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、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，都離不開實驗教學。傳統的生物教學，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。中學班級人數較多，實驗儀器數量少，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實驗教學缺陷，提高生物教學質量。

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010—2020年）》明確提出：“加強優質教育資源開發與應用，加強網絡教學資源體系建設，開發網絡學習課程。建立數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，促進優質教育資源普及共享。”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、互聯網及無線通信技術進行虛擬實驗教學?！盵1]因此，虛擬仿真實驗也越來越多地應用于基礎教育，使學校教學質量有顯著提升。如華中師范大學生物學虛擬仿真實驗教學中心結合多年野外實習的教學成果，重現了神農架在不同季節、不同路線的野外環境和動植物實景，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容。該實驗平臺采用3D技術，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果的教學軟件。

二、案例分析

“DNA是主要的遺傳物質”是人教版普通高中課程標準實驗教科書《生物》必修二第3章的教學內容，本節一共包括三個實驗，分別是肺炎雙球菌的轉化實驗、艾弗里證明DNA是遺傳物質的實驗、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，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，即可觀察到實驗結果。

（二）艾弗里證明DNA是遺傳物質

教師活動：教師在講解DNA是遺傳物質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、實驗過程及實驗結論。學生回答實驗結論并在黑板上畫出相應的實驗結果圖。

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學生展示整個實驗過程，加深學生對實驗的學習與了解。

實驗結論：DNA才是使R型細菌產生穩定遺傳變化的物質。

（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現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。

實驗結論：DNA是遺傳物質。

三、虛擬實驗在高中生物學實驗教學中的優勢與不足

（一）虛擬實驗在高中生物實驗教學中的優勢

1.克服傳統實驗教學的操作復雜、時間長等弊端，提高生物教學質量

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實驗的弊端，提高生物教學質量，主要體現在以下三點：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℃環境下培養10h，觀察現象；而在虛擬實驗中僅需要1min即可完成?！暗蜏卣T導植物染色體數目的變化”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（4℃），誘導培養36h。第三，與傳統的實驗教學相比，虛擬實驗在操作的過程中安全系數更高。如“植物的組織培養實驗”需要在無菌的環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，需要在酒精燈的旁邊取植物的一小塊組織放入培養液中進行培養。在操作過程中，稍有不慎就會打翻酒精燈，發生實驗事故。因此，虛擬實驗在操作過程中更具有安全性，風險小。

2.優化教學資源，提高生物教學質量

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勢優化教學資源，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，有利于縮小城鄉之間教育資源的差距。鄉鎮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。通過互聯網，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；教師也可根據學生在線學習的情況及時為學生答疑解惑。

3.建構模型教學，提高生物教學質量

模型是一種對某個實際問題或客觀事物、規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、非本質聯系舍去，形象簡約地表現生物原型或突出反映原型的主要特征和聯系的理想物質、過程或假想結構[3]。對生物學教學而言，物理模型、數學模型、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。

教師可以結合教學內容，以虛擬實驗為載體，構建不同的教學模型，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、手機等電子產品操作，根據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步驟。與傳統實驗相比，虛擬實驗將實驗過程按照既定的步驟一一展現出來，基本不會出現誤差，不利于學生辯證思維的培養。對比傳統實驗，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，虛擬實驗則表現出其不足之處，不能很好地調節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，而且必須是現用現配。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，也是課程發展的新趨勢[5]。如何選擇合適的教學內容，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所在。