虛擬仿真與三維動態模型在高中生物教學中的應用價值

新課改的核心目標在于改變傳統單一的教學方式，激發學生主動學習勢能。傳統教學方法在高中生物學習中面臨著一系列挑戰。抽象概念難以理解、缺乏實驗實踐、教學模式單一、教學評估不及時等問題制約了學生的學習效果和教學質量。因此，將虛擬仿真與三維動態模型技術引入高中生物教學成為提升生物教學效果的重要途徑。虛擬仿真與三維動態模型技術通過將抽象的生物知識可視化幫助學生直觀地了解宏觀與微觀相結合的生物學概念；通過將復雜實驗實操化讓學生沉浸式參與生物實驗，打破教學資源的局限性；通過將生物知識深度化培養學生的整體觀和生命觀；通過將生物教學水平優質化，助力教師及時調整教學方針，提高教學質量。虛擬仿真與三維動態模型的應用為滿足生物教學個性化、多樣化、深度化發展提供了技術支持，為學生提供更加豐富和深入的學習體驗，是培養具有綜合素質優秀人才的現代化工具。

高中生物的知識涉及包括細胞生物學、遺傳學、生態學、進化論等在內的多個生物學領域，其知識點具有宏觀與微觀相結合、抽象與具象相結合的特點。從聚焦于如何讓學生掌握分散抽象的生物學概念這一教學難點，三維動態模型技術成為高中生物課改的重要工具。教育部《普通高中生物學課程標準（2017年版）》指出要加強和完善高中生物教學，充分利用多媒體、互聯網及無線通信技術進行虛擬實驗。作為一門以實驗為主的自然學學科，利用虛擬仿真技術進行模擬實驗，更是解決重實驗的教學需求和有限的教學資源之間的矛盾的有效途徑。通過虛擬仿真技術和三維動態模型在高中生物教學中的不斷開發和應用，學生能夠在豐富學習感官的同時，潛移默化地形成對生物知識的整體觀并樹立正確的生命觀。

1 傳統教學方法對高中生物學習的挑戰

1.1 抽象概念難以理解

傳統教學方法以教師填鴨式教學為主，將知識通過講述、圖片等形式灌輸給學生，不利于學生對抽象概念的理解。高中階段，生物學科既涉及靜態的抽象概念又涵蓋動態的生命現象和生理過程，要求學生具備一定的抽象思維和空間想象能力。例如，遺傳學中的基因表達調控、細胞生物學中的細胞代謝途徑，以及生態學中的能量流動和物質循環等，均需要學生在理解生物學概念的基礎上發揮抽象思維能力，對知識進行深化。然而在傳統教學方法下，教師難以將抽象的生物學概念向學生直觀地展示出來，學生很難將抽象的理論與實際應用聯系起來，進一步加大了理解的難度。

1.2 缺乏生物實驗

生物實驗是高中生物教學中不可或缺的一部分，然而，由于教學資源和實驗周期等客觀因素限制，生物實驗的開展受到了極大的制約。一方面，在實際教學中，學校的實驗設備及實驗材料不足，難以支撐全面而系統的生物實驗教學。而諸如植物生長等周期較長的實驗，對于教學進度而言是極大的挑戰，在實際教學中應用并不現實。另一方面，學生對生物實驗的操作并不熟悉，實驗過程中隱含一定的安全風險，傳統的教學將生物實驗作為輔助教學手段，缺乏對學生實驗操作規范和安全意識的培養，導致實驗教學法的效果不盡如人意。

1.3 教學模式單一導致學生學習動力不足

傳統教學模式往往以教師為中心，強調講授和記憶，忽視了學生的主動參與和互動。這種模式雖然在傳授知識方面具有一定的效率，但在激發學生學習興趣和培養自主學習能力方面存在明顯不足。高中生物涉及生物學的多個分支，內容豐富多樣，在應試教育的機制下，學生只能通過被動接受和死記硬背的方式掌握知識，使得學習過程機械化，大大降低了學生探索生物學奧妙的熱情。傳統的教學理念重視學科知識，而忽視了對學生思想素質的綜合培養，在培養學生生命觀和生態觀等批判性思維方面存在一定短板。

1.4 教師對學習成果具有滯后性，不利于及時調整教學內容

傳統教學評價體系主要依賴于周期性的考試和階段性的測驗，這些方式雖然能在一定程度上評估學生的知識掌握情況，但存在明顯的時間滯后問題。這種滯后性使得教師難以及時了解學生的學習狀態和學習難點，進而無法迅速調整教學計劃，以提高教學質量。此外，傳統的評估方式需耗費教師大量的時間匯總整理學生的學習情況，進一步延長了反饋周期。高中生物學科的知識體系龐大而復雜，較長的反饋周期導致教師難以針對學生的理解程度和學習狀況及時調整教學策略，學生在基礎學習階段存在知識漏洞，大大降低了學習效率。

因此，高中生物教學方法革新迫在眉睫，關鍵在于降低生物知識理解難度、培養學生思維深度、提高教學情況反饋速度要三手抓。隨著虛擬仿真技術與三維動態模型技術趨于成熟，其作為具有生命動態的教具的優勢顯而易見，成為解決傳統教學方式弊端的有效途徑。

2 虛擬仿真與三維動態模型將抽象知識可視化

虛擬仿真與三維動態模型具有科學性和藝術性，將其應用于高中生物課堂教學中能夠將抽象知識可視化，賦予扁平枯燥的生物知識以生命的力量，帶領學生領略微觀的生物世界，增強對知識點的理解與記憶，大大激發學生的學習興趣。

細胞結構在傳統的教學方法中只能通過平面圖示和文字描述進行講解，或由教師利用生活中可獲取的材料如橡皮泥、輕質黏土等制作細胞模型，引導學生通過聯想的方式了解細胞原始結構。雖然高中生已經具備較高的認知能力，能夠通過模擬演示的形式了解細胞的抽象概念，但由于教具的失真容易導致理解偏差和應用僵化的問題。

而運用三維動態模型技術，教師可以制作出精細的細胞模型，向學生全方位展示細胞結構。如圖1，通過拆分組合細胞膜、細胞質、細胞核、線粒體、內質網、高爾基體、溶酶體等各種細胞器的三維模型，學生可以了解細胞內外部各組成部分的布局及關系。通過播放三維動態模型演示細胞結合與分裂，使得生命體活動的各個階段直觀地展現出來，讓學生認識到細胞結構的生命概念。

在遺傳學中，三維動態模型的應用將基因表達過程形象地展示出來，將抽象知識具象化，以便學生更好地理解和應用。三維動態模型可以通過動畫展示RNA聚合酶沿著DNA鏈移動并合成mRNA，隨后核糖體讀取mRNA序列并合成蛋白質的完整過程，深入觀察理解從DNA到RNA再到蛋白質的轉錄和翻譯過程。

借助三維技術建造的DNA復制模型同樣可以帶領學生解構基因與生命的奧秘。“DNA復制”模型以DNA的解旋為出發點，演示DNA互補堿基的氫鍵鏈接作用下使得DNA由雙鏈變為單鏈，脫氧核苷酸以一條單鏈為模板在堿基互補配對原則下一次結合，重新形成堿基對之間的氫鍵，再由單鏈變為雙鏈，至此完成了DNA復制的全過程。“DNA復制”模型的視覺化作用在于讓原本只能通過教師講授的間接經驗轉化為肉眼可見到的直接經驗，增強學生的理解能力，加強記憶效果。教師可以隨時暫停演示，著重講授重要知識點，使得教學重心有的放矢，提高教學質量。還可以讓學生參與進三維動態模型的演示中，激發學生的學習興趣，是推動學生主動學習的有力武器（見圖2）。

總的說來，三維動態模型將抽象知識可視化，作為一種新興教具，在高中生物教學中為抽象概念的理解提供了強大的支持，極大地激發了學生的學習興趣和熱情。

3 虛擬仿真與三維動態模型將復雜實驗實操化

生物學的特性決定了這門學科本應將生物實驗作為教學重心，讓學生以充分的直接經驗習得學科知識。然而學校生物實驗課受到了實驗設備、實驗樣本、實驗周期等客觀因素的制約，加之傳統教育觀重成績輕實踐的教學觀念，不少實驗課程流于形式。而虛擬仿真實驗為解決傳統實驗教學弊端提供了現實可行的解決方法。

虛擬仿真實驗是指依托計算機技術，以現實世界中自然原理、實驗原理為基本規則，實現在計算機上對現實世界中的實驗全部步驟或部分步驟進行等效模擬的一種計算機軟件工具。由北京樂步教育科技有限公司研發的NOBOOK虛擬實驗室是目前廣泛應用于高中生物課堂的虛擬實驗室軟件，為學生提供了一個全新的具有直觀性、互動性、實操性的現代化學習平臺。

人教版高中生物學選擇性必修二《生物與環境》中的“標志重捕法”是學生學習“種群的數量特征”的基礎性實驗知識。通過對種群密度的實驗調查，學生不僅能夠掌握抽樣調查的基本方法，還能清楚地學習列舉種群具有種群密度、出生率和死亡率、遷入率和遷出率、年齡結構、性別比例等特征。但標志重捕法的實驗樣本為活動范圍大、活動能力強的動物種群，學校指定特定實驗區域和動物種群以供學生進行標記和重捕是不現實的，因此，多年來該實驗一直以教師講授、多媒體展示等方式進行。NOBOOK平臺的出現讓此實驗變得實操化。虛擬實驗室將學生代入被調查種群的生存環境中，進行捕獲、標記、釋放及多次重捕活動，由于捕捉的帶標記數/捕捉的動物總數=標記的動物總數/動物總數的種群密度計算公式，最終計算出野兔種群密度（見圖3）。

實驗結束后，該模擬仿真平臺還引導學生進行思考與討論，探討標志重捕法調查野兔種群密度時個別標志物脫落，計算所得數值與實際數值相比的關系。由于學生擁有實操經驗，可以通過討論構成猜想并通過虛擬仿真實驗7t1qxSNcE9HcNnsB8CyIfsvpJs/ZthPPuw3gR0zHTEE=驗證結論，能夠準確得出“由于個別標記物脫落，導致重捕標記個體數量減少，所以所得數值可能偏大”的結論。虛擬仿真實驗室的應用解決了標志重捕法的教學重點和難點，幫助學生將宏觀的知識具象化，深化了學生對生物學基礎知識的理解與思考。

基于虛擬仿真技術，大大提高了高中生物實驗課程的可行度和學生的實驗操作能力。得益于模擬實驗環境的高度還原性好，學生能夠身臨其境地感受實驗過程，有利于學生更好地掌握基礎知識，提高學習成果。虛擬仿真實驗還能夠增強學生實驗設計、操作、總結能力，激發學生的科研精神，為未來的學習與科研打下堅實的基礎。

4 虛擬仿真與三維動態模型將課程知識深度化

將虛擬仿真與三維動態模型廣泛應用于高中生物課堂中，帶給學生沉浸式的學習體驗，有利于激發學生的學習興趣，增強學習主動性。虛擬仿真與三維動態模型為學生提供了前所未有的學習方式，幫助學生在虛擬環境中深入理解生物學原理。學生可以通過操縱生物模型、參與模擬實驗、模擬生物系統發展等方式親身參與到生物學知識體系的建構之中，主動探索和實踐微觀的生物知識。

教師可以利用虛擬仿真程序為學生創設模擬情景，增強課堂互動性，提升學生的主體性地位。在虛擬仿真實驗室中，不僅僅是學生的動手能力和實驗精神得到了提升，同時也在潛移默化的實踐中幫助學生樹立創新精神和科學思維。高中生物學實驗教學是培養學生學科核心素養的重要途徑之一，幫助學生樹立生命觀念、形成科學思維、提升科學探究能力、培養社會責任感。例如，人教版高中生物學選擇性必修三第四章《生物技0OpX23XL3APYptJccXQaKfkVWGO6Figr5LLUNW3jPiM=術的安全性與倫理問題》中，可以通過搭建轉基因生物體模型，讓學生模擬培育轉基因動植物。一方面，學生可以感受到令人嘆為觀止的轉基因成果給人類社會帶來的便利；另一方面，通過模擬重組DNA與微生物雜交產生對動植物和人類機體有害的病原微生物，讓學生切身感受肆意利用生物基因技術可能帶來的潛在后果，激發學生對生命和生物技術的敬畏之感，培養學生的批判性思維。

教師還可通過虛實結合的教學方法引導學生樹立整體觀生命觀。通過虛擬實驗室，學生可以參與孟德爾的豌豆雜交實驗，低溫誘導植物細胞染色體數目的變化實驗，模擬保護色形成過程等循序漸進地了解遺傳、變異、適應整個生物進化過程。通過引導學生結合實際，列舉遺傳和進化事例深化思想。只有在理解這些內容的基礎上，學生才能進一步形成正確看待生命世界的進化觀，認同人類與其他生物一樣，都是進化來的，認同人類應當尊重自然、順應自然、保護自然，與大自然和諧共生，樹立整體觀和生命觀。

此外，虛擬仿真與三維模型的應用為學生的跨學科能力培育提供助力。在自然選擇對種群基因頻率變化的影響實驗中，學生可以通過更改初始基因型頻率、顯性個體每年增長率、隱性個體每年減少率三個變量直觀觀察自然選擇和種群基因頻率之間的關系，不但便于學生理解相關生物學概念，還培養了學生的數學能力和統計思維（見圖4）。

5 虛擬仿真與三維動態模型將教學水平優質化

虛擬仿真軟件在輔助學生學習的同時及時反饋學生的學習情況，直觀展示學習成果以便教師及時調整教學策略方針。以NOBOOK為例，教師可以布置探究實驗或隨堂測驗，學生可以從該平臺回答教師的問題，并對實驗過程進行錄屏。根據題目正確率統計，教師可以及時了解學生的知識漏洞；而通過實驗錄屏，教師可以全面了解學生的學習情況，針對個別問題提供個性化的指導。前者解決了傳統教育模式下教師對學生學習情況具有滯后性的問題，而后者則突破了傳統大班授課教師難以對每個學生個體提供針對性教學與指導的難題（見圖5）。

此外，教師還可通過虛擬仿真和三維模型平臺上傳或學習經典教學案例，對教學資源進行高效整合。通過平臺分享和交流，教師可以獲取來自全球范圍內的優質教學資源，包括虛擬實驗設計、三維動態模型、案例教學等，從而豐富自己的教學內容，為教學改革和創新注入新的活力，提高教學資源利用效率。

6 結語

虛擬仿真與三維動態模型的研發與應用對于高中生物課教學具有重要的教育價值和發展前景。高中生物課堂引入虛擬仿真與三維動態模型技術能夠有效地解決傳統生物學科教學模式下抽象概念理解困難、實驗資源與實驗實踐匱乏、應試教育重成績輕素養、教學模式單一及教學評價滯后等一系列問題，能夠顯著提升學生學習的主動性和教師教學質量與效果。

然而，新興技術往往是把雙刃劍，在彌補傳統教學模式短板的同時，虛擬仿真與三維動態模型技術也給教學質量和發展方向帶來巨大的挑戰。例如，虛擬實驗室的開發和三維動態模型的搭建需要耗費巨大的財力精力，單靠少數力量很難搭建起全面而系統的生物實驗教學平臺。

因此，中小學及高等學校應將發展虛擬仿真與三維動態模型技術納入教學改革的重要方向，一是要推廣現有虛擬仿真技術平臺的應用；二是要集中專業人員力量，將模型的設計與生物學科知識體系和教育目標緊密結合，增強虛擬仿真和三維動態模型的科學性、系統性、專業性，以確保該技術的應用使高中生物教學的價值最大化。

（作者單位：上海市華東政法大學附屬松江高級中學）