虛擬仿真實驗在高中生物實驗教學中的應用

（湖南科技大學 湖南 湘潭 411201）

生物課是一門以實驗為基礎(chǔ)、集理論與實踐于一體的課程，無論是理論知識的學習，還是實踐能力的培養(yǎng)，都離不開實驗教學。傳統(tǒng)的生物教學，理論知識的教學與實驗教學不能完全做到同步，在很大程度上降低了學生生物學習的效率，不利于學生科學思維和探究能力的培養(yǎng)。中學班級人數(shù)較多，實驗儀器數(shù)量少，且精密儀器缺乏，實驗試劑可能存在有毒性、易污染等問題，難以保證每位學生都能參與實驗，實驗的安全性也難以保證，因此，學生對DNA分子、蛋白質(zhì)分子等微觀知識，難以真正理解與掌握。而虛擬仿真實驗可以彌補傳統(tǒng)實驗教學缺陷，提高生物教學質(zhì)量。

《國家中長期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》明確提出：“加強優(yōu)質(zhì)教育資源開發(fā)與應用，加強網(wǎng)絡教學資源體系建設，開發(fā)網(wǎng)絡學習課程。建立數(shù)字圖書館和虛擬實驗室。建立開放靈活的教育資源公共服務平臺，促進優(yōu)質(zhì)教育資源普及共享。”教育部頒布的《普通高中生物課程標準（2017版）》明確提出：“學校可充分利用多媒體、互聯(lián)網(wǎng)及無線通信技術(shù)進行虛擬實驗教學。”[1]因此，虛擬仿真實驗也越來越多地應用于基礎(chǔ)教育，使學校教學質(zhì)量有顯著提升。如華中師范大學生物學虛擬仿真實驗教學中心結(jié)合多年野外實習的教學成果，重現(xiàn)了神農(nóng)架在不同季節(jié)、不同路線的野外環(huán)境和動植物實景，滿足學生動植物實習需要[2]。北航附中首次使用虛擬實驗軟件進行化學實驗加試的考試。

一、虛擬實驗（NOBOOK）的簡單介紹

NOBOOK虛擬仿真實驗（簡稱NB虛擬實驗）平臺是由北京樂步教育科技有限公司于2014年打造的一款教學軟件，其網(wǎng)址是https：//www.nobook.com/，集小學科學、中學物理、化學、生物實驗于一體，可在不同的設備上展示內(nèi)容。該實驗平臺采用3D技術(shù)，將實驗材料和儀器高度仿真，利用鼠標即可完成實驗操作并迅速觀察到實驗結(jié)果的教學軟件。

二、案例分析

“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”是人教版普通高中課程標準實驗教科書《生物》必修二第3章的教學內(nèi)容，本節(jié)一共包括三個實驗，分別是肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗、艾弗里證明DNA是遺傳物質(zhì)的實驗、T2噬菌體侵染大腸桿菌的實驗。

（一）利用虛擬實驗進行肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實驗的操作說明

第一步：打開百度，點擊搜索NOBOOK虛擬實驗平臺；

第二步：進入NB實驗軟件平臺的首頁，點擊NB生物實驗；

第三步：點擊在線使用，選擇高中生物，點擊必修二，選擇肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實驗；

第四步：了解實驗原理、實驗目的、材料用具、討論要點之后，點擊右下角的開始實驗即可進行實驗教學；

第五步：將鼠標放在帶有黃色標志的圓圈上，并通過鼠標拖動針管將其注射到小鼠體內(nèi)，重復以上步驟三次，則完成這一實驗過程。其中，黃色圓圈表示R型活細菌、粉色圓圈表示S型活細菌、含有線條的粉色圓圈表示加熱殺死的S型細菌。

第六步：完成上述步驟，即可觀察到實驗結(jié)果。

（二）艾弗里證明DNA是遺傳物質(zhì)

教師活動：教師在講解DNA是遺傳物質(zhì)的實驗具體操作之前，引導學生說出做實驗所需要的實驗材料及儀器。

提出問題：此實驗的實驗思想、實驗過程及實驗結(jié)論分別是什么？

學生活動：學生通過自主學習和合作探究階段，已初步掌握此實驗的實驗思想、實驗過程及實驗結(jié)論。學生回答實驗結(jié)論并在黑板上畫出相應的實驗結(jié)果圖。

教師活動：教師對學生解答進行補充及講解。并通過虛擬實驗平臺向?qū)W生展示整個實驗過程，加深學生對實驗的學習與了解。

實驗結(jié)論：DNA才是使R型細菌產(chǎn)生穩(wěn)定遺傳變化的物質(zhì)。

（三）T2噬菌體侵染大腸桿菌的實驗

教師活動：在學生展示完模擬實驗之后，教師借助NB虛擬實驗平臺讓學生更加清楚地了解T2噬菌體侵染大腸桿菌實驗的實驗原理及實驗過程。

提出問題：T2噬菌體侵染大腸桿菌實驗的實驗原理及實驗過程分別是什么?

學生活動：學生合作探究并運用教師準備的教具進行模擬。

設計意圖：通過合作探究利用道具進行實驗的模擬，可以有效加深學生對實驗的理解；在借助NB虛擬實驗平臺還原的實驗過程，可以幫助學生及時發(fā)現(xiàn)模擬實驗存在的不足，進一步加深學生對此實驗知識的掌握。

實驗結(jié)論：DNA是遺傳物質(zhì)。

三、虛擬實驗在高中生物學實驗教學中的優(yōu)勢與不足

（一）虛擬實驗在高中生物實驗教學中的優(yōu)勢

1.克服傳統(tǒng)實驗教學的操作復雜、時間長等弊端，提高生物教學質(zhì)量

教師對實驗教學重要性的忽視、學校購買實驗器材、試劑、材料等資金的不足、生物課時少等原因，導致生物實驗教學不能有效開展。虛擬實驗可以有效克服傳統(tǒng)實驗的弊端，提高生物教學質(zhì)量，主要體現(xiàn)在以下三點：第一，虛擬實驗的操作較簡單，教師和學生僅需通過控制計算機、鼠標等即可完成實驗教學過程；第二，虛擬實驗可減少部分生物實驗等待的時間。如在“探究酵母細胞呼吸的方式”實驗中，需要將連接好的裝置間歇性通氣1h，在30℃環(huán)境下培養(yǎng)10h，觀察現(xiàn)象；而在虛擬實驗中僅需要1min即可完成。“低溫誘導植物染色體數(shù)目的變化”實驗，需要在洋蔥長出1cm左右的不定根時，將整個裝置放入冰箱的低溫室內(nèi)（4℃），誘導培養(yǎng)36h。第三，與傳統(tǒng)的實驗教學相比，虛擬實驗在操作的過程中安全系數(shù)更高。如“植物的組織培養(yǎng)實驗”需要在無菌的環(huán)境中完成整個實驗過程。在操作過程中，學生需要用酒精擦拭雙手以達到無菌的狀態(tài)，需要在酒精燈的旁邊取植物的一小塊組織放入培養(yǎng)液中進行培養(yǎng)。在操作過程中，稍有不慎就會打翻酒精燈，發(fā)生實驗事故。因此，虛擬實驗在操作過程中更具有安全性，風險小。

2.優(yōu)化教學資源，提高生物教學質(zhì)量

高中生物的實驗教育由于資金、場地、課時的限制，不能有效進行；因此，虛擬實驗可以利用自身的優(yōu)勢優(yōu)化教學資源，主要包括以下三個方面：

第一，生物實驗儀器方面：我國的許多中學，生物實驗儀器配備不完善，如噬菌體侵染細菌的實驗需要用的離心儀器實驗室沒有配備。

第二，課時安排方面：首先，我國教育仍然是應試教育，許多高中為了保證學校的升學率及提高學生的高考成績，減少了生物實驗教學時間。其次，學生人數(shù)和課時安排等因素，也影響了生物實驗教學。

第三，有利于縮小城鄉(xiāng)之間教育資源的差距。鄉(xiāng)鎮(zhèn)學校與城市學校之間的教育資源存在著較大的差距。

與傳統(tǒng)的實驗教學相比，虛擬實驗則可以很好地解決上述問題。虛擬實驗不受時間、地點等條件的限制。通過互聯(lián)網(wǎng)，有手機、平板、電腦、電子交互式白板等電子設備，學生可隨時隨地在線學習；教師也可根據(jù)學生在線學習的情況及時為學生答疑解惑。

3.建構(gòu)模型教學，提高生物教學質(zhì)量

模型是一種對某個實際問題或客觀事物、規(guī)律進行抽象后的形式化表達方式。而生物模型是一種將生物學研究原型的一些次要的、非本質(zhì)聯(lián)系舍去，形象簡約地表現(xiàn)生物原型或突出反映原型的主要特征和聯(lián)系的理想物質(zhì)、過程或假想結(jié)構(gòu)[3]。對生物學教學而言，物理模型、數(shù)學模型、概念模型、圖示圖表模型已成為生物學課堂上的主要模型[4]。如表1所示。

教師可以結(jié)合教學內(nèi)容，以虛擬實驗為載體，構(gòu)建不同的教學模型，以加深學生對知識的理解，提高生物學教學質(zhì)量。

（二）虛擬實驗在高中生物學實驗教學中的不足

任何事物都有兩面性。虛擬仿真實驗的建立也不例外。我國虛擬實驗的研究起步較晚，近幾年才有了一定的建設與發(fā)展。

表1 生物課堂上的主要模型

1.虛擬實驗的建立需要大量的資金支持

在我國，小部分高校建立了相應的虛擬實驗室，但還需要進一步完善；而大部分高校和中學沒有建立相應的虛擬實驗室。

2.虛擬實驗在一定程度上制約了學生的動手能力

與實際的實驗教學相比，虛擬實驗只需簡單的電腦、手機等電子產(chǎn)品操作，根據(jù)軟件中的相應提示完成實驗的過程。而部分學生并不會仔細閱讀、思考軟件中給出的相關(guān)步驟。與傳統(tǒng)實驗相比，虛擬實驗將實驗過程按照既定的步驟一一展現(xiàn)出來，基本不會出現(xiàn)誤差，不利于學生辯證思維的培養(yǎng)。對比傳統(tǒng)實驗，虛擬實驗缺乏實踐動手操作，生物教學不能完全依賴這個軟件。對于可以在現(xiàn)實中開展的實驗，應盡量讓學生參與實驗的設計和具體步驟，以提升學生的動手能力。

四、注意使用事項

（一）實驗內(nèi)容的選擇

高中生物實驗的類型有探究類、演示類、觀察類、動手操作類，并不是所有的實驗都適用于教學。如在顯微鏡的實驗中，虛擬實驗則表現(xiàn)出其不足之處，不能很好地調(diào)節(jié)顯微鏡的粗準焦螺旋和細準焦螺旋；因此，虛擬實驗要契合實驗類型及教學內(nèi)容。

（二）使用要點的講解

實驗過程中需要特別注意的要點，虛擬實驗未做詳細講解。如配制斐林試劑時，A液與B液必須反應完全后再加入待測樣品里，而且必須是現(xiàn)用現(xiàn)配。教師應對虛擬實驗中沒有提及的知識點進行詳細講解。

（三）時間與進度的控制

教師和學生對軟件掌握要熟練。如NB虛擬實驗仿真軟件中的每個實驗大概用時在1min—5min，結(jié)合教師對實驗的講解，約在15min—20min；因此，教師和學生課前應對此軟件熟練掌握，以免影響教學進度。

五、結(jié)語

虛擬仿真實驗是為教師量身打造的一款教學平臺，其驗證性、仿真性和交互性的實驗教學模式是我們教學改革長期努力的方向，也是課程發(fā)展的新趨勢[5]。如何選擇合適的教學內(nèi)容，將虛擬實驗更好地應用于教學中，進行有效問題的實驗教學等問題，是我們廣大教育工作者進行探索改進的挑戰(zhàn)所在。