虛擬仿真實驗在高中生物實驗教學中的應用

李慶林

（甘肅省古浪縣第三中學，甘肅古浪 733103）

虛擬仿真實驗以計算機技術為基礎，整合了虛擬現實、圖形圖像、云教學等多種技術手段和信息資源，在創新高中生物實驗教學體系方面發揮了良好作用，同時也能打破傳統生物實驗的諸多限制，為學生創設高度仿真的生物實驗探究情境。教師應當把握虛擬仿真實驗在高中生物實驗教學中的應用價值，使學生的實驗探究環境更符合現代化科技教育的標準和要求，從而促進學生在生物實驗中的互動交流與自主探究，全面夯實學生的理性思維和實驗技能。

一、虛擬仿真實驗在高中生物實驗教學中的應用價值

過往的高中生物實驗教學內容受多種因素的限制，比如生物實驗室條件匱乏、部分生物實驗開展成本較高、實驗造成生態環境污染，等等。如果這些因素得不到有效克服，學生的生物素養和實驗技能培養就會陷入瓶頸。虛擬仿真實驗是計算機技術創新發展的成果，將其與高中生物實驗課程融合起來，不但能刷新學生的實驗探究認知態度，也能為僵化的生物實驗教學體系注入動能和生機。經過多方面的理論和實踐教育研究，現歸納總結虛擬仿真實驗在高中生物實驗教學中的應用價值。

第一，虛擬仿真實驗具有創新性，有利于調動學生投入生物實驗探究的自主意識。虛擬仿真實驗是計算機技術和信息資源的有機結合體，其創新性是傳統生物實驗模式難以媲美的，如教師可以利用網絡素材和數據資料為學生創設生物實驗情境，帶領學生模擬和體驗真實的生物實驗過程，也可以開發虛擬仿真技術的優越功能，引導學生對生物實驗課題展開互動討論，這更有利于調動學生投入生物實驗探究的自主意識，發展學生理性思維和創新精神，增強高中生物實驗教學改革質效。

第二，虛擬仿真實驗具有經濟、高效的特點，可以更直觀地呈現生物實驗現象。以往高中生物實驗教學的策劃開展面臨很多阻礙，部分實驗課程對實驗室條件和環境的要求非常嚴苛，還有部分實驗課程的材料不易獲取、成本太高，往往因達不到上述標準和條件，造成生物實驗開展失敗或實驗現象不清晰等局面，很容易影響學生對生命世界和生命現象的認識。虛擬仿真實驗具有經濟、高效的特點，從實驗設備方面講，教師只需在信息化教學系統中安裝虛擬仿真軟件，確保教學演示工具運行正常即可，且生物虛擬仿真實驗教學的仿真還原度非常高，教師可以把實驗中微觀的生命結構宏觀、直觀地向學生呈現，使學生對生物學實驗現象的認知更加透徹。

第三，虛擬仿真實驗的應用場景更廣，有助于教師組織策劃多樣化生物實驗探究活動。傳統的高中生物實驗教學開展方式具有單一性，學生自主探討生命現象和規律的空間非常狹窄，導致學生科學探究素質和生物實驗能力難以進一步提升。虛擬仿真實驗在高中生物實驗教學中的應用場景極為廣闊，教師可以把虛擬仿真實驗資料穿插運用到實驗教學中，也可以將虛擬仿真實驗和傳統真實驗進行虛實互補，在此基礎上組織學生對生物實驗開展觀察、提問、方案籌劃、操作訓練、猜想論證等探究活動，學生不僅能夠積累充裕的生物實驗經驗，也能突破發展科學探究精神和生物學習能力。

二、虛擬仿真實驗在高中生物實驗教學中的應用策略

（一）創設虛擬仿真實驗情境，喚醒學生的生物實驗探究期待

高中生物實驗教學強調演繹和推理、思考和探究，對學生的理性思維和抽象思維能力提出了更高要求，但現階段多數高中生的生物思維能力偏弱，面對生物實驗活動時，學生表現出的心理壓力和畏難情緒比較強烈。虛擬仿真實驗的應用核心是圍繞生物實驗研究課題，采用虛擬仿真技術和相關智能化軟件，為學生創設多媒體形式、可視化的生物實驗探究情境，讓學生感知到生命現象和規律中隱含的奧秘，從而喚醒學生的生物實驗探究期待，下面就講一下創設生物虛擬仿真實驗情境的策略。

第一，在生物實驗導學環節創設虛擬仿真情境。高中生物實驗教學的導學環節非常緊要，很多學生對生物實驗項目了解興致不高，大部分原因是教師導學手法陳舊。在生物實驗導學環節創設虛擬仿真情境時，教師可以根據生物實驗項目的主要探究內容，應用虛擬仿真技術呈現可視、可聽，甚至是可觸摸的實驗場景。如教師可以一邊借助虛擬仿真技術在投影屏上播放生物實驗過程，一邊利用模型器材演示，同時鼓勵學生上臺摸一摸生物模型器材，提出思考交流問題：同學們，親身觸摸生物模型器材后，你有怎樣的感受？聯系虛擬仿真實驗情境，你從中發現了哪些生命現象和規律？可以和同桌互動闡述一下嗎？學生互動闡述完畢后反饋結論，教師把關鍵結論記錄到白板屏幕上，組織學生完善和補充，這樣學生既獲取到有價值的實驗探究經驗，主動參加生物實驗學習的興致也顯著提高。

第二，在生物實驗原理講解中創設虛擬仿真情境。高中生普遍樂于參與生物實驗的操作過程，但是對探討和歸納總結生物實驗原理缺乏熱情。教師在講解生物實驗原理中創設虛擬仿真情境時，可以先根據生物實驗課程的要點知識，運用虛擬仿真技術為學生模擬生物實驗步驟和每個步驟的反應現象。如利用Flash 技術和圖形化界面，直接在信息化教學系統上在線模擬生物實驗項目的實施步驟和結果，同時設置實驗原理分析任務：同學們，在生物虛擬仿真實驗情境中，我們完整認識了實驗項目的過程和步驟，從虛擬實驗結果來看，你認為實驗項目的原理是什么？涉及哪些生物概念知識？學生合作參與實驗原理分析活動期間，教師可以提示學生先把實驗條件羅列在演算紙上，然后用簡潔的語言概括每個實驗步驟的反應現象，對照生物教材中給出的概念文字，自主構建和歸納生物實驗原理，這樣就能明顯增強學生的生物實驗探究動力和信心。

（二）應用虛擬仿真實驗軟件，組織學生開展生物實驗探究

在計算機科技飛速發展的當下，各種虛擬仿真實驗軟件不斷推陳出新，賦予高中生物實驗教學改革更強大的動能。應用虛擬仿真實驗軟件實施生物實驗教學，不需要普通意義上的生物實驗器材，卻可以高度仿生實驗條件和過程。為此，教師必須加強應用虛擬仿真實驗軟件，提高對生物實驗項目的模擬現實效果，組織學生開展生物實驗探究，從而擴充學生的生物實戰經驗，基于虛擬仿真實驗軟件的生物探究組織教學策略如下。

第一，高中生物課程中涉及的實驗項目種類繁多，不同實驗項目具有不同的條件需求和特點，教師可以應用虛擬仿真實驗軟件，幫助學生了解生物實驗項目開展的準備工作。如在生物實驗教學中，教師可以使用同步虛擬仿真實驗系統，在系統搜索引擎中輸入生物實驗課題，軟件系統就會自動彈出該實驗項目所需的用品、條件和注意事項，這些都屬于開展生物實驗項目的準備工作，教師可以讓學生把同步虛擬仿真實驗系統彈出的資料，下載到生物學習U 盤中，還可以針對軟件系統給出的某項用品和條件對學生設問：軟件系統列出這項用品和條件的原因是什么？可以采用其他材料代替或更改條件嗎？這樣學生就會聯系生物實驗知識和技能展開討論，論證各項實驗條件和用品的設定原因，從而加深學生對生物實驗項目準備工作的認識。

第二，應用虛擬仿真實驗軟件策劃開放式的生物實驗探究活動。在這一步，教師可以采用仿真度高的虛擬仿真實驗軟件，根據生物實驗項目內容，組織策劃開放式的探究活動，如教師可以應用cer 卓信365 仿真實驗軟件，在軟件平臺中輸入實驗研究課題，然后把學生劃分為若干小組，給學生布置生物實驗虛擬操作任務：同學們，現在大家可以看到虛擬仿真實驗軟件提供了豐富的實驗器材，下面請大家以小組形式構建設計生物實驗方案，并在軟件平臺上模擬實驗操作。學生在對生物實驗項目開展方案設計和模擬操作期間，教師可以指導學生嘗試改變虛擬仿真實驗軟件平臺的各項參數，按照自主構建完成的實驗方案進行模擬操作，如果學生的操作手法不夠規范，軟件平臺會自動發出糾正提醒，教師也可以及時介入指導，面對面地向學生演示標準的實驗操作手法，最終虛擬仿真實驗軟件會向學生呈現和實際相符的現象及結果，從而強化培養學生的生物實驗探究技能與科研素養。

（三）開發虛擬仿真實驗功能，完整展示微觀的生物實驗現象

很多高中生物實驗項目反映的現象，都是微觀的、瞬時的，增加了學生認清生命規律本質的難度。在虛擬仿真實驗教學背景下，生物實驗微觀現象也能轉化為宏觀，虛擬仿真實驗工具的功能非常強大，可以顯著提高生物實驗現象的清晰、可見性，相關的功能開發和應用策略如下。

第一，開發應用虛擬仿真實驗工具的定格和縮放功能。教師在利用虛擬仿真實驗軟件模擬實驗過程時，可以啟動軟件工具的定格和縮放功能，幫助學生清晰地觀察到生物實驗的微觀現象。如在關于細胞中分子的生物實驗項目中，當虛擬仿真實驗軟件模擬生成關鍵的現象時，教師就可以迅速按下定格鍵，然后在和虛擬仿真軟件系統連接的可觸控投影屏上，用雙指把定格畫面拉到適宜的尺寸，還可以調整畫面銳度和對比度，讓生物實驗現象展示得更清晰，同時鼓勵學生交流、描述定格畫面反映的細胞結構和生命規律，教師從旁協助補充。這樣既發揮了虛擬仿真實驗工具的功能，也提高了學生對生物實驗現象的觀察和理解效率。

第二，開發應用虛擬仿真實驗工具的圖像記錄功能。圖像記錄功能也是虛擬仿真實驗工具的一大優勢，教師在實際開發應用時，可以提前在虛擬仿真軟件系統內輸入圖像記錄指令。如針對一些運動速度快、具有瞬時性的細胞分子變化現象，教師可以把系統記錄保存的細胞運動圖像截取下來，單獨為學生進行反復的慢速播放，指導學生運用生物學術語描述細胞運動的規律和特點，對照生物教材中的概念自主修復描述語言的不嚴謹處，從而達到完整地向學生展示微觀生物實驗現象的目的，同時培育學生嚴謹務實的生物研究精神。

第三，開發應用虛擬仿真實驗工具的數據分析功能。數據也是生物實驗現象中的要素之一，學生完整認識生物實驗現象離不開各項條件數據的支持。通常虛擬仿真實驗工具都搭載數據分析功能，教師在學生觀察生物模擬實驗現象環節，可以調出平臺系統中的數據分析和計算軟件，模擬生成生物實驗數據條狀或曲線模型統計圖，指導學生參考實驗數據統計圖去觀察和分析生物實驗現象的產生原理。如在生物膜和物質跨膜運輸等生物實驗課程中，適宜整合運用虛擬仿真實驗工具的數據分析功能觀察實驗現象，從而更好地提高學生實驗探索效果和生命觀念。

（四）虛擬仿真和真實驗整合，提高生物實驗教學實效性

虛擬仿真實驗可以和生物真實驗進行虛實互補，但虛擬仿真實驗不宜完全替代實操型的生物實驗探究活動，教師應當秉持以實為本、能實不虛的應用原則，借助虛擬仿真實驗去補足生物真實驗條件的缺陷，從而促進虛擬仿真實驗與生物真實驗的科學整合，兼顧學生實驗探究素質和生物實驗教學實效性的同步突破，具體的教學策略如下。

第一，教師在選擇虛擬仿真實驗和生物真實驗整合切入點時，應優先選擇實驗條件不合乎需求的生物實驗項目，并詳細劃分實驗流程和步驟，明確哪個步驟宜采用真實驗方式，哪個步驟宜使用虛擬仿真實驗軟件模擬輔助。如對于一些實驗用品經濟易得，實驗室器材條件完備，但是要觀察到結果的時間和周期較長的生物實驗項目，教師可以保留真實驗的操作步驟，然后在實驗結果展示步驟應用虛擬仿真實驗軟件。教師應該把這些步驟的具體布設編制成完整的生物實驗教案。

第二，學生在正式參與虛擬仿真與真實驗整合的生物探究時，教師應當在不同步驟滲透不同的實驗指導，如在生物實驗手動操作步驟，教師可以指導各小組學生協同配合，按照實驗方案中的操作要領和注意事項，正確使用生物實驗器材和料品，對于高溫材料、用電設備必須規范、小心地使用。在實驗結果模擬呈現步驟，教師則需要指導學生一邊細致觀察實驗結果，一邊提煉概括其中潛藏的生物概念、原理及思想等，從而真正實現虛實結合的生物實驗教學目標。

綜上所述，在高中生物實驗教學中應用虛擬仿真實驗，不僅有利于調動學生投入生物實驗探究的自主意識，也能直觀呈現生物實驗現象，具有更廣闊的實驗教學應用前景。為此，教師應該基于虛擬仿真實驗技術，著力為學生創設生物實驗情境，向學生完整展示微觀的生物實驗現象和結果，組織學生開展豐富的實驗觀察、思考和論證活動，從而借助虛擬仿真實驗提高生物實驗教學創新水平。