新，大膽實踐，為培育學生貢獻自己最大的一份力量。

參考文獻：

[1]韓延德.基于信息技術手段的生物教學實踐[J].科學自然，2019（37）

[2]高中生物虛擬實驗室在線學習系統[CP/OL].

[3]郭焱，李保國.虛擬植物的研究進展[J].科學通報，2001（4）：273-280.

[4]胡原，呂鑫等.虛擬仿真實驗在高中生物學實驗教學中的應用探究[J].實驗科學與技術，2019（17）

[5]肖建富，陳章和.“虛擬孟德爾遺傳實驗”的設計與應用[J].中學生物教學，2006（Z1）.

作者簡介：

張慧（1986.12-），女，山東臨沂人，中學一級教師，研究方向：高中生物教學。