虛擬實(shí)驗平臺在高中生物學(xué)實(shí)驗教學(xué)中的應(yīng)用

中圖分類號：G633.91文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

以“植物生長素\"為例

生物學(xué)實(shí)驗教學(xué)是學(xué)生理解抽象概念、培養(yǎng)科學(xué)思維和提高問題解決能力的重要途徑。隨著《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》的頒布實(shí)施和新版教材的推廣使用，實(shí)驗教學(xué)對教師和教學(xué)環(huán)境提出了更高的要求。然而，部分教師對實(shí)驗的重要性認(rèn)知不足，不熟悉新的教學(xué)方法和實(shí)驗技術(shù)，依然采用傳統(tǒng)、單一的實(shí)驗教學(xué)模式，不適應(yīng)新版教材中實(shí)驗教學(xué)內(nèi)容的變化，僅通過板書和視頻來講解實(shí)驗過程，忽視了對學(xué)生動手實(shí)踐能力的培養(yǎng)。此外，部分偏遠(yuǎn)地區(qū)學(xué)校教學(xué)資源不足，學(xué)生在課上參與動手操作的機(jī)會有限，嚴(yán)重限制了學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)和科學(xué)思維素養(yǎng)的發(fā)展。

《教育信息化2.0行動計劃》強(qiáng)調(diào)將信息技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合，以推動信息化教育的創(chuàng)新發(fā)展。[2]在這一背景下，虛擬實(shí)驗室作為信息化教育的重要工具，因其經(jīng)濟(jì)性、靈活性、安全性和可重復(fù)性等優(yōu)點(diǎn)，成為高中生物學(xué)實(shí)驗教學(xué)中的首要選擇。筆者通過比較和篩選網(wǎng)絡(luò)上常見的虛擬實(shí)驗室，最終確定將NOBOOK虛擬實(shí)驗平臺作為教學(xué)輔助工具，并探討其在高中生物學(xué)實(shí)驗教學(xué)中的應(yīng)用。

1NOBOOK虛擬實(shí)驗平臺介紹

1.1NOBOOK虛擬實(shí)驗平臺簡介

NOBOOK虛擬實(shí)驗平臺是利用虛擬現(xiàn)實(shí)和虛擬仿真等技術(shù)，針對物理、化學(xué)和生物學(xué)等學(xué)科開發(fā)的一款前沿實(shí)驗教學(xué)工具。3以生物學(xué)學(xué)科為例，教師利用NOBOOK虛擬實(shí)驗平臺中的3D資源和高清視頻功能，可以創(chuàng)設(shè)多樣化的實(shí)驗情境、逐步講解原理并生動演示現(xiàn)象，這種沉浸式教學(xué)能全面調(diào)動學(xué)生的感官，提升學(xué)生的體驗感。學(xué)生可以通過NOBOOK虛擬實(shí)驗平臺對實(shí)驗進(jìn)行反復(fù)操作并優(yōu)化設(shè)計，以增強(qiáng)理論知識和實(shí)踐應(yīng)用的聯(lián)系。該平臺不僅滿足了教育教學(xué)對虛擬實(shí)驗的需求，還極大地提高了實(shí)驗效果和教師備課效率，推動了實(shí)驗教學(xué)的創(chuàng)新。

1.2NOBOOK虛擬實(shí)驗平臺使用方法

打開瀏覽器，輸人NOBOOK虛擬實(shí)驗平臺網(wǎng)址，按照頁面上的指示完成信息注冊和登錄后，選擇對應(yīng)的學(xué)科和學(xué)段；在導(dǎo)航欄中找到對應(yīng)的實(shí)驗，點(diǎn)擊進(jìn)入；瀏覽實(shí)驗?zāi)康摹⒃砗推鞑模鶕?jù)平臺提供的步驟對實(shí)驗器材進(jìn)行點(diǎn)擊、拖放等操作完成實(shí)驗。

1.3虛擬實(shí)驗思路圖

在進(jìn)人NOBOOK虛擬實(shí)驗平臺前，教師首先需要幫助學(xué)生了解實(shí)驗的目的和背景知識。接著，教師利用平臺進(jìn)行演示，指導(dǎo)學(xué)生開展探究實(shí)驗。教師引導(dǎo)學(xué)生觀察和分析實(shí)驗現(xiàn)象，強(qiáng)化學(xué)生對生物學(xué)概念的理解，發(fā)展學(xué)生的高階思維；鼓勵學(xué)生結(jié)合生活實(shí)例進(jìn)行討論和總結(jié)，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)知識的遷移應(yīng)用，提高學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。虛擬實(shí)驗教學(xué)思路如圖1所示。

2NOBOOK虛擬實(shí)驗平臺的應(yīng)用

為了更好地研究虛擬實(shí)驗對生物學(xué)實(shí)驗教學(xué)的影響，筆者利用NOBOOK虛擬實(shí)驗平臺，設(shè)計了“植物生長素\"第一課時的虛擬實(shí)驗教學(xué)案例。

2.1教學(xué)目標(biāo)

(1)探究植物生長素的發(fā)現(xiàn)歷程，概述植物具有向光性的原因，構(gòu)建結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀念。

(2)基于對實(shí)驗不足之處的分析，小組合作設(shè)計實(shí)驗方案并開展虛擬實(shí)驗，深刻理解科學(xué)家的實(shí)驗過程，進(jìn)一步提升邏輯推理能力和探究能力。

(3)探討路燈下黃豆不結(jié)果實(shí)的案例，嘗試運(yùn)用所學(xué)知識解釋農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)象，增強(qiáng)自我價值感和社會責(zé)任意識。

2.2虛擬實(shí)驗教學(xué)流程

為了探究植物向光生長的原因并培養(yǎng)學(xué)生的探究實(shí)踐能力，筆者設(shè)計了三個核心教學(xué)環(huán)節(jié)。通過NOBOOK虛擬實(shí)驗平臺，學(xué)生可以根據(jù)不同猜想，進(jìn)行各種實(shí)驗操作，分析實(shí)驗現(xiàn)象并得出結(jié)論。本課時的虛擬實(shí)驗教學(xué)流程如圖2所示。

2.3教學(xué)過程

2.3.1 創(chuàng)設(shè)情境，引入新課

教師播放燕麥胚芽鞘向光性的延時攝影視頻，引導(dǎo)學(xué)生觀察燕麥胚芽鞘生長的過程，并提問：從視頻中能夠觀察到什么現(xiàn)象？學(xué)生在課前預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上，回答出燕麥胚芽鞘彎曲生長，并了解植物向光生長的現(xiàn)象叫作向光性。教師繼續(xù)追問：“是什么導(dǎo)致燕麥胚芽鞘彎曲生長？向光性的背后由什么調(diào)控的\"并利用該問題引出不同科學(xué)家的實(shí)驗探究。

設(shè)計意圖：通過視頻，學(xué)生能夠清晰地看到燕麥胚芽鞘生長的動態(tài)過程，既豐富了視覺體驗，又增強(qiáng)了對植物生長特點(diǎn)的理解。教師通過適當(dāng)?shù)奶釂枎椭鷮W(xué)生從被動接受信息轉(zhuǎn)向主動思考，調(diào)動學(xué)習(xí)興趣。

2.3.2虛擬實(shí)驗，自主探究

（1)達(dá)爾文（C.R.Darwin）實(shí)驗

教師首先引導(dǎo)學(xué)生閱讀教材中相關(guān)信息，隨后在NOBOOK虛擬實(shí)驗平臺展示切割胚芽鞘視頻并講解其結(jié)構(gòu)，接著使用平臺上的胚芽鞘和實(shí)驗工具演示達(dá)爾文的感光實(shí)驗。實(shí)驗完成后，教師結(jié)合五組胚芽鞘的生長狀況提出問題：該實(shí)驗的自變量、因變量分別是什么？可以形成幾組對照？這幾組對照分別說明了什么？學(xué)生經(jīng)討論后得出結(jié)論：胚芽鞘尖端感受單側(cè)光刺激產(chǎn)生的某種“影響”，引起尖端下部彎曲生長。

設(shè)計意圖：教師通過虛擬實(shí)驗平臺展示胚芽鞘素材，幫助學(xué)生了解胚芽鞘的生長位置和結(jié)構(gòu)特征，將教材中抽象的文本信息變得形象化，為學(xué)生接下來的實(shí)驗學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。學(xué)生通過獨(dú)立觀察和思考，找出實(shí)驗變量并得出實(shí)驗結(jié)論，從而體會科學(xué)探究的基本過程。同時，虛擬實(shí)驗避免了實(shí)際操作中的風(fēng)險，如刀片使用不當(dāng)造成的安全問題等。

(2)鮑森·詹森(P.Boysen-Jensen）實(shí)驗

細(xì)心的學(xué)生會發(fā)現(xiàn)達(dá)爾文實(shí)驗還有幾個問題尚未解決： ① 達(dá)爾文實(shí)驗中提到的“影響”是如何影響尖端下部生長的？ ② 這種“影響”發(fā)揮作用的原理是什么？為了解決學(xué)生的疑惑，教師首先介紹了詹森實(shí)驗要用到的重要材料。4緊接著，小組在討論后派代表講解實(shí)驗思路并在虛擬實(shí)驗平臺演示詹森實(shí)驗。最后，教師引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)實(shí)驗現(xiàn)象分析：為什么加了瓊脂片的胚芽鞘可以彎曲，而加了云母片的不行？學(xué)生由此推出胚芽鞘尖端產(chǎn)生的\"影響”可以透過瓊脂片傳遞給下部，并進(jìn)一步猜測這種“影響\"極有可能是一種化學(xué)物質(zhì)。

設(shè)計意圖：基于達(dá)爾文實(shí)驗的不足，教師引導(dǎo)學(xué)生思考問題并設(shè)計實(shí)驗方案，發(fā)現(xiàn)其與科學(xué)家思維的不同之處，從而培養(yǎng)學(xué)生追求真知的科學(xué)態(tài)度。教師通過虛擬實(shí)驗作為輔助工具，能夠快速將學(xué)生的想法轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)，讓學(xué)生體會到實(shí)驗的樂趣。

(3)拜爾(A.Paal）實(shí)驗

教師繼續(xù)講解：詹森實(shí)驗只對問題 ② 進(jìn)行了猜測，但沒有說明這種“影響”是如何引起下部彎曲生長的。通過思考胚芽鞘不均等生長的原因，學(xué)生提出以下幾種推測(見表1)。為了排除推測一，學(xué)生提出設(shè)置黑暗環(huán)境。在設(shè)置自變量時，教師引導(dǎo)學(xué)生使用對照實(shí)驗的方法，設(shè)計讓胚芽鞘一側(cè)有“影響”另一側(cè)沒有“影響”的實(shí)驗方案。學(xué)生隨后進(jìn)入NOBOOK虛擬實(shí)驗平臺進(jìn)行實(shí)驗操作，通過比較實(shí)驗現(xiàn)象，得出結(jié)論：“影響”分布不均勻造成胚芽鞘彎曲生長。

設(shè)計意圖：教師通過讓學(xué)生在實(shí)驗前提出推測并預(yù)測實(shí)驗現(xiàn)象，訓(xùn)練學(xué)生思維的發(fā)散性、填密性和整體性。借助虛擬實(shí)驗，教師不僅能創(chuàng)造出傳統(tǒng)教學(xué)難以實(shí)現(xiàn)的黑暗環(huán)境，還能加深學(xué)生對實(shí)驗過程和實(shí)驗嚴(yán)謹(jǐn)性的認(rèn)知，進(jìn)而培養(yǎng)其科學(xué)思維。

(4)溫特(F.W.Went）實(shí)驗

教師在總結(jié)詹森和拜爾的實(shí)驗后提出問題：雖然這些實(shí)驗顯示了某種“影響”的存在，但這種“影響”一定是化學(xué)物質(zhì)嗎？是誰設(shè)計實(shí)驗證實(shí)的？詹森實(shí)驗忽視了瓊脂本身對實(shí)驗現(xiàn)象的干擾，溫特實(shí)驗是如何解決的？學(xué)生帶著問題閱讀教材內(nèi)容后，教師利用NOBOOK虛擬實(shí)驗平臺演示并講解溫特實(shí)驗的步驟、原理和結(jié)論。師生最終共同總結(jié)得出：“影響\"的本質(zhì)是一種名為生長素的化學(xué)物質(zhì)。

設(shè)計意圖：教師通過設(shè)計一系列階梯式問題串，加深學(xué)生對實(shí)驗細(xì)節(jié)的把握和對科學(xué)研究嚴(yán)謹(jǐn)性的思考。此外，溫特實(shí)驗的步驟較為復(fù)雜，學(xué)生在課后可以進(jìn)人NOBOOK虛擬實(shí)驗平臺反復(fù)練習(xí)，從而熟悉操作流程。

2.3.3結(jié)合實(shí)例，拓展思維

教師展示資料：在黃豆收獲的季節(jié)，路燈下的黃豆卻不結(jié)果實(shí)。學(xué)生結(jié)合本節(jié)課所學(xué)知識，能夠想到光照對植物生長發(fā)育具有調(diào)節(jié)作用。教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)一步思考黃豆每天接受光照的時間，從而推測出過度的光輻射可能會對黃豆的開花和結(jié)果產(chǎn)生負(fù)面影響。最后，教師介紹農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中利用照明技術(shù)控制光照時間和光照強(qiáng)度來優(yōu)化植物開花的操作，進(jìn)一步驗證學(xué)生推測的合理性。

設(shè)計意圖：通過討論農(nóng)業(yè)生產(chǎn)問題，學(xué)生能夠積極運(yùn)用植物生長機(jī)制的相關(guān)知識來解釋現(xiàn)象，從而提高相關(guān)知識的遷移應(yīng)用能力。

3反思與總結(jié)

本節(jié)課以“植物生長素”為例，采用虛擬實(shí)驗輔助教學(xué)的方式，讓學(xué)生通過閱讀教材、小組討論和虛擬實(shí)驗等過程來探究植物具有向光性的原因。通過“教學(xué)一實(shí)踐一教學(xué)\"的螺旋循環(huán)式教學(xué)設(shè)計，學(xué)生能夠不斷反思自己和科學(xué)家實(shí)驗思路的異同，提高自身對科學(xué)推理過程的細(xì)致理解。[5]

虛擬實(shí)驗?zāi)苡行Ы鉀Q實(shí)際教學(xué)中的許多問題，一方面允許教師不受空間和實(shí)驗次數(shù)的限制，帶領(lǐng)學(xué)生在短時間內(nèi)觀察實(shí)驗現(xiàn)象、熟悉實(shí)驗過程；另一方面為學(xué)生提供了根據(jù)自身想法設(shè)計并實(shí)施原創(chuàng)實(shí)驗的機(jī)會。但虛擬實(shí)驗只能作為實(shí)驗教學(xué)的一種輔助手段，不能完全替代真正的實(shí)驗操作，只有將虛擬實(shí)驗和實(shí)際實(shí)驗操作相結(jié)合，才能最大化地發(fā)揮實(shí)驗教學(xué)的效果。

參考文獻(xiàn)

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