虛擬實驗在中學生物教學中的應用

【摘 要】本文論述虛擬實驗在中學生物教學中應用，認為虛擬實驗可以應用在難度與危險系數較大的生物實驗中，或應用在真實實驗前的指導、生物課的理論學習，以及課后復習環節中，提出利用虛擬實驗幫助學生理解實驗原理，了解操作方法與過程;利用虛擬實驗重復實驗與開展個性化學習，提高學生的學習主動性與創新操作能力;利用虛擬實驗輔助學生完成難度大的實驗，培養學生的探究能力;利用虛擬實驗為學生創設更大自主探究的空間，培養學生的合作學習精神。

【關鍵詞】中學生物 虛擬實驗 生物實驗 實驗原理 自主探究

【中圖分類號】G ?【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2019）03B-0146-02

生物實驗教學是中學生物教學的重要組成部分。生物教學中涉及許多生物解剖實驗，以及一些難度與危險系數較大的實驗。但是，為了培養學生熱愛大自然、愛護生物的積極情感，保障學生的實驗安全，生物新課標背景下的生物新教材已經刪除了部分實驗?？墒?，如果學生不進行實驗就不可能深入地了解生物知識，所以生物新課標倡導生物實驗的多樣化，建議有條件的學?？梢酝ㄟ^多媒體開展生物虛擬實驗。在目前的中學生物教學中，部分教師對于虛擬實驗還沒有深入的了解，影響了生物教學有效性的提高。因此，如何通過虛擬實驗提高中學生物教學的有效性，是擺在中學生物教學面前的重要課題。

一、虛擬實驗在生物教學中的應用范圍

虛擬實驗室是一種模擬實驗，以現代信息技術為支撐，學生除了可以運用計算機進行模擬實驗外，還可以運用數據手套、力矩球、數據眼鏡等設備，在信息技術創設的虛擬環境下進行輸入與輸出操作。學生在虛擬實驗中，通過動手、觀察，了解、掌握生物知識，完成生物知識的建構。也就是說，學生在教師的引導下，通過多媒體等信息技術手段，再現真實的實驗過程，在這個過程中，學生可以親手操作，近距離觀察。生物實驗室需要有比較完備的實驗軟件及傳感器，在虛擬實驗中，不是單純地運用多媒體課件，而是通過比較完備的設施及模擬實驗系統使虛擬實驗具有交互性，不單是教師的演示實驗，更重要的是發揮學生主體作用，讓虛擬實驗教學發揮獨特的作用。

虛擬實驗主要在中學生物教學的以下環節中應用：第一，在難度與危險系數較大的生物實驗中應用。在中學生物教學中會遇到許多由于安全、生物保護等客觀原因不能用實物做實驗的問題，虛擬實驗正好可以突破這些客觀因素的限制，填補生物實驗的空白。第二，應用在真實實驗前的指導。為了保障真實實驗的有效進行，提高真實實驗的效率，在實驗前教師可以引領學生開展虛擬實驗，在虛擬實驗中，學生可以初步了解實驗原理，搞清楚實驗步驟，以及實驗中需要注意的問題，為進行真實實驗打好基礎。第三，應用在生物課的理論學習中。教師在講解生物知識點時，為了更深入地說明問題，可以運用虛擬實驗，給學生更直觀形象的展示，讓學生更深入地理解知識。也就是說，在講解的過程中，可能會涉及一些危險的、微觀的、宏觀的知識內容，無法通過真實實驗來實現，在這種情況下，虛擬實驗就發揮了其應有的作用。第四，應用在生物課后復習的環節中。因為學生在生物復習過程中必然會產生許多的疑問，這時候進行真實實驗極不便捷，甚至也沒有必要。虛擬實驗室具有便捷性，在復習中學生完全可以運用虛擬實驗室解決疑難問題，完成對知識的理解與鞏固。

二、虛擬實驗在中學生物實驗教學中的具體應用

（一）利用虛擬實驗幫助學生理解實驗原理，了解操作方法與過程。在新課改背景下，中學生物教學的重點是培養學生的生物綜合素養，生物實驗的內容也隨之增多。但是，由于生物課時沒有相應增多，加之各學科整體課程教學的需要，生物課時還有所減少，導致中學生物教學課時緊張，影響了開齊開全實驗課要求的落實。部分教師為了完成教學計劃，通常用短暫的實驗示范設計實驗環節，造成學生對生物知識點理解不透徹，對生物實驗原理理解不全面，反而延長了實驗時間，學生學習的效果并不理想。

如果生物學科任課教師在開展真實的實驗之前，運用虛擬實驗的形式指導學生，學生就會對真實實驗要做哪些準備、經過哪些環節、實驗中有哪些注意事項、實驗原理等有一個較全面的了解，這樣在進行真實實驗時，學生可以直奔主題，節省老師講解組織的時間，把大量的時間用在實驗操作上，學生實驗起來也就得心應手，不會出現儀器損壞現象，避免操作失誤與實驗事故。例如，在傳統的生物實驗中，往往是先由教師操作演示顯微鏡如何使用，再由學生進行實際操作，由于學生對顯微鏡的操作十分生疏，教師在演示操作時，學生的注意力大多集中在顯微鏡上面，從而沒有認真聽講與理解教師所講解的注意事項，導致實驗效果不是很理想，甚至發生損壞玻片標本或者顯微鏡鏡頭的問題。但是在實驗之前運用虛擬實驗指導學生，就可以避免發生以上問題。學生在虛擬實驗中已經有所準備，就可以在真實實驗中反復操作與訓練，達到熟練的程度。這樣學生通過虛擬實驗與真實實驗兩個過程，能夠更加深刻地理解實驗原理。此外，學生可以在學習中隨時運用虛擬實驗的課件，根據自己學習中的疑點與難點進行自主虛擬實驗，這不僅使學生在課前預習中對實驗原理有所理解，而且使他們了解到實驗中要用到哪些儀器與設備，了解儀器設備的性能及使用方法，對真實實驗產生直觀認識，從而拓展生物實驗的時間與空間。

（二）利用虛擬實驗重復實驗與開展個性化學習，提高學生的學習主動性與創新操作能力。真實的生物實驗固然有其優點與長處，但是在實驗中要用到真實的儀器與設備，要消耗實驗材料，所以真實實驗必然要考慮到節約利用實驗資源的問題，教師也會對學生運用實驗材料的次數進行限制。并且，在生物實驗教學中，存在著一些用時較長的實驗，需要學生花費較長的時間去探究并總結規律，如進行“酸雨對生物的影響”的真實實驗，由于時間較長，在課堂上不可能完成。學生在課堂上通過觀察相關圖片，聽教師的語言描述，但是由于沒有親手操作的機會，難以收到理想的實驗教學效果。虛擬實驗具有可復制性與便捷性的特點，學生可以重復實驗，即使周期很長的實驗，學生通過虛擬實驗也可以在短時間內完成，這不僅克服了真實實驗受次數限制的弊端，而且也體現了學生的主體學習地位。同時，在虛擬生物實驗中，學生可以根據自己的學習計劃，對自己感興趣的問題進行隨時實驗，在實驗過程中可以產生新的問題，再通過實驗使問題得以解決。學生通過復習舊知，建構新知，提出新的實驗方案，提出自己的設想與意見，可以促使創新思維能力的發展，形成個性化學習。此外，學生在虛擬實驗中也可以通過網絡進行互動，交流探究學習中產生的問題，使問題得以解決，這樣就可以傾聽別人的學習意見，集眾家智慧，不斷改善自己的學習，產生新的想法，在合作學習中加深對知識的理解，從而產生學習的主動性，促進創新能力的形成。

（三）利用虛擬實驗輔助學生完成難度大的實驗，培養學生的探究能力。虛擬實驗與真實實驗相比具有自身獨特的優勢。一些實驗難度太大，或者根本無法完成的實驗，都可以通過虛擬實驗來完成，從而輔助學生更好地完成知識的建構。如生物實驗教學中有些實驗材料與器材非常昂貴，而學校的經費比較緊張，難以在這些實驗上進行投入，條件不具備的學校就很難開展此類實驗，而虛擬實驗可以填補因為花費高而無法開展生物實驗的缺憾，達到節約資源與經費的目的。例如生物實驗教學中的“探究植物光合作用”的實驗，需要數量不少的天竺葵，每個班級就需要 20 余盆，一個年級就需要上百盆的天竺葵。一旦學生在實驗中出現操作不當的問題，就會造成巨大的損失，浪費經費。而引入虛擬實驗后，這個問題就可以得到很好的解決。

虛擬實驗以現代信息技術為依托，運用信息技術手段創設情境，學生可以置身于逼真的環境中操作生物對象，學生在這種情境中體驗，發現問題，產生疑問，激發探究欲望。如在進行解剖青蛙的虛擬實驗中，學生可以在逼真的情境中觀察到直觀生動的形象，從而產生想象，結合生活經驗激活對知識的記憶，從而從舊知出發，不斷與新知產生聯系，學生溫故知新，最終完成知識的建構。虛假實驗室為學生的探索提供了廣闊的空間，學生在實驗中可以發現生物奧秘，跟科學家一樣進行探索，在研究過程中體驗收獲的快樂，體味發現與探究的樂趣。這對于學生培養創新精神、形成探索能力具有十分重要的促進作用。學生在虛擬實驗室中的主要實驗方式是人機交互式對話與操作，實驗過程具有很強的智能性，同時也特別適合中學學生的探究特點，實驗過程富有形象性與趣味性，可以激發學生學習積極性，學生樂于在實驗中發現問題，提出問題，進而進行自主或者合作探究，有效培養了學生的探究精神與科學態度。

（四）利用虛擬實驗為學生創設更大自主探究的空間，培養學生的合作學習精神。虛擬實驗室依靠信息技術，將逼真的虛擬實驗生動地展現在學生面前，可以有效吸引學生的注意力，刺激學生的感官。當學生進入虛擬實驗系統時，就可以自主在電腦上學習生物實驗原理，總結生物規律。如果學生操作不正確，系統會給出有關操作的正確做法，提示接下來的實驗操作。在這種實驗環境下，學生是以小組為單位進行探究的，每個小組一臺電腦，成員之間進行明確分工。如學生甲負責材料的整理，學生乙負責試劑的調制，學生丙負責進行操作，整體任務由小組合作完成，在實驗過程中小組成員需要進行密切合作，遇到問題一起探究，有利于促進學生合作學習精神的形成。并且，虛擬實驗室的虛擬實驗系統會對一些實驗細節進行放大處理，學生可以全方位進行觀察，然后再進行實際的練習，實驗成功率會大大提高。

在中學生物教學中運用虛擬實驗室教學，可以幫助學生理解實驗原理，清晰實驗步驟，提高實驗技巧，從而提高學生的創新能力，培養科學精神，幫助學生完成一些難度高、危險系數大的實驗，提高學生的探究能力。虛擬實驗還可以促進學生的合作學習，培養學生的合作能力。因此，教師在教學中要注重根據生物教學及中學學生的特點，科學設計虛擬實驗環節，提高學生的生物綜合素養。

【參考文獻】

[1]姚海霞.驗證性虛擬實驗在初中生物實驗教學中的作用[J].中學生物學，2012（8）

[2]林鳳屏，黃 飛，陳必鏈.虛擬實驗室在生物教學中的應用與研究[J].實驗室科學，2016（2）

【作者簡介】任飛航（1981— ），男，廣西興業人，興業縣第一中學教師，中學二級教師。

（責編 江月陽）