虛擬現實（VR）技術在高中生物學實驗項目化學習中的應用

摘要：虛擬現實（VR）技術是一項全新的實用技術。在高中生物學實驗項目化學習中，虛擬現實技術能解決知識過于抽象、難以理解的問題。本文從兩者結合的可行性分析，以及相關教學資源的設計出發，以“探究培養液中酵母菌種群數量的動態變化”為例，探索如何將虛擬現實技術應用在高中生物實驗項目化學習中，以期為教育工作者提供新思路。

關鍵詞：虛擬現實技術；高中生物學；實驗教學；項目化學習

文章編號：1003-7586（2024）05-0055-03 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

教育部等多部委聯合印發的《教師教育振興行動計劃（2018-2022年）》指出，要充分利用虛擬現實等新技術，推進教師教育信息化教學服務平臺建設和應用，推動以自主、合作、探究為主要特征的教學方式變革。

虛擬現實（VR）技術是一項全新的實用技術，具有沉浸感、可視化和交互性。在高中生物學實驗項目化學習中，虛擬現實技術能解決某些知識過于抽象、難以理解的問題，進而促進學生生物學學科核心素養的培養。

1虛擬現實技術與高中生物學實驗項目化學習結合的可行性分析

1.1虛擬現實技術的優勢

1.1.1沉浸感和可視化

虛擬現實技術能夠創造出逼真的虛擬環境，可以讓學生沉浸在歷史和未來，對虛擬場景的各種刺激產生共鳴。例如，虛擬現實技術可以模擬實際實驗室的環境和實驗操作，使學生利用能夠相應設備在虛擬環境中進行實驗，體驗真實的實驗過程，提高實驗操作技能，同時避免了潛在實驗風險，降低了實驗成本。虛擬現實技術還能夠將抽象的概念和數據可視化，使學生由觀察者變為參與者直接參與實驗，能夠更直觀地理解和處理信息。

1.1.2交互性和實時性

虛擬現實技術鼓勵學生通過手勢、語音和控制器等方式與虛擬環境進行交互。這種交互性能夠給學生提供更多的自由度和創造空間，進而激發學習熱情。這種技術還能夠實時呈現學生的動作并及時反饋，使學生能夠了解自己的操作和決策的結果，促進學生深度學習和思考。

1.1.3跨越時空限制

虛擬現實技術通過場景設置，能夠讓學生在虛擬世界中跨越時間和空間的限制，體驗和參與遠距離的活動和事件。例如，通過切換場景，學生能在一節課中參與多個實驗，或者在場景中體驗持續時間較長的實驗及結果。

1.2高中生物學實驗項目化學習的目標設定

項目化學習（Project-Based Learning，PBL）是一種動態的學習方法，學生通過主動探索現實世界的問題和挑戰過程獲得更高層次的知識和技能。項目化學習具有自身的優勢和特點，它適合應用在高中生物學實驗教學中。

在目標設定方面，高中生物學實驗項目化學習以核心概念為基礎，教師需要明確教學的重難點，并在此基礎上積極推進學生由表層學習到深層學習的轉變，由重結果到重過程的轉變，以及由單向思維到多元思維的變革。

1.3兩者結合的可行性分析

美國教育學學者埃德加·戴爾（Edgar Dale）的“學習金字塔”理論認為，學生對于學習情境的參與度越高，記憶就越牢固，借助體驗習得的知識經驗效率遠高于傳統教學培訓方式（文字符號、錄音廣播、靜態圖片等）。

在常規實驗項目化學習中，面對生物學實驗中微觀抽象的生物結構和復雜動態的生理過程，學生容易停留在表層學習。而與虛擬現實技術結合后，學生在完成項目化學習時會沉浸其中，積極參與，不斷探索，進行深層學習。學生借助虛擬現實技術能夠“真聽、真看、真感覺”，獲取并運用良好的知識結構，加深對實驗過程的認識，而不只關注實驗結果，這更有利于學生對抽象概念的理解和多元思維的形成。

2高中生物學實驗項目化學習中虛擬現實技術教學資源的設計

2.1設計要求

項目設計是高中生物學實驗項目化學習實施的前提。虛擬現實技術可以為高中生物學實驗項目化學習提供相關技術支持，但不是所有實驗都適用。首先，教師要根據學科程標準和教學內容篩選適合使用虛擬現實技術的生物學實驗，再設計腳本（提供多種可能性），與虛擬現實技術團隊反復溝通、反饋、修改。其次，在腳本確定后，虛擬現實技術團隊完成腳本的開發與測試，制作出適配高中的虛擬教學資源，并確保其正常運行。最后，教師應在實驗前試用，測試各種可能性，確保學生接觸到科學、有效的教學資源。

2.2設計框架

本文在項目化學習模式構建過程中，參考其他基于虛擬現實技術的項目化教學模式，并考慮到高中生物學實驗的特殊性，構建了基于虛擬現實技術的高中生物學實驗項目化學習的模式框架（見圖1）。

2.3反饋與評價

學生在完成高中生物學實驗項目化學習時，教師需要對項目的完成情況進行評價，以獲得豐富的評價信息，為后續項目的優化提供信息支持。項目化學習主要采用過程性評價，觀察學生在完成實驗項目時的實驗操作、問題解決、團隊協作等具體表現，進行有依據的評價。同時，教師也可以請學生參與評價，進行自評、互評等活動，促進學生全方位成長。

3虛擬現實技術在高中生物學實驗項目化學習中的實踐案例

《普通高中生物課程標準（2017年版2020年修訂）》指出，組織以探究為特點的主動學習是落實生物學學科核心素養的關鍵。本文以“探究培養液中酵母菌種群數量的動態變化”為例，探索虛擬現實技術是如何在高中生物實驗項目化學習中應用的。

3.1項目設計

“酵母菌及種群數量增長”的相關知識一直是高中生學習的重難點。因為酵母菌體積小，較為微觀，難以觀察，所以選擇運用虛擬現實技術進行二次探究，加深學生對酵母菌和種群數量增長的認知，掌握測定種群數量的方法，提升概括與歸納的科學思維能力。

3.2項目實施

3.2.1情境引入

教師利用圖片和文字，展示科技前沿研究成果，沉浸式引入：我國科學家利用化學物質合成了四條人工設計的釀酒酵母染色體，標志著人類向“再造生命”又邁進一大步，作為模式生物的酵母菌為科學家探索生命的奧秘做了很大的貢獻。

3.2.2問題解決

教師展示兩個錐形瓶，分別裝有四天前開始培養的酵母菌液和當天剛開始培養的酵母菌液。學生發現培養液的渾濁程度不一樣，猜測可能是酵母菌代謝產物增多引起的，也可能是酵母菌的數量增多引起的。

教師引導學生分析：酵母菌的代謝產物是酒精、CO2、水等，這些產物都溶于培養液，不影響液體的透明程度。進而明確這節實驗課的目的是再次探究酵母菌數量是否會隨著培養時間延長而增加及其增長規律。

3.2.3實踐探究

教師帶領學生回顧實驗原理，剖析實驗原理的深層含義，并回憶傳統的“探究培養液中酵母菌種群數量的動態變化”實驗是如何開展的。學生回答這個實驗需要七天時間，每天固定時間計數，耗時很長且效率不高。教師繼續追問如何提高實驗效率？由此將虛擬現實技術引入實驗教學。

3.2.4沉浸學習

教師引導學生打開電腦軟件，帶上虛擬現實頭盔，拿好虛擬現實手柄，按照軟件上的實驗操作提示進行酵母菌培養操作，并在實驗單上記錄實驗要點（見圖2）。學生用虛擬現實技術更好地掌握實驗步驟，學會血細胞計數板（見圖3）的使用方法，留下了深刻的印象。教師在學生體驗實驗的過程中要提醒實驗注意點。學生可以事先設計好表格，記錄好數據后，根據表中的數據，畫出相應的坐標圖。

3.2.5交互創作

在實驗過程中，沉浸式體驗激發了學生的學習熱情思維的活躍。學生開始思考：pH值和溫度如何影響種群數量？利用虛擬現實技術快速地體驗了實驗，在實際實驗過程中能否對該實驗進行改進，從而在一天內完成七組數據的統計？

3.2項目評價

在實驗過程中，教師觀察學生在完成實驗項目時的實驗操作、問題解決、團隊協作等具體表現，進行有依據的評價并做好記錄。還可以通過小組互評BTS/18wuDulqgC+4JIpazQ==的方式對項目進行有效評價，促進教學資源的完善和教學質量的全面提升。

4教學反思

“搛究培養液中酵母菌種群數量的動態變化”實驗設計有助于開展以探究為目的的主動學習，促進學生生物學學科核心素養的提升。

本實驗將虛擬現實技術與項目化學習相結合，打破空間和時間的限制，讓學生在一節課的時間內沉浸式體驗實驗的全過程。在整個實驗過程中，教師針對性地構建虛擬情境，引導學生進行探究，進一步加深了學生對酵母菌和種群數量增長的認知，提升了概括與歸納的科學思維能力。

教育工作者可以與虛擬現實的技術人員深度合作，開發更多的資源，并充分運用于高中生物學實驗中，推動高中生物學實驗項目化學習的發展。虛擬現實技術在高中生物學實驗項目化學習中的應用，不僅革新了教學模式，提升了學習效果，還為學生提供了更為廣闊的學習空間和可能性。未來隨著虛擬現實技術的不斷成熟和教育理念的深入發展，筆者期待這一技術在能夠生物學教育中發揮更大的作用，從而推動學生科學素養和創新精神的發展。