虛擬仿真3D動態模型在高中生物教學中的有效應用

羅曉彤

摘 要：信息時代、信息技術與學科教學的融合日益緊密。作為信息時代的學生，更適應于現代化的教學形式。高中生物知識抽象且復雜，教師們往往會使用概念圖、平面圖、GIF動畫模型、物理靜態模型等輔助學生理解抽象生物知識，但不能立體、直觀地展示生物學科的奇妙，實際運用效果并不理想。而虛擬仿真3D動態模型在高中生物教學中的應用，使教師能夠以更具象、動態、逼真的形式，呈現宏觀與微觀的生物世界，展現生命現象與生命規律，促進學生生物核心素養的提升。文章結合教學實例，探討了在高中生物教學中應用虛擬仿真3D動態模型的具體策略，以期為廣大教師提供教學新思路。

關鍵詞：虛擬仿真；3D動態模型；高中生物；應用策略

隨著教育改革的深化，高中生物教師應樹立新的質量觀與教學觀，推動學科教學的信息化發展，創造性地引入云計算、虛擬現實、大數據等信息技術手段，構建智能化、高效化的生物課堂，提高生物教學質量。新課標也指出，高中生物學教學應靈活利用互聯網、多媒體等手段開展虛擬實驗。由此，許多一線教師開始嘗試在實驗教學中應用虛擬仿真技術，以生動、逼真的形式呈現一些因現實條件限制而難以操作的實驗，革新了生物實驗教學方式。但實際操作中，虛擬仿真實驗的開展費時費力且耗資巨大，內容無法靈活調整，在教學中的使用并不頻繁，不能充分發揮虛擬現實技術的價值[1]。因此，文章提出以虛擬仿真3D動態模型輔助教學，使教學耗資減少、資源擴大，從而提高生物教學效率。

在傳統高中生物課堂中，教師大多會使用PPT、圖片、Flash動畫等教具演示生物知識，但這些教具要么不具備生命特質，要么過于機械，不能清晰表達生物知識，也不能生動呈現生物的生命活動，導致學生對知識概念的認知比較“虛幻”。隨著信息技術的飛速發展，虛擬仿真3D動態模型的構建成為可能，將其應用于生物教學中，能夠生動呈現抽象復雜的課本知識，演示生物的生命現象，為教師教學提供便利。同時，通過觀察生物模型，學生能夠快速建立生命規律和生命現象的表征，透徹、全面地理解生物知識，進而獲得生物核心素養的提升。

高中階段，學生所要學習的生物知識涉及了微觀及宏觀兩個層面，既有核心概念知識，又有動態生命現象與生理過程。盡管高中生已具備一定的認知基礎與學習能力，但面對抽象復雜的生物知識時，學生仍會出現概念混淆、知識應用錯誤等情況。為促進學生對知識的有效理解，許多教師會借助問題、情境、案例等搭建支架模型，同步發展學生的問題解決能力。但支架模型本質上仍是靜態模型，對生命活動現象及規律的演示不夠生動，可建模的知識點也比較有限，在應用方面存在局限性[2]。此外，還有教師會以GIF動畫模型演示生物知識，呈現生物動態生命現象，但GIF動畫模型不夠逼真，不僅播放時沒有聲音，整體畫面也不夠清晰鮮艷，不能生動再現真實的生命現象。

當前，社會各領域對虛擬現實VR、3dsMax技術的使用逐漸熟練，教育領域也不例外。虛擬現實VR實景是由計算機生成的三維環境，能夠讓人們感受貼近真實的情境。3dsMax技術則是以點、線表達物體形狀，其數據結構簡單，能夠準確地表達知識點。在高中生物教學中，教師可融合虛擬現實VR、3dsMax，以及CG動畫技術，將扁平的紙面知識轉化為貼近實物的虛擬仿真3D動態模型，打造高中生物智慧課堂。由此，學生接觸到的生物知識將是直觀、具象、動態的，他們能更好地領略生物的宏觀世界及微觀生命活動形象，牢固掌握生物知識，形成生物科學的理性思維。具體實踐中，教師需要認真學習科學的教學理念與先進技術，主動了解前沿信息，促成虛擬仿真3D動態與學科教學的有機融合，更新生物教學方式及教學文化，實現教學方式及學習方式的突破性改變。隨著大數據、云計算、“互聯網+”、人工智能等的飛速發展，教育資源設計與開發技術趨于成熟，再加上一線教師對虛擬仿真3D動態模型的積極應用，教育投資公司的專業研發人員將會開發更多的虛擬仿真3D動態模型資源，推動虛擬仿真3D動態模型在中學課堂中的普及，促進學科教學的創新發展。

一、在高中生物教學中應用虛擬仿真3D動態模型的策略

（一）將微觀知識宏觀化

人教版高一生物必修1《分子與細胞》中的知識內容屬于微觀知識領域，在教學這一冊內容時，很多教師會讓學生先自行閱讀教材，再向學生展示亞顯微結構圖、概念圖、思維導圖、平面圖、流程圖等，輔助學生理解相關知識，構建起細胞概念模型；或是使用一些常見的生活物品制作模型，便于學生聯想細胞的真實結構。此外，教師也會創設問題情境，讓學生以小組合作形式探索相關知識。但情境、問題、圖片等的引入并沒有真實再現活細胞，學生對細胞生命的理解很大部分來自想象，可能與實際存在偏差[3]。虛擬仿真3D動態細胞模型的應用則為教與學提供了便利。

在實際教學中，教師可完整展示細胞模型各部分的微觀結構，通過播放、暫停等功能調整講解進度，便于學生理解吸收知識。同時，學生也可根據自己的學習情況，要求教師旋轉細胞模型，或是具體講解細胞的某一組成部分。通過運用虛擬仿真3D動態模型，原本肉眼難見的細胞被“宏觀化”了，學生能夠認識活細胞的真實模樣，對細胞結構產生深刻的印象，既節省了講解時間，又提高了教學效果。

（二）將宏觀知識具象化

人教版高二生物選擇性必修2《生物與環境》中“生態系統的組成”相關知識屬于宏觀知識領域，由于高中生的生活閱歷及認知水平有限，空間想象能力也有待提高，在學習此類知識時難免會感到吃力。在傳統高中生物課堂中，教師往往會調動學生的系統思維，引導學生立足整體視角，理解生態系統是由非生物因素及生物因素構成的統一整體，且非生物因素及生物因素相互影響、相互制約。實際上，這樣教學僅能起到思維鍛煉的效果，學生對宏觀生態系統的組成關系并未形成深刻認知，也難以理解其中復雜的因果關系[4]。

鑒于此，教師可制作呈現森林生態系統的虛擬仿真3D動態模型，先從整體出發，引導學生認識森林生態系統中的各個組分，包括空氣、陽光、水、動物、植物等。教師再逐一點播模型中的組分，介紹該組分在森林生態系統中的地位及作用。比如：陽光、空氣、水屬于非生物因素；植物可進行光合作用，為自身及動物提供能量；動物通過直接或間接的形式從植物中獲取能量；微生物能夠分解動植物的殘體。

通過展示虛擬仿真3D動態模型，學生仿佛置身于森林生態系統中，詳細了解到動植物及微生物的生活狀態，理解食物網之間的關系，進而領悟到自己也是生態系統中的一員，即消費者，對生態系統知識形成深刻的印象。

（三）將抽象知識形象化

人教版高一生物必修2《遺傳與進化》包含了遺傳的細胞基礎、基本規律與生物的變異和進化等內容，很多知識點都十分抽象，如基因分離定律、基因自由組合定律等，不僅學生學起來吃力，教師也很難將知識點解析得清楚明白。

例如：在教學“DNA復制”相關內容時，教師很難用通俗易懂的語言進行講解，往往會讓學生使用一些簡單材料制作DNA的物理模型，指導學生根據模型理解“解旋”“聚合”時的形態變化，聯想游離脫氧核苷酸的堿基互補配對過程，這樣的教學方式很難讓學生準確掌握“DNA復制”的動態過程。

鑒于此，教師應引入虛擬仿真3D動態模型，生動演示DNA復制的過程，并借助暫停功能展現不同時刻DNA的形態、酶的種類，進行詳細的講解，讓抽象知識形象化、直觀化，在輔助學生理解知識的同時發展其生物核心素養。

（四）將生理過程動態化

人教版高二生物選擇性必修1《穩態與調節》一冊教材包含了許多生理過程知識。以“血糖調節”教學為例，在以往，教師主要會通過兩大途徑傳授這一知識：

第一，指導學生繪制血糖調節機制概念圖，讓學生記憶這些圖示；

第二，創設貼近學生生活的情境，讓學生理解胰島A細胞分泌胰高血糖素到內環境中，血糖濃度升高，胰島B細胞分泌胰島素到內環境中，血糖濃度降低。

這樣并不能讓學生有效理解“血糖調節”相關知識，學生腦中儲存的大多是一些僵化的符號，在實際運用時會暴露出很多問題。

為此，教師可制作虛擬仿真3D動態“血糖調節”模型，并配合學生熟悉的生活情境，展示人在喝可樂后身體的血糖變化過程。當人體吸收可樂后，血液中的血糖濃度明顯升高，此時人會感覺到自己精力充沛；接著，胰島B細胞開始分泌胰島素，在胰島素的作用下，機體細胞將過高的葡萄糖轉化為糖原，儲存在肌肉及肝臟中，于是血液中的血糖濃度恢復到正常水平；假如人喝可樂后再也沒有進食，在吸收可樂三小時之后，其血液中的血糖濃度必然會降低，此時人會感覺到疲勞、饑餓；最后，胰島A細胞分泌胰高血糖素到內環境中，血糖濃度逐漸升高到正常水平。

通過在真實的情境中運用虛擬仿真3D動態模型，能夠將學生帶入學習狀態，讓學生深刻理解知識內容，并了解知識的運用方法，有助于學生知識運用及遷移能力的提高。

二、在高中生物教學中應用虛擬仿真3D動態模型的實例

在高中生物學課程體系中，《細胞的基本結構》這一章節知識屬于重點及難點部分。在本章節的學習中，學生需要理解細胞“系統”的結構與功能，建立結構與功能觀。“細胞核的結構和功能”則是本章節的重點內容，為讓學生了解細胞“系統”控制中心的結構與功能，教師可在教學中運用虛擬仿真3D動態模型，將微觀知識宏觀化，讓學生輕松掌握關鍵知識，建立其“結構與功能相統一”的觀念。

（一）創設教學情境，自然導入新課

導入環節是課堂教學的起始環節，對整體教學效果有著直接性的影響。在此環節中，教師應重點激發學生的學習興趣，引發其學習動機。本課教學中，教師可在導入環節展示“克隆牛康康”的虛擬仿真3D動態模型，并提出相應的問題：克隆牛的性狀為什么與母牛幾乎一致？教師再給予學生一定的觀察、思考、討論的時間，讓學生對新知識產生探索欲望。

（二）展示多種模型，布置小組任務

進入正式授課環節，教師可將學生劃分為學習小組，展示多種與教學內容相關的虛擬仿真3D動態模型，結合提問引發學生的思考，讓學生借助小組討論得出正確的結論[5]。

首先，教師展示美西螈核移植實驗的虛擬仿真3D動態模型，提出問題：美西螈的皮膚顏色與表皮細胞內黑色素的合成有何關系？這一合成過程是由細胞核還是細胞質控制的？經過小組討論，學生得出美西螈的膚色主要受細胞核控制。教師再以虛擬仿真3D動態模型展示蠑螈受精卵橫溢實驗，提出問題：細胞核與細胞的分化、分裂有何關系？經過小組討論，學生得出細胞的分化與分裂受到了細胞核的控制。

然后，教師使用虛擬仿真3D動態模型生動呈現變形蟲去核及核移植實驗，提出問題：根據實驗結果，你能得出什么結論？經過小組討論，學生得出變形蟲的生命活動主要受細胞核控制。

最后，教師展示傘藻的核移植實驗的虛擬仿真動態模型，提出問題：傘藻的形態結構特點受細胞質還是細胞核影響？經過小組討論，學生得出細胞核決定了傘藻的形態結構特點。

通過展示虛擬仿真3D動態模型并組織小組合作學習，學生能夠逐一解決問題，獲得問題解決能力的提高。同時，在問題引導下，學生逐漸掌握了科學探究的正確方法，形成一定的科學探究能力。

（三）歸納討論結果，掌握概念知識

經過合作探究，學生對細胞核的功能已形成一定認知，教師應引導學生再次分析四個實驗的結論，以簡潔的語言總結細胞核的功能。經過歸納總結，學生普遍認同“細胞核是細胞代謝和遺傳的控制中心”這一結論。在此環節中，通過對比分析實驗結論，學生能夠掌握課程核心概念，其歸納總結能力也會得到增強。

（四）合理設置問題，推進教學流程

在學生理解細胞核的功能之后，教師應繼續推進教學流程，以提問引導學生探究細胞核的結構，突出“結構與功能”這一教學主線，強化學生對課程知識的理解，培養其生命觀念。比如：教師可這樣提問：“同學們，我們都知道結構與功能是相適應的，細胞核在行使功能時，是怎樣的結構基礎在支持它呢？”問題提出后，教師可讓學生自由討論，以類比推理的方法得出細胞核的結構特點[6]。

（五）自主學習交流，形成一定認知

學生討論完畢后，教師應為學生提供自主學習的機會，指導學生以教材為依托，借助小組合作交流畫出細胞核的結構，標出各部分的名稱。并組織學生討論結構圖中是否存在問題，得出正確的細胞核空間結構。在此過程中，學生的合作能力及自主學習能力都會獲得提高。

（六）直觀展示模型，詳細了解結構

經過自主學習，學生對細胞核的結構已形成一定的認知。教師可運用虛擬仿真3D動態模型直觀展示細胞核的結構，了解核膜、核仁、染色質、核孔等部分的功能，指導學生對比自己畫的結構圖與虛擬仿真3D動態模型，分析結構圖是否存在不足之處，及時發現錯誤并糾正錯誤，深化學生的認知。虛擬仿真3D動態模型的展示讓細胞核的結構“一目了然”，既降低了學習難度，又激發了學生的學習興趣。

（七）展示相關模型，突破學習難點

本課的教學難點為染色體與DNA、染色質的關系。為突破教學難點，幫助學生理解概念內涵，教師可展示染色體及染色質在細胞分裂不同時期的虛擬仿真3D動態模型，讓學生結合模型思考染色體與DNA的關系、染色質和染色體的關系。在教師指導下，學生很快得出“遺傳信息→DNA→染色質（染色體）→細胞核→遺傳信息庫”的結論。在此環節中，學生分析比較了不同的概念，在虛擬仿真3D動態模型的輔助下理解了概念的內涵與差異，順利掌握了學習難點。

（八）及時總結分析，布置小組任務

完成課堂教學之后，教師應及時進行總結，引導學生回顧細胞核的功能與結構知識點，并立足于生命的物質觀、系統觀視角展開分析，讓學生對“結構與功能相統一”的生命觀念形成認同感。接著，教師再次展示細胞核的虛擬仿真3D動態模型，講解該模型的建構方法、流程及原理，并布置“制作細胞核的虛擬仿真3D動態模型”的小組合作任務，讓學生在動手操作的過程中進一步理解細胞核的結構，認識并學會制作虛擬仿真3D動態模型，提高學生實踐能力[7]。

（九）展示交流成果，增強學習自信

在課后，學生主動查閱資料，了解虛擬仿真3D動態模型的制作方法，借助釘釘、微信等平臺向教師尋求幫助，經過小組分工合作設計出細胞核的虛擬仿真3D動態模型。為提高學生實踐探究的積極性，教師應設置成果交流與展示環節，讓各小組展示制作的細胞核虛擬仿真3D動態模型，以教師精準點評、小組互評的形式指出各組模型的優點與不足，在完善學生認知的同時增強其學習自信。

三、在高中生物教學中應用虛擬仿真3D動態模型的思考

（一）利用模型進行導入能夠激發學生的學習興趣

細胞是一個動態的生命系統，在講解“細胞核的功能與結構”時，若教師僅出示一些靜態圖片，則無法有效解析動態知識，學生只能從某一角度觀察、理解細胞核的結構，難以形成完整的認知。在信息技術的支持下，教師以虛擬仿真3D動態模型進行導入，能夠帶給學生良好的視覺體驗，不僅能夠吸引學生的注意力，還能激起學生對細胞核功能與結構的學習興趣。

（二）利用模型講解知識點有助于學生的吸收理解

在本課教學中，以虛擬仿真3D動態模型生動展示了四組實驗，為學生觀察實驗過程提供了便利，經過合作討論，學生對細胞核的功能形成了一定認識。在展示細胞核的虛擬仿真3D動態模型時，學生可根據自身理解情況讓教師點選核膜、核仁等部分，詳細講解該部分的功能，對細胞核形成更加全面的認識。在課堂小結環節，教師再次展示細胞核的虛擬仿真3D動態模型，能夠讓學生從生命的物質觀、系統觀角度深刻理解相關概念。

（三）利用模型進行科學探究能促成學生素養發展

科學探究是生物核心素養的重要維度之一，培養學生的科學探究能力是高中生物教學的主要任務。筆者認為，科學探究能力指的是學生在提出疑問、合理猜想、設計實驗、操作實驗、總結歸納等過程中表現出的能力。

同時，科學探究活動的開展也需要教師的合理指導，一般情況下，教師會為學生提供相關的參考資料，包括文字資料與圖片資料。信息技術支持下，教師可為學生提供虛擬仿真3D動態模型，呈現完整的實驗過程及結果，傳遞大量的信息。這樣不僅能刺激學生的多重感官，引發學生的實驗探究興趣，也能為學生的科學探究提供指導與依據，使其高效完成探究任務，獲得素養及能力的發展。

結束語

當前，虛擬仿真3D動態模型與高中生物教學結合的案例并不多見，相關研究尚處于起步階段。對高中生物教師來說，靈活應用虛擬仿真3D動態模型存在較高難度。

一方面，教師需要學習虛擬仿真技術，還要對課程體系、教學環境以及教學模式做出調整優化，使其與虛擬仿真技術相適應，而網絡上可直接利用的模型資源較少，可參考的成功教學案例也不多，需要教師認真鉆研技術，開發虛擬仿真3D動態模型資源。

另一方面，在實際生物教學中，如何實現虛擬仿真3D動態模型與生物知識的緊密結合、何時引入虛擬仿真3D動態模型等問題都是需要教師在實踐中深入探究的。

從本質上看，應用虛擬現實教育技術并不是簡單增加生物教學工具，而是實現生物教學方式及教學文化的變革。只有教師積極運用虛擬仿真3D動態模型，在實踐中總結經驗與方法，才能推動生物教學方式及學生學習方式的升級，促成學生生物核心素養的提升。

參考文獻

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[3]史影，王偉偉，周耐明，等.生物化學綜合性虛擬仿真實驗建設與教學探索[J].實驗室研究與探索，2022，41（4）：154-158.

[4]鄧可.基于虛擬仿真實驗及測評的混合式教學實踐：以“中學生物實驗教學研究”為例[J].教育教學論壇，2022（7）：145-148.

[5]李臣亮，孟令軍，湯海峰，等.當生物實驗教學遇上虛擬仿真技術[J].實驗室科學，2021，24（4）：141-144.

[6]謝輝，張慧姝，張麗秋，等.生物技術實驗在線教學實踐與反思[J].衛生職業教育，2021，39（12）：118-120.

[7]宿永倩，王慧春，楊疆英.將虛擬仿真實驗輔助于高中生物實驗教學[J].中國新通信，2021，23（8）：243-244.