高中生物虛擬實驗教學的實踐創新研究

余晶晶

摘 要：在高中生物教學過程中，實驗教學是非常重要的教學內容，通過實驗教學更能夠讓學生學習和掌握生物知識，并且還能夠培養學生的實驗操作能力，了解生物實驗流程，有利于提升學生生物素養。但是，由于各學校的條件存在差異，再加上部分生物實驗要求過高，導致了生物教師無法在現實中實現，因此便可以將虛擬實驗融入教學實踐中。基于此，本文就針對高中生物虛擬實驗教學的實踐創新進行研究，首先探討虛擬實驗教學的應用價值，然后分析虛擬實驗教學的優勢，再提出虛擬實驗教學實踐策略，最后討論虛擬實驗使用的注意事項。

關鍵詞：高中生物；虛擬實驗；實踐策略

虛擬實驗是利用計算機、網絡等先進技術，為學生創造生物實驗場景，利用虛擬實驗完成生物實驗教學。由于虛擬實驗不僅操作簡單方便，而且還具有較高的教學效率，解決學校在實體實驗上的限制，從而取得良好的實驗教學效果。然而，若想要充分利用虛擬實驗，應當為其創造良好條件，并提出有效的實踐策略，使其能夠替代實體實驗。將虛擬實驗引入高中生物教學中，還能夠將原本無法進行的實驗呈現給學生，為學生提供更多實驗機會，有利于學生從中獲得成長和發展。下面筆者就針對相關內容進行詳細闡述。

一、高中生物虛擬實驗教學的應用價值

將虛擬實驗應用于高中生物實驗教學中有利于提升教學效率與質量，也能夠大大提升生物學習效率，從而節省大量的教學成本，也能夠避免實驗材料與設備出現過度消耗的問題，并保障了學生自身的安全。在傳統教學模式下，讓學生參與到實驗中具有一定危險性，為了保障學生在實驗過程中的安全，學校都制作了較為繁多的實驗操作規章，如此則導致了學生在實驗過程中常常束手束腳，難以體會到實驗的樂趣，同時由于實驗條件容易受到影響，即便有教師的指導，學生也會犯下各種錯誤，導致教師只能夠采取演示實驗的方式完成實驗教

學[1]。因此，不管是從任何角度來看，虛擬實驗成為高中學校進行生物實驗教學的重要手段。例如：利用虛擬實驗能夠讓學生先練習實驗操作，熟練掌握實驗步驟與過程，了解實驗過程中各種注意事項，為其之后的實際操作打下良好基礎，如此不僅能夠大大提升其自身了解程度與認識程度，還能夠規避實驗風險，降低實驗損耗。另外，虛擬實驗還能夠為學生創造良好的操作環境，解決傳統實驗存在的缺陷。利用虛擬實驗進行生物實驗教學打破了時間以及其他條件的制約，學生可以自由進行操作，并且還能夠監測評價實驗操作情況，了解學生學習的薄弱處，為教師教學計劃的調整提供依據。

二、高中生物虛擬實驗教學的優勢

（一）建構模型教學

模型是人們對客觀事物或具體問題進行抽象化處理，所形成的一種形式化表達。生物模型主要指的是生物研究模型中將沒有本質聯系或是次要的內容去除，更加簡單且直接將生物原型展現出來，或是反映出原型上所具有的特征以及對理想物質與過程進行聯想所形成的結構。在生物學教學過程中，最為重要的模型主要包括了數學模型、物理模型以及圖表模型等，教師應當根據教學內容采取虛擬實驗的方式，構建出各種不同類型的模型，促使學生能夠深入理解與學習生物知識，從而提升了高中生物教學質量[2]。

（二）優化教學資源

根據當前高中生物實驗教學情況，因為受到課時、場地以及資金等方面因素的限制，導致實驗教學無法得到更好展開，所以通過虛擬實驗能夠充分利用其本身的優勢對教學資源進行優化。在傳統生物實驗教學中，存在很多不足之處，具體體現在以下方面：（1）課時安排。當前，我國高中生物教育依然還是應試教育，學校為了能夠擁有一個較為理想的升學率，提升學生高考時的成績，常常會削減實驗教學時間，此種課時安排將會對實驗教學產生影響[3]。（2）實驗儀器欠缺。高中生物實驗需要使用到很多儀器設備，而高中學校則在此方面存在欠缺，也就不具備實驗教學的條件。（3）城鄉教育資源存在巨大差距，鄉鎮高中缺乏實驗教學條件，也就無法通過實驗教學的方式展開生物教育工作。相較于傳統實驗教學來說，虛擬實驗則能夠有效解決上述問題，虛擬實驗并不會受到時空的限制，只需要有網絡與電子設備便能夠進行虛擬實驗，從而獲得良好教學效果，并且還能夠縮小城鄉高中在教學資源上存在的差距。

（三）克服傳統實驗教學弊端

影響高中生物實驗教學的因素有很多，主要包括實驗材料的缺乏、教師的不重視等，也就無法利用實驗教學講解生物知識理論。相較于傳統實驗而言，虛擬實驗具有很多優勢，主要體現為：（1）不需要再等待生物反應時間，如對酵母細胞呼吸方式進行實驗研究，采用傳統實驗方式需要長達十幾個小時才能夠得到實驗結果，利用虛擬實驗的方式只需要1分鐘便能夠完成實驗，并獲得最終實驗結果[4]。（2）虛擬實驗在操作上更為簡單，教師和學生只需要利用鼠標與電腦便能夠完成生物實驗教學工作。（3）虛擬實驗更加安全。在進行生物實驗時，不可避免會使用到酒精等材料，實驗過程中由于學生操作的失誤等方面因素容易出現安全問題，而虛擬實驗則不會讓學生接觸到危險位置，因此利用虛擬實驗的方式更為安全。

三、高中生物虛擬實驗教學實踐策略分析

（一）利用虛擬實驗規范學生操作

采取虛擬實驗措施除了能夠激發出學生自身的學習興趣以外，而且還能夠解決傳統實驗中存在的各種問題，利用虛擬操作讓學生對實驗過程有一個全面了解，對實驗現象進行觀察。例如：“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質”，教師通過采取分層遞進方式讓學生對實驗操作、相關設備等有一定的了解，利用不同類型的演示方式進行虛擬實驗，激發出學生生物實驗學習興趣，有利于學生對物質鑒定實驗的操作方法以及原則都有一個準確掌握。通過虛擬實驗可以讓學生更為準確地觀察結果與過程。例如：利用虛擬實驗學生可以對發生減數分裂的染色體進行觀察，同時還要能夠對不同分裂階段圖像做出準確分辨[5]。虛擬實驗的出現與使用能夠讓學生通過經驗積累使其實驗操作水平得到明顯提升，對于實驗操作的完成能夠起到積極作用，并得到實驗需要的數據，最終獲得實驗結果。將虛擬實驗從生物逐漸向其他學科進行輻射，有利于培養教師的資源意識，靈活利用技術為教學工作的展開提供輔助，將學科和信息技術展開深度融合，如此則能夠明顯提升教學效率。學校還需要加強教師團隊建設工作，提升教師虛擬實驗教學能力，能夠根據教學需求靈活應用虛擬實驗，充分發揮出虛擬實驗的作用，全面提升生物實驗教學質量。

（二）綜合利用實體實驗與虛擬實驗

高中課堂教學一直都是靈活利用各種教學手段，如：學習“鑒定細胞的活性”內容時，教師通過綜合利用實體實驗與虛擬實驗，使得學生能夠對其中知識點有一個深入了解，從而打破教學難點。教師還要借助翻轉課堂在課前讓學生對實驗原理有一定了解，并對顯微鏡操作規范進行復習，為其參與實體實驗奠定良好基礎。在教學實踐中，應當重視學生的主體地位以及課堂學習體驗，對現代化技術加以合理運用，不僅能夠讓課堂節奏變得更加緊湊，而且還能夠讓各環節的銜接變得非常流暢。作為教師切勿在教學時拘泥于某個知識點或是實驗，應當整合所有實驗，讓學生仔細進行觀察與思考，以便解決課堂教學問題。通過利用虛擬實驗平臺，教師通過對學生進行引導，從虛擬實驗中借助VR設備對顯微鏡的使用過程進行回顧。然后，再利用真實的實驗，讓學生可以使用顯微鏡展開鑒定操作，對燒杯中黑藻細胞存活情況進行鑒定。當完成實驗以后，給予學生一定時間對實驗進行分析，利用問題引導學生進行深入思考，如采用何種方式具有更高準確性且操作更為方便。通過讓學生分析問題可以對學生思維能力進行鍛煉，從而提升學生綜合素養。將實體實驗和虛擬實驗相結合，能夠調動學生學習興趣，在小組配合過程中也會變得更加默契，從而獲得良好的實驗效果，而且學生還能夠在此過程中學習實驗操作要點，了解到規范實驗操作對實驗結果將會產生非常大的影響。

（三）利用虛擬實驗解決傳統實驗問題

部分生物實驗對外部條件有著非常高的要求，需要采用特定方式進行，然而當前很多高中學校自身生物實驗條件有限，無法有效完成此類實驗，此時則可以借助虛擬實驗進行實驗教學。虛擬實驗主要是用于模擬實驗過程、實驗結果等，教師通過網絡尋找相應的資源與素材，從中選擇最適合的內容。利用虛擬實驗可以讓學生對整個實驗有一個全面了解，而且還能夠將實驗操作中的每項步驟呈現給學生，促使學生能夠對實驗進行方式有一個深入了解。通過使用虛擬實驗能夠幫助教師解決以往實驗教學過程中所存在的問題，針對微觀實驗或是現有條件無法展開的實驗而選擇的替代措施。例如：對根尖分生組織細胞的有絲分裂進行觀察時，該實驗最為重要的是先對根尖進行培養，此項準備工作很少有學生能夠完成，只能夠由教師提前準備，若是學校中缺少專職實驗老師，那么便會大大增加生物教師的工作負擔。進行該實驗最佳的時間為每天的10點到14點，然而由于實際情況制約，無法讓所有班級學生都在該時間段進行實驗，若是在其他時間段進行該實驗則難以達到預期效果。采用虛擬實驗的方式進行實驗，可以將整個實驗過程、操作以及結果呈現給學生，也是解決傳統實驗問題的有效方法。根據最終所呈現的實驗教學效果，借助虛擬實驗除了可以有效解決原本實驗教學中存在的問題，還能夠達到預期教學目標，促使學生學習和掌握相關實驗知識與內容。

（四）利用虛擬實驗推動學生自主實驗

在科技高速發展過程中，為教學服務的工具變得越來越多，并且還出現了虛擬實驗系統，改變了生物實驗教學工作。對于很多學校可以利用該系統替代實體實驗，利用虛擬實驗的方式讓學生能夠有效完成各項實驗操作，以便鍛煉學生實驗技能。在進行虛擬實驗時，系統會展開全程跟蹤記錄，并對學生的操作進行指導，若是在操作過程中出現了失誤，系統便會做出提示。這在一定程度上將會給自主實驗的展開起到推動作用，學生通過虛擬實驗系統指導而完成實驗探究，最后使得實驗過程變得獨立，從而得到實驗結果。當下，在高中生物教學中引入了虛擬實驗系統，將教學優越性充分體現出來。虛擬實驗系統將會放大實驗操作細節，同時配合講解，例如：學生通過對切片動作技巧進行觀察，之后再進行練習，如此則能夠明顯提高實驗成功率。還以對根尖分生組織細胞的有絲分裂實驗為例，利用虛擬實驗能夠幫助學生解決因為時間控制問題而出現的誤差。在進行壓片時，學生所施加的壓力可以借助壓力感受器傳輸到系統中，此時系統便會將壓力大小顯示出來，再利用三維動畫將壓力對根尖細胞起到的作用以及產生的變化顯示出來。如此一來，便能夠在學生頭腦中形成良好畫面感，對力度進行有效控制。虛擬實驗還能夠準確判斷分析學生操作行為是否存在問題，若是出現了問題應當對其進行提示。所以，虛擬實驗為學生生物實驗探究提供了保障，規范了學生操作行為，從而獲得真實的實驗結果。

四、虛擬實驗使用的注意事項

在使用虛擬實驗的過程中，應當注意以下三方面：（1）講解使用要點。在實驗中，應當對需要注意的地方進行講解，但是虛擬實驗常常無法做到詳細講解，例如對斐林試劑進行配置時，當A、B液發生反應完全以后再加入待測樣品中，而且斐林試劑應當作到現用現配。針對虛擬實驗中沒有講解的相關內容，需要教師對其進行詳細講解。（2）篩選實驗內容。在高中生物中進行實驗所包含的類型有很多，如觀察類、探究類等，但并非全部實驗都能夠應用在教學中。例如顯微鏡實驗，虛擬實驗所存在的不足很多，難以對顯微鏡的粗（細）準焦螺旋，所以使用虛擬時應當與教學內容和實驗類型相契合。（3）控制好實驗的時間和進度。不管是教師還是學生對相關軟件都要能夠熟練掌握，并靈活利用軟件進行虛擬實驗。例如：利用NB虛擬實驗仿真軟件進行虛擬實驗需要時間為1分鐘到5分鐘，再加上教師的講解，整個虛擬實驗教學需要的時間為15分鐘到20分鐘，所以教師與學生要能夠在課前熟練掌握虛擬實驗軟件，避免對教學進度產生不良影響。只有格外注重虛擬實驗過程中的各項注意事項，那么就能夠在一定程度上彌補虛擬教學的不足，充分發揮出虛擬教學的作用，從而提升生物實驗教學質量。

結束語

總之，虛擬實驗的出現幫助高中生物教師解決實驗教學難題，用虛擬實驗替代實體實驗不僅能夠讓學生參與到更多生物實驗中，而且還能夠打破實體實驗教學的限制，更好地完成生物實驗教學工作。對于虛擬實驗在高中生物實驗教學中的應用策略，文章主要是從利用虛擬實驗規范學生操作、綜合利用實體實驗與虛擬實驗、利用虛擬實驗解決傳統實驗問題、利用虛擬實驗推動學生自主實驗四個方面進行論述，通過合理利用虛擬實驗能夠有效改善當前高中生物實驗教學現狀，不斷提升高中生物實驗教學水平，從而實現實驗教學目標。

參考文獻

[1]王婧.基于創新理念的高中生物實踐課教學研究[J].中學課程輔導（教學研究），2021，000（3）：28.

[2]韓國良.虛擬仿真實驗在高中生物實驗教學中的應用研究[J].青海教育，2021（6）：49，51.

[3]姚麗梅.高中生物創新實驗室建設實踐：以江蘇省太倉高級中學為例[J].中國教育技術裝備，2021（3）：30-31，34.

[4]張繼斌.高中生物學“互動創新”式教學研究[J].中學生物教學，2021（6）：8-9.

[5]榮娜于.模型建構在高中生物教學中的應用研究[J].教學方法創新與實踐，2021，4（8）：50.

本文系福州市教育信息技術研究2022年度立項課題“高中生物虛擬實驗教學的實踐創新研究”（立項編號：FZDJ2022B19）的階段性成果。