虛擬實驗融入高中生物學實驗教學的研究

【摘" 要】 虛擬實驗作為近年來新興的一種輔助實驗教學手段，展現出了重要的教學應用價值。文章以基于虛擬實驗技術開發的NOBOOK虛擬實驗軟件為例，深入分析了制約高中生物學實驗開展的主要因素，結合NOBOOK虛擬實驗軟件的獨特優勢，進一步提出了將該軟件應用于高中生物學實驗教學中的具體實施策略，涵蓋課前預習、課上教學、課后復習以及課程評價等各個環節，旨在通過科技與生物學知識的深度融合，為高中生物學實驗教學模式的創新提供有益的參考。

【關鍵詞】 虛擬實驗；NOBOOK；高中生物學實驗；實驗教學

生物學作為一門以實驗為基礎的自然學科，實驗教學在其教學體系中占據著舉足輕重的地位。然而，受限于課時緊張、實驗條件不足等因素，部分學校的生物學實驗教學逐漸演變為“講授-聽講”或“演示-觀看”的模式，甚至直接縮減實驗課時，這無疑對學生的核心素養培養構成了阻礙。為應對這些挑戰，國家層面出臺了一系列政策，高度重視實驗教學的開展，并特別關注了虛擬實驗技術在教學中的巨大潛力。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020修訂）》明確指出，實驗設計應追求多樣化，條件允許的學校應充分利用多媒體、互聯網及無線通信技術，積極探索虛擬實驗的應用。此外，教育部在2019年頒布的《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》（教基〔2019〕16號）也倡導，對操作難度大、實施條件苛刻的實驗，可通過虛擬技術等手段進行呈現，以幫助學生構建起更加完整的知識體系。因此，將虛擬實驗技術融入高中生物學實驗教學，不僅具有廣闊的發展前景，而且具有深遠的教學意義。

一、NOBOOK虛擬實驗軟件的安裝與運用

北京樂步科技有限公司于2014年成功研發出NOBOOK虛擬實驗軟件，該軟件根據小學科學以及初、高中物理、化學、生物等學科內容進行了細致劃分，形成了多個子軟件，能夠全面覆蓋國內初、高中各主流教材版本的教學需求。該軟件不僅支持PC端使用，還兼容移動端，用戶既可通過官方網站進行在線操作，也可在Android、iOS、Windows等系統上下載后隨時隨地使用，極大地突破了網絡和硬件的限制。更值得一提的是，NOBOOK虛擬實驗軟件操作簡便，僅需通過鼠標點擊和移動即可完成實驗，對使用者的計算機操作水平要求極低。

軟件首頁集成了3D資源、顯微鏡觀察、視頻教程、探究實驗、互動課件以及學案等豐富的學習資源，每個虛擬實驗模塊均設計得完整且直觀，既便于教師在課堂上進行實驗演示，也便于學生進行課前預習和課后復習。此外，軟件的最新版本還新增了章節索引、教材選擇、實驗預覽等可視化功能，以及知識點專題、學案、班級作業、課例集錦等新模塊，這些新增功能不僅提升了學生學習的時效性和多樣性，也為教師開展教學提供了更加有力的輔助。

二、NOBOOK虛擬實驗軟件的優點

首先，NOBOOK虛擬實驗軟件能夠營造出身臨其境的學習環境，促使學生主動與虛擬實驗中的對象進行交互，迅速獲取實驗結果，進而掌握新知識并鞏固和拓展自身的知識體系。其次，NOBOOK虛擬實驗軟件打破了時間和空間的束縛，有效解決了實驗周期長、成本高、存在安全隱患等問題。同時，它還為學生提供了豐富多樣的學習資源，極大地減輕了教師的教學壓力。本文現對新人教版高中生物學教材中制約實驗開展的主要因素進行深入剖析，并結合虛擬實驗技術的顯著優勢，通過具體實例（如表1所示）闡述了如何將NOBOOK虛擬實驗軟件有效融入實驗教學內容之中。

三、虛擬實驗軟件融入實驗教學的實施策略

虛擬實驗雖非實體，但其融入實驗教學并非旨在完全取代真實實驗，而是為了實現實驗教學效果的最優化。因此，在教學過程中，教師應深思熟慮，判斷哪一環節最適合融入虛擬實驗。結合實驗內容與學生的實際情況，教師可在課前、課中、課后三個教學環節中靈活選擇虛擬實驗的融入時機，并形成有效的評價體系，助力學生實現從知識感知、知識形成到知識遷移的逐步深化。

（一）課前預習融入虛擬實驗，夯實基礎知識根基

傳統的實驗教學模式往往依賴于學生自主預習教材內容，隨后在實驗室進行真實實驗。然而，在實驗過程中，學生常因對實驗室試劑、儀器的好奇，以及教材實驗步驟與實際操作間的差異而感到困惑，導致實驗操作不當，甚至擾亂課堂秩序，影響實驗成功率。為改變這一現狀，教師可將NOBOOK虛擬實驗軟件應用于課前預習環節，提前發布實驗預習任務，并實時跟蹤學生預習進度。這種以虛擬實驗為預習載體的方式，不僅使實驗內容更加生動有趣，還能幫助學生積累更多基礎知識。例如，在“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質”實驗中，步驟煩瑣且細節眾多。通過虛擬實驗軟件預習，學生能提前了解斐林試劑的配制需現配現用、選擇淺色或無色實驗材料以避免干擾等關鍵細節，為課堂上的真實實驗做好充分準備，從而提高實驗成功率，避免時間和材料的浪費。

（二）課堂教學融入虛擬實驗，豐富教學內容與形式

針對實驗條件有限或時間安排緊張的學校，虛擬實驗可作為課堂教學的重要補充。以“菊花的組織培養”實驗為例，該實驗對無菌處理要求極高，且需配備超凈工作臺等昂貴設備，實驗周期長達30天，成功率較低。因此，部分學校尤其是農村學校可能選擇跳過真實實驗，采用傳統講授方式進行教學，但教學效果往往不盡如人意。此時，借助NOBOOK虛擬實驗軟件，教師可在課堂上完整展示該實驗過程，解決實驗耗時長、條件限制多等問題。虛擬實驗提供的逼真實驗情境，有助于學生更好地構建生物知識體系。

此外，探究類實驗對培養學生的創新思維、主動探究能力和知識深化具有重要意義，但在現實中往往開展率不高、效果不理想。以“探究pH對過氧化氫酶的影響”實驗為例，傳統教學中，教師常將其作為定性實驗進行探究，實驗步驟煩瑣且設計梯度有限，學生常用模糊詞語描述實驗結果，難以準確判斷。同時，實驗中使用的強酸強堿試劑具有腐蝕性，存在安全隱患。而NOBOOK虛擬實驗軟件中的“探究pH對過氧化氫酶的影響（創新）”實驗，則利用生活中常見材料進行創新設計，通過注射器活塞移動位置直觀展示各pH值對酶活性的影響程度，實現了從定性到定量的轉變。學生可記錄刻度移動數據并繪制圖表，構建數學模型。在條件允許的情況下，學生還可回顧虛擬實驗過程進行真實實驗，提高成功率并減少安全隱患。甚至可基于虛擬實驗重新設計實驗方案進行探究，進一步培養學生的創新思維和探究能力。

（三）虛擬實驗技術融入課后復習，助力知識內化與鞏固

高中生物學實驗知識體系龐大，學生在復習過程中難免會有所遺漏，特別是那些細微而關鍵的知識點。以“紙層析法分離綠葉中的色素實驗”為例，其中一道題目要求學生判斷濾紙條上最寬色素帶的顏色（選項包括“藍綠色”“黃綠色”“橙黃色”“黃色”），這實則是對綠葉中四種色素含量及其比較的深度考查。由于教材討論部分未明確強調觀察和比較色素帶寬度的必要性，許多學生在實驗觀察時往往忽略了這一細節，而習題解答時又無法重新進行實驗驗證。此時，NOBOOK虛擬實驗軟件便成了學生的得力助手，他們再次操作并直觀呈現實驗結果，從而加深對實驗原理及流程的理解，有效填補知識空白，提升生物學成績及學習積極性。此外，教師還可利用該軟件發布課后作業，實時跟蹤學生完成情況，使學習更加直觀且高效。對基礎相對薄弱的學生而言，虛擬實驗軟件的重復操作功能尤為寶貴，它不僅能鍛煉學生的抽象思維，還能促進知識的舉一反三、觸類旁通，加速知識內化過程，成為提升成績的有效途徑。如此一來，學生的學習興趣與主動性也將得到顯著提升。

（四）虛擬實驗技術輔助實驗課程評價，促進“教”與“學”的全面發展

實驗課程評價作為實驗教學不可或缺的一環，對推動教師“教”與學生“學”的雙重進步具有重要意義。教師可借助NOBOOK虛擬實驗軟件實施多元化評價體系，如發布實驗操作任務、構建實驗評價量表，從學生對待實驗的態度、實驗操作技能、團隊協作能力等多個維度進行綜合評定；同時，布置實驗報告或作業、建立生物學習成長檔案袋，作為記錄學生學習歷程的寶貴資料。通過這種方式，教師不僅能全面了解學生的學習狀況，還能間接發現虛擬實驗技術融入實驗教學過程中可能遇到的問題與挑戰，進而及時做出有效調整與優化，確保虛擬實驗技術與實驗教學的融合達到最佳狀態。

四、拓寬虛擬實驗適用性廣度與深度，加速教育信息化進程

盡管虛擬實驗在某些方面展現出相較于真實實驗的優勢，但其仍無法完全替代真實實驗的地位。當前市場上的虛擬實驗產品普遍面臨兩大核心挑戰：一方面，那些沉浸感強、逼真度高、功能繁復且強大的虛擬實驗產品，如基于VR技術的產品，能夠為用戶提供視覺、聽覺等多維度的極致體驗。然而，這類產品往往價格高昂，后期維修成本也頗為可觀，對大多數用戶而言具有不小的經濟負擔。因此，它們更多地出現在高等院校或研究機構中，僅有極少數基礎教育單位有能力購置這些尖端、高科技的虛擬實驗產品。另一方面，市場上亦存在價格親民、獲取便捷、操作簡便的虛擬實驗產品，NOBOOK虛擬實驗軟件便是其中的佼佼者。這類產品以其低廉的購買價格和維修成本，更適合在中小學校中廣泛應用。然而，在沉浸感、逼真性、功能完備性等方面，它們顯然難以與VR技術產品相媲美，這可能導致在教學過程中部分教學環節的開展受到一定限制，無法充分發揮虛擬實驗的教學潛力。

為了最大化虛擬實驗與教育教學的結合效果，教育單位與虛擬實驗技術研發部門之間的緊密交流與合作尤為重要。教育單位應積極引進適合的虛擬實驗產品，并鼓勵教師探索虛擬實驗的創新教學模式，以提升教學效率。同時，他們還需及時向技術研發部門反饋使用效果和意見，為產品的改進提供寶貴參考。而技術研發部門則應積極響應一線教師的反饋，不斷對產品進行完善和優化，努力提升研發水平。通過雙方的共同努力，致力于打造更加先進、更加貼合教學需求的虛擬實驗產品，從而拓寬其市場應用范圍，深化其應用深度，為教育信息化的發展貢獻力量。

五、結語

NOBOOK虛擬實驗軟件具有不受時空限制、可重復操作實驗、實驗操作安全、學習資源豐富等優點，能夠融入整個實驗教學過程中，從而填補傳統實驗的許多不足。但該軟件存在實驗方案的自主設計性不強、沒有觸覺感受等問題，還需要進一步完善。虛擬實驗不完全等同于真實實驗，教師在實際教學中仍應該以真實實驗為主體，虛擬實驗作為補充，將虛擬實驗技術恰當地融入實驗教學中，無論在哪一教學環節上都得到最優化的使用，使生物學實驗教學效果躍升到更高的水平。

參考文獻：

［1］ 吳孟琪. 具身認知視角下生物實驗教學的反思與構建［J］. 教學與管理，2018（36）：111-113.

［2］ 李濤，黃彩霞，趙浩斌. 高中生物教學中的虛擬實驗［J］. 教學與管理，2017（07）：53-54.

［3］ 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（01）：84-86.