虛擬實驗室在高中生物教學中的應用實踐淺析

摘 要：實驗探究是學習生物的重要方法，它可以充分展示出生物變化的過程，揭示生命活動的規律，教師應注重生物實驗的設計和開發。虛擬實驗室以先進的信息技術為基礎，具有高效、精確、智能化等特點。高中生物教學中虛擬實驗室的創建和應用，能夠為學生提供一個仿真學習的環境，不僅能夠有效解決傳統實驗中遇到的各種難題，還為高中生物教育的創新實踐提供了一條全新路徑。基于此，文章淺析虛擬實驗室在高中生物教學中的應用實踐，以期為課程改革的深入發展提供一定理論借鑒。

關鍵詞：實驗探究；虛擬實驗室；高中生物教學；創建和應用

生物是一門十分重要的自然學科，主要通過研究生物的性質和功能，闡明生命活動的發展規律。實驗是檢驗、證實理論的一種學習活動形式，它能夠培養學生的觀察能力、實踐能力和創新能力，幫助學生樹立起大膽質疑與實事求是的科學精神。但傳統的高中生物實驗教學尚不完善，受教學時長、實驗設備短缺、實驗材料不易獲取等條件的限制，學生的生物實驗需求并不能得到很好地滿足?！镀胀ǜ咧猩镎n程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱新課標）提出：“信息技術為生物課堂提供了視頻、模擬實驗等豐富的教學資源，教師應充分利用信息技術，開展多種形式的教學活動。”由上可知，新課標倡導育人方式的轉變，旨在通過信息技術資源的開發和運用，減少實驗活動對耗材及場地的依賴。因此，教師應遵循課標理念，對當前的實驗教學作出改進與創新，以扭轉“知識本位”的課程現狀，全面提高高中生物教學的有效性。

一、高中生物教學應用虛擬實驗室的意義

虛擬實驗室是運用信息技術構建而成的一種數字化、仿真化的實驗操作系統，它能夠為使用者提供一個開放式的應用環境，并且具有過程可視化、利用率高、易維護等優點，最早被用于科學研究工作中。進入21世紀后，隨著虛擬技術的進一步發展，人們將虛擬實驗室引入教育領域，大量應用于物理、化學、生物等學科的教學和實驗中。虛擬實驗室創建出了數字化的實驗環境，能夠對實驗器材、藥品進行高度模擬和仿真，學生控制鼠標、鍵盤等終端設備，就能用模擬材料開展實驗，還能將整個實驗過程以可視化的方式呈現出來，并產生一系列的實驗結果[1]。

對生物這門學科而言，實驗是學生開展學習的重要環節，通過具體的生物實驗，可以充分展示各種生物現象，更好地揭示生物的原理和規律。尤其是高中生物教材中的實驗，其依據新課標編寫而成，其中的知識豐富、類型典型，在學業要求上，不僅突出基礎知識和基本技能，還全面滲透核心素養培養的相關內容，要求通過具體的實驗課程，鍛煉和提高學生的觀察、分析、動手等能力。但是，現實的生物實驗受諸多不利因素的影響，比如藥品短缺、課時不足、學生動手能力弱等，導致其成為高中生物教學的薄弱環節。這就需要教師作出改進，統整優質的教育資源，不斷完善實驗教學。

將虛擬實驗室引入高中生物實驗課程中，能夠充分發揮現代信息技術輔助教學的功能：學生通過多媒體設備可以反復觀看實驗過程，了解、熟悉實驗所用到的器材和藥品，提高對實驗原理和方法的認識程度；另外，學生在多媒體設備上就能開展實驗，既實現了操作的簡化，還能獲得豐富的視覺、聽覺等感官體驗，有助于將抽象的生物理論知識形象化地表現出來，因此。虛擬實驗室蘊含的新技術、新方法和新思維為高中生物教學注入了新力量，它促發了教育機理、教學方式的轉變，能夠極大改善高中生物的教育質量[2]。

二、虛擬實驗室的主要特征

（一）仿真性

仿真性指虛擬實驗室對場景和真實實驗的模擬具有較高的相似度，在高中生物實驗課程中，這種仿真性通常表現在以下幾個方面。第一，實驗環境。虛擬實驗室可以高度還原現實的生物實驗環境，包括實驗室設備、儀器、生物樣本、反應條件等，能夠讓學生獲得沉浸式的學習體驗；第二，實驗操作。虛擬實驗室能夠真實還原生物實驗的各種過程，如樣本處理、儀器使用、數據分析等。學生可以在虛擬環境中進行模擬操作，有助于應用能力的提高；第三，實驗原理。虛擬實驗室可以模擬復雜的生物系統和生物反應，有助于學生深入理解生物作用的原理，并對可能出現的結果作出預判。總之，虛擬實驗室具有高度仿真的優點，學生只需要在應用界面上進行操作就能完成實驗，節約了大量的實驗器材和藥品，降低了實驗成本，使得很多復雜實驗的實施成為可能。

（二）交互性

交互性是虛擬實驗室所具有的一種特殊功能，學生進行操作時，不僅能夠獲取數據庫中的各種信息，還能與教師、其他學生乃至平臺本身產生多向交流和互動[3]。多種思維相互碰撞下，能夠促進學生產生出更多的創意和想法。首先，虛擬實驗室具備直觀的操作界面和多種操作模式，如鼠標點擊、鍵盤輸入、觸屏控制、語音識別等。學生可以根據自身喜好，選擇適宜的控制方式，對實驗進程進行有效管控；其次，在傳統實驗中，教師的指導與學生的操作大多不同步，容易出現學生操作失誤導致實驗失敗的現象，而虛擬實驗以網絡作為信息的載體，師生之間便于實時交流，任何問題都能得到快速反饋與解決，顯著提高了實驗的成功率；最后，虛擬實驗室支持多人在線使用，學生在虛擬環境中能夠得到他人的協作。這種協作通常以實時聊天、共享結果、共同進行操作等方式實現，極大地提高了生物實驗的效率。

（三）靈活性

虛擬實驗室在設計、開發上遵循“面向對象”的理念，重點突出學生在應用中的主導地位，其在空間、時間、對象、操作上變得十分靈活，學生能夠根據實際學習需求自主調整實驗，其靈活性主要表現在以下幾個方面。第一，當實驗結果不理想時，學生只需要在操作終端改變因變量的數值，就能清楚觀察到生物反應所發生的變化，并得到新的實驗結果；第二，虛擬實驗室的靈活性也表現在運用時機上，教師可以根據實驗的特點，在預習、實操、復習或評價等不同階段，隨時調用或向學生展示相關信息；第三，虛擬實驗室開通遠程共享功能后，學生便能根據自身的特長、學習進度，隨時隨地開展個性化的實驗，這樣就能充分掌握學習主動權，大大提高學習效率。因此，虛擬實驗室的應用不僅能夠適應現代學生的學習習慣和生活節奏，還調動了學生學習的主動性、自主性。

三、虛擬實驗室在高中生物實驗教學中的應用策略案例

人教版高中生物教材一共收錄了29個實驗，這些實驗十分經典，是不同歷史時期的學者們在生命科學上取得的重大發現和突破，深入地揭示出生命活動的奧秘，直接推動了生命科學的發展。學生在虛擬實驗室中完成這些實驗，不僅能夠加深對生物概念、原理和規律的理解，還能領悟科學家是如何提出問題、尋找依據、不斷深入解決問題的，并在來龍去脈的追根溯源中探清生物知識的本質[4]。

教師組織學生用虛擬實驗室開展實驗時，應從實際學情出發，在控制好時間和難度的前提下，設計多元、豐富的實驗方案，發揮信息技術在補教上的功能，促進學生對生物知識形成多維、深刻的理解。本文以人教版高中生物必修1第五單元的實驗“探究酵母菌細胞呼吸的方式”為例，探討虛擬實驗室在高中生物實驗中的應用。

（一）實驗內容分析

“探究酵母菌細胞呼吸的方式”是《細胞呼吸的原理和應用》小節中的重要實驗。從內容上看，本節用物質與能量觀分析了細胞呼吸將有機物中的能量轉化為可利用能量的過程，對自然界中ATP的主要來源作出了解釋，并為下一節“光合作用”的學習奠定了基礎。新課標也提出：通過實驗活動達成對“細胞的生存需要能量和營養物”這一概念的理解。以上述內容為依據，設計“探究酵母菌細胞呼吸的方式”虛擬實驗，促發學生的感性認識，幫助他們克服學習生物微觀結構的困難，加深對生物知識的理解。

另一方面，“探究酵母菌細胞呼吸的方式”屬于綜合性實驗，教材中雖然提供了一個較為完善的參考方案，但在實際操作過程中，通常面臨以下問題：1.培養和通氣時間過長；2.裝置氣密性不足；3.有氧呼吸、無氧呼吸起始時間判定不準確；4.對二氧化碳和酒精的生成量、產熱情況只能做定性判斷，不能進行定量比較。由此可見，傳統的實驗操作難以獲得較好的效果，而通過虛擬實驗的方式，不僅能夠有效解決上述問題，還能創造出良好的仿真環境，帶給學生全新的學習體驗，并激發他們學習生物、探究生物的熱情。

（二）教學目標設計

教材和新課標是實施大單元教學的基礎性資源，教師應深入研讀把握課程要素，并挖掘其中的教育點，提煉出準確的教學目標：1.通過虛擬實驗，幫助學生深入理解細胞呼吸的概念，了解它為細胞提供能量和物質的方式，促進學生建構起細胞呼吸的基本知識框架。2.酵母菌既可以進行有氧呼吸也可以進行無氧呼吸，引導學生探究酵母菌在不同條件下的呼吸方式，理解有氧呼吸和無氧呼吸的區別。3.指導學生在仿真環境中進行實驗操作，培養學生的操作能力，并通過調整實驗條件、觀察實驗現象等方式，提升學生的操作熟練度和自信心。4.通過虛擬實驗的操作、分析等過程，促進學生學習和掌握科學探究的基本方法，包括如何控制變量、觀察記錄、數據分析和得出結論等。這些技能對于培養學生的科學思維和實驗能力至關重要。綜上，在虛擬實驗的開展過程中，目標表明了實驗的發展、前進方向，它提示學生應從何種角度去思考問題，應運用何種方法來達成目標。同時，目標還具有“反饋”的功能，它可以指正學生的操作行為，并直接促成實驗結果的產生[5]。

（三）完成實驗任務

教師應將教學目標轉化為具體的實驗任務，并督促學生在虛擬環境中完成：

1.實驗器材準備。準備實驗所需的器材，比如酵母菌培養液、試管、培養箱、檢測裝置等。

2.培養酵母菌。用葡萄糖溶液和酵母菌制備培養液，并將制成的酵母菌培養液分為觀察組和對照組，觀察組用于有氧呼吸，對照組用于無氧呼吸。

3.探究有氧呼吸。為觀察組提供充足的氧氣，如設置氧氣供應設備，確保酵母菌進行有氧呼吸，觀察并檢測有氧呼吸的產物。

4.探究無氧呼吸。為對照組創造無氧環境，如使用密封的試管或培養箱，確保酵母菌進行無氧呼吸，觀察并檢測無氧呼吸的產物。

5.數據分析。記錄兩組實驗產生二氧化碳的量并進行比較，理解酵母菌在有氧和無氧環境下呼吸方式的差異。

6.得出結論。根據數據比較的結果，得出酵母菌細胞呼吸方式的結論。

（四）反思和總結

虛擬實驗結束后，教師應引導學生回顧整個實驗過程，用已掌握的生物知識對實驗結果作出解釋，并探討實驗中可能存在的誤差，嘗試作出改進和優化：1.虛擬實驗室能夠模擬真實的實驗環境和過程，但仍存在一定的局限性，虛擬環境無法完全還原真實實驗中的微生物培養條件，觀察到的現象、結果可能與實際實驗存在一定差異。所以在設置相關參數時，應盡量參考真實數據，如酵母菌培養數據、氧氣濃度變化數據等，實現實驗數據的優化，得出更為準確的結果。2.探討虛擬實驗中實驗失敗的情況，如藥品污染、操作不當、設備故障等，讓學生了解實驗過程能夠對結果造成何種影響，教授學生如何處理這些情況，學生在真實實驗時遇到類似問題便能從容應對。3.鼓勵學生進行個性化的實驗設計，圍繞方案和學生開展討論并不斷完善，讓學生充分體會生物學習與信息技術結合的益處。

結束語

虛擬實驗室是信息時代的特有產物，它將知識、活動融合到媒體之中，能夠帶給學生多個層次的感官體驗。現階段虛擬實驗室在高中生物教學中已得到廣泛應用，教師在先進的軟硬件輔助下，開發出了全新的實驗教學形態，打破了傳統實驗教學的時空局限，為學生打造出了全新、高效的智能化學習環境，增加了教學的互動性、合作性、生成性，有利于學生發揮自身的主觀意識，將個體的已有經驗和思維活動投射到具體的學習任務中。因此，教師應對虛擬實驗室的應用做進一步研究、開發，充分發揮數字資源和數字技術輔助教學的功能，為學生搭建起高中生物實驗的新平臺，以此促進學生核心素養的全面發展和提高。

參考文獻

[1]江晶.高中生物虛擬實驗教學創新研究[J].成才.2022（12）：15-17.

[2]何苗，豐蓉，婁志義，等.虛擬仿真實驗教學的現狀及展望[J].中學生物教學.2023（8）：16-18.

[3]何鵬;杜串串.虛擬仿真實驗在高中生物選修課實驗中的應用[J]甘肅教育研究.2023（6）：115-117.

[4]何連慶.虛擬仿真實驗在高中生物實驗中有效應用路徑探究[J].教學管理與教育研究.2023，8（1）：84-86.

[5]李慶林.虛擬仿真實驗在高中生物實驗教學中的應用[J].學周刊.2022（33）：54-56.

本文系2023年度福建省南平市浦城縣基礎教育課程教學研究課題《探索基于虛擬實驗室在中學生物實踐教學的創新模式》（立項批準號PJXKT2023-069）的成果。