虛擬實驗室在高中生物教學中的應用探究

摘 要：虛擬實驗室是一種基于Web技術、VR虛擬現實技術構建的開放式網絡化虛擬實驗教學系統，是現有各種教學實驗室的數字化和虛擬化。教師將虛擬實驗室運用于高中生物教學中，能夠突破傳統的教學手段和模式，有效提高教學效率和教學質量。

關鍵詞：虛擬實驗室;高中生物;應用策略

中圖分類號：G43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-624X（2021）12-0059-02

引 言

高中生物是一門嚴謹的學科，其理論知識和實踐操作知識都比較多。在傳統教學模式中，受教育經費、師資力量、安全問題等因素的制約，學生無法深入學習生物知識。為有效突破這一教學瓶頸，教師可以通過虛擬實驗室的教學模式對學生進行教學引導，從而使學生的生物核心素養得到有效提升。

一、虛擬實驗教學

通常來講，動物細胞培養實驗指的是將動物器官或組織上的細胞通過特定方式進行剝離，并在體外對其生長環境進行模擬，然后對其進行培養的過程。動物細胞的培養需要較為多元的硬件設施進行支撐，如化學性質層面的血清、激素、生長因子、培養液，以及物理層面的環境和設備等;此外，還需要較為體系化的細胞培養設備條件進行支持，包括無菌的操作、培養、檢測、保存條件等。因此，受外界因素的干擾，教師很難有效將動物細胞培養實驗給學生進行整體性呈現，這阻礙了學生對這類知識的學習。而虛擬實驗指的是利用信息技術對實驗過程進行真實再現，從而確保實驗過程的整體性和完善性，進而使學生對這類知識進行系統化認知。所以，將動物細胞培養實驗與信息技術進行完美融合，可以有效突破生物實驗的難點問題。

隨著信息技術的迅速發展，尤其是仿真技術及數字建模技術的不斷發展，虛擬實驗室教學模式被廣泛應用于高中生物教學中。在高中生物課堂教學環節，實驗教學的作用在于將理論基礎與實踐操作進行連接，而這一過程也可以有效培養學生的創新能力[1]。具體來說，虛擬實驗通過技術手段模擬現實中的生物實驗現象和過程，并對實驗過程進行真實再現。學生在這一形象逼真的實驗環境中，能系統化地分析整體的實驗設計、操作、結果等。這能消除傳統實驗教學過程中的弊端，完善實驗教學內容，從而有效提高學生的實驗創新能力。

以“動物細胞培養”為例，動物細胞培養指的是將動物機體中的相關組織進行抽取，并將其進行分散，使其成為單個細胞，并在適宜的環境中對其進行培養，使其可以增殖和生長。但是，傳統層面的動物細胞培養實驗需要定期更換培養液，而且需要加入一定的抗生素，稍一疏忽就會影響實驗的準確性。而虛擬實驗教學在高中生物教學中的運用，則有效解決了這一問題，虛擬實驗教學通過高尖端的設備和儀器可以使學生觀察到動物胚胎的碎化、分散、細胞分裂、增殖等過程，從而使學生對動物細胞的整個生長、增殖過程有更為清晰的認知。

二、虛擬解剖教學

在高中生物課堂教學環節，教師可以通過虛擬實驗室對學生進行解剖知識的講解，這樣可以使生物實驗教學突破傳統實驗弊端，使學生通過虛擬技術，客觀真實地了解生物解剖教學的全過程。這種將生物實驗的每個步驟都進行細化呈現的虛擬實驗教學情境，能使學生真正對生物形成細化認知。

以“動物細胞培養”為例，對于雜交瘤細胞的培養過程來說，融合后的脾細胞和骨髓瘤細胞在HAT培養液中會出現陸續死亡的現象。而這一過程中，少數分散的細胞及單個細胞均不宜成活，因此，為促使其成活，則需要加入相應的其他飼養細胞，通常會選擇小白鼠的腹腔巨噬細胞進行實驗。傳統實驗通常會將小白鼠的腹部朝上在解剖臺上進行固定，然后暴露出小白鼠的腹膜，并將RPMI-1640不完全培養液在小白鼠體內進行注射，然后利用培養液懸浮并混勻沉淀細胞，最后在96孔培養板內加入細胞懸液。由于本解剖必須確保全程無菌操作，因此，為確保實驗的完整性，教師可以引導學生通過虛擬實驗室對本實驗過程進行觀察。其原理在于通過三維重建及MRI掃描，構建虛擬系統。教師可以通過虛擬手術刀，對小白鼠進行層層解剖，讓學生可以清晰地看到教師用虛擬鑷子將小白鼠腹部的皮膚提起，并用剪刀剪了一個小口。當小白鼠的腹膜暴露后，教師又換了一把虛擬剪刀，在腹膜上剪出一個小口等，這樣會使學生對小白鼠的解剖過程形成清晰的認知。直到教師通過虛擬手術刀一步步將小白鼠解剖，并利用虛擬容器將小白鼠的內臟碎塊裝入勻漿器中，并進行虛擬研磨，學生會看到大塊的組織塊都已經逐步下沉。這時，教師可以將上層的細胞進行吸取，并在50ml離心管中進行移入，并加入分散細胞、單個細胞、培養液并將其混勻，以此制成動物細胞培養液。在此基礎上，學生會發現懸液中的細胞會貼附于瓶壁上，這就是細胞貼壁現象。教師可以通過虛擬實驗室，引導學生觀察細胞貼壁后不同時段的情況，并做好相關記錄，以此加深學生對相關知識的認知。

三、虛擬VR技術

虛擬VR技術又叫虛擬現實技術，它是一種以信息技術為支撐的技術模式，利用計算機模擬現實環境，并對真實的場景進行構建。在虛擬技術中，學生可以與計算機進行人機交互，進而在虛擬的場景中感受到真實情景，包括聽覺、視覺、觸覺、嗅覺的高度仿真。因此，這種虛擬VR技術也具有高度的交互性、構想性和沉浸性。結合高中生物教學來說，VR技術的運用，可以使學生通過對實驗真實場景的體驗，對生物知識形成一個系統化的認知。

以“動物細胞培養”為例，傳統層面的細胞培養實驗對外在條件有較多的要求，具體包括需要有氣體、滲透壓、酸度、溫度、生長表面等對其進行支撐，但是，在實際的實驗過程中，很難保證其規范性。此外，對于不同的實驗類型，其血清的種類及營養液的配置的比例也較難掌握。而利用虛擬實驗技術可以對實驗過程進行完善，從而有效突破這一難題。具體來說，VR技術可以使學生通過數字化模式，進入虛擬仿真場景中，如同自己在做這一實驗，從而對動物細胞的培養過程形成一個完整的認知。這可以增強學生的真實體驗感受，使學生的生物綜合素養形成質的升華。比如，學生通過虛擬操作，在構建的場景中取下一塊動物組織，并將其分散為單個的細胞后，在適宜的培養基中進行放置，以此確保細胞可以進行增殖和生長。同時，在進行VR虛擬實驗的過程中，學生應注意觀察運用幼齡動物的器官或者動物的胚胎組織進行實驗，與運用成年動物的器官會存在何種差異，以便對細胞的分裂增殖能力形成一個高效認知。實際上，只有提取幼齡動物或者胚胎中的動物細胞，才可以確保實驗的準確性。其原理在于上述動物細胞具有較強的分裂增殖能力，更利于學生進行實驗觀察和學習。學生可以通過VR虛擬實驗，感受提取細胞的過程，觀察細胞分裂增殖的過程，從而提升自身的生物感知能力、操作能力和體驗能力。

四、虛擬切片教學

生物虛擬實驗室指的是利用信息技術，對各種軟件資源進行研發，并在此基礎上，對信息進行發布、加工、提取、研究、分析和整理。其在生物教學中的運用，可以使學生對生命的起源、遺傳、發育和進化本質有一個深度的認知。具體來說，在高中生物實驗課堂教學環節，教師可以通過虛擬實驗室的模式，對學生進行動物細胞培養切片教學引導。傳統層面的細胞組織切片在實際教學環節的應用，有不易儲存、數據信息龐大、不便查找、容易損壞等弊端，因此，不利于學生對這部分知識進行認知。而虛擬切片系統可以將組織切片轉變為文字圖形信息，也可以將具有典型代表的組織切片信息以不同類目和章節進行分庫式存儲，以此建立與之相互呼應的虛擬切片系統。虛擬切片系統具有擴展性強、易保存、無損耗、便利查找的優勢，可以使不同實驗室之間進行合作，實現生物教學資源的共享。

以“動物細胞培養”為例，在進行本實驗的過程中，教師可以利用虛擬技術將幼齡個體的組織或器官，以及動物胚胎做成動物細胞培養材料。這是因為細胞生命力較為旺盛，且具有分化程度低、分裂能力強的特點，所以較為適合進行實驗教學。由于動物細胞與植物細胞有所區別，它不會像植物細胞那樣發育成新的個體，只會使細胞數目增多。此外，動物細胞的培養條件需要無毒、無菌的環境，并且還應確保其溫度應在36.5±0.35℃，并以CO2對培養液的pH進行維持。同時，對于10代以內的細胞來說，通常需要以冷凍的方式進行保存。所以，這是一個較為復雜的過程，而且任何環節出現的意外都有可能對實驗結果造成破壞。因此，教師可以將動物細胞培養以切片的形式在虛擬實驗室進行分類保存，這樣學生可以隨時在系統目錄中對不同的動物細胞培養知識進行搜索，從而為以后的生物學習奠定堅實的基礎。

結? ? 語

綜上所述，虛擬實驗室在高中生物課堂教學中的應用，突破了傳統實驗教學的瓶頸，為學生提供了一種直觀、便利、可操作性強的生物課程學習平臺，能夠激發學生的學習動力，便于學生對知識的內化吸收。虛擬實驗教學作為傳統生物教學的補充，為生物課堂教學注入了全新活力，雖然目前仍舊存在一定的不足，但是隨著信息技術的進一步發展，勢必會在生物教學領域拓展出一片全新的天地。

[參考文獻]

王澤，趙昀彤，金海濤，等.虛擬實驗室在高中生物教學中的應用與探索[J].中國教育信息化，2020（10）：34-37.

作者簡介：郭敏（1978.1—），女，山東鄒平人，一級教師，被評為濱州市“教學工作先進個人”、鄒平市“教學能手”等。