淺析虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在中學(xué)生物教學(xué)中的應(yīng)用

摘"要：2022年教育部提出要開(kāi)展“教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動(dòng)”，為此我國(guó)推行虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。現(xiàn)行高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在教學(xué)課時(shí)不足、理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)脫節(jié)、實(shí)驗(yàn)資源設(shè)備不足等問(wèn)題，而虛擬實(shí)驗(yàn)可在一定程度上解決此類問(wèn)題。為了能將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)更好地應(yīng)用于高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)，本文采用文獻(xiàn)綜述法，分析了中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，著重探討了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)在中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，為中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革提供一些參考和啟示。

關(guān)鍵詞：生物學(xué)實(shí)驗(yàn)；虛擬仿真技術(shù)；實(shí)踐教學(xué)

2019年印發(fā)的《教育部關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見(jiàn)》中強(qiáng)調(diào)要充分利用信息技術(shù)手段開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，落實(shí)學(xué)科教學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)配置建設(shè)［1］。2022年，《教育部基礎(chǔ)教育司2022年工作要點(diǎn)》指出，要大力實(shí)施基礎(chǔ)教育數(shù)字化戰(zhàn)略行動(dòng)。針對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)字化教學(xué)，《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2022年修訂）》提出“教學(xué)過(guò)程重實(shí)踐”全新理念，建議教師充分利用信息技術(shù)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維并引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)科學(xué)探究的思路和方法［2］。2023年，《教育部等十八部門關(guān)于加強(qiáng)新時(shí)代中小學(xué)科學(xué)教育工作的意見(jiàn)》指出，各地需積極探索利用虛擬技術(shù)等手段改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)［3］。

1"中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)所面臨的問(wèn)題

實(shí)驗(yàn)教學(xué)通常需要較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)完成。中學(xué)生物學(xué)課程的課時(shí)數(shù)、實(shí)驗(yàn)室設(shè)施和設(shè)備的數(shù)量無(wú)法滿足預(yù)期和所有學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的需求［4］。而教學(xué)理論及實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與課程內(nèi)容匹配重點(diǎn)不突出［5］，教師只簡(jiǎn)單在傳統(tǒng)課堂上講授實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，并未做針對(duì)性教學(xué)設(shè)計(jì)［6］，課堂演示實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)也不能體現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的規(guī)范性操作［7］，且理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)操作相分離，學(xué)生無(wú)法直觀看到真實(shí)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并將理論與實(shí)踐結(jié)論相結(jié)合［8］。

實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師沒(méi)有充分重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)與理論知識(shí)有效結(jié)合，利用先行組織者概念促進(jìn)學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的遷移和應(yīng)用［9］。教師未及時(shí)指導(dǎo)導(dǎo)致學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中無(wú)法將所學(xué)的理論知識(shí)應(yīng)用到實(shí)際操作中或者在實(shí)驗(yàn)后無(wú)法將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與科學(xué)理論進(jìn)行有效的整合［10］。且實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師往往采用單一的教學(xué)方法，如語(yǔ)言講解、觀看視頻、演示實(shí)驗(yàn)等，缺乏引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)思考和探索的環(huán)節(jié)，影響了學(xué)生對(duì)理論內(nèi)容的遷移和應(yīng)用能力的培養(yǎng)［11］。學(xué)生在學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可能僅僅關(guān)注實(shí)驗(yàn)操作本身而忽視了對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果的深入分析和思考，無(wú)法將實(shí)驗(yàn)所涉及的知識(shí)遷移到其他情境中［12］。

虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作系統(tǒng)也存在一些不足之處，該操作系統(tǒng)只能向使用者提供既定的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，且無(wú)法完全模擬真實(shí)環(huán)境中的各種因素。學(xué)校網(wǎng)絡(luò)連接不穩(wěn)定或設(shè)備性能不足會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)過(guò)程中斷或卡頓也將影響教學(xué)效果［13］，且虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)操作系統(tǒng)主要側(cè)重于理論知識(shí)的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)操作的模擬，無(wú)法完全替代實(shí)際操作技能的培養(yǎng)。學(xué)生可能在虛擬環(huán)境中能夠順利完成實(shí)驗(yàn)，但在實(shí)際操作中可能會(huì)遇到困難［14］。

2"虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際應(yīng)用

2.1"學(xué)校課程與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)質(zhì)結(jié)合

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是針對(duì)科學(xué)（science）、技術(shù)（technology）、工程（engineering）、數(shù)學(xué)（mathematics）（簡(jiǎn)稱STEM）教育開(kāi)發(fā)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源。隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程的發(fā)展為學(xué)校課程安排帶來(lái)了許多創(chuàng)新點(diǎn)。教師可以利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，將高要求相關(guān)的部分操作轉(zhuǎn)化為生動(dòng)直觀的虛擬實(shí)驗(yàn)操作，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以追求教學(xué)效果最優(yōu)化［15］。實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，學(xué)生可以通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行教材實(shí)驗(yàn)操作，結(jié)合虛擬操作系統(tǒng)構(gòu)建理論框架，以線上線下配合的方式將基礎(chǔ)生命觀念與實(shí)踐研究結(jié)合，落實(shí)“教學(xué)過(guò)程重實(shí)踐”的基本理念，大力培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維與科學(xué)探究能力［16］。理論課程與虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程綜合運(yùn)用可向?qū)W生提供一個(gè)沉浸式操作環(huán)境，學(xué)生可在虛擬實(shí)驗(yàn)中觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程和現(xiàn)象變化，進(jìn)而分析總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，再結(jié)合理論知識(shí)基礎(chǔ)，對(duì)所學(xué)內(nèi)容形成較為完整的認(rèn)知圖式［17］。

2.2"教師對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的扎實(shí)推進(jìn)

教師是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)的主導(dǎo)者和實(shí)踐者，在實(shí)驗(yàn)講解部分可利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)資源，給學(xué)生提供更加直觀的學(xué)習(xí)方式，理論與實(shí)驗(yàn)操作同時(shí)教學(xué)，促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行理論遷移［18］。教師可用虛擬實(shí)驗(yàn)替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中危險(xiǎn)性較大的操作，以應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中各種安全問(wèn)題；在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)可用虛擬實(shí)驗(yàn)替代傳統(tǒng)教學(xué)的演示、圖片、視頻音頻等，以此來(lái)吸引學(xué)生興趣并提出相關(guān)問(wèn)題來(lái)推進(jìn)課程進(jìn)程。同時(shí)，教師根據(jù)實(shí)際情況給予學(xué)生一定的資源幫助，鼓勵(lì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，積極探索［19］。隨著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，生物學(xué)領(lǐng)域的新技術(shù)、新方法不斷涌現(xiàn)，教師應(yīng)通過(guò)改進(jìn)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程幫助學(xué)生了解并接觸這些新技術(shù)、新方法，通過(guò)對(duì)模擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)促進(jìn)學(xué)生邏輯推理能力和科學(xué)思維的發(fā)展［20］。

2.3"技術(shù)對(duì)于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新提升

當(dāng)今對(duì)實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的重視在逐漸加強(qiáng)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了互動(dòng)式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，能夠更好地培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神［21］。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)教育資源的共享，最大限度地解決地域和時(shí)間的限制，使更多的學(xué)生能夠受益于優(yōu)質(zhì)的教育資源，為那些缺乏實(shí)驗(yàn)條件的學(xué)校提供更多的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)。

虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了技術(shù)支持，推動(dòng)了教學(xué)方法和手段的創(chuàng)新，學(xué)生可以在更加優(yōu)質(zhì)的環(huán)境下進(jìn)行重復(fù)實(shí)驗(yàn)，加深對(duì)生物科學(xué)大概念的理解和掌握。此類技術(shù)在科研和工業(yè)等領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著的成果，為實(shí)驗(yàn)提供了高度的沉浸感和交互性［22］。人工智能技術(shù)及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用也使虛擬仿真實(shí)驗(yàn)更加智能化、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和分析過(guò)程將自動(dòng)化，教師根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)和條件自動(dòng)生成最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)方案，并提供實(shí)時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和反饋［23］。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)將能夠支持翻轉(zhuǎn)課堂模式在線實(shí)驗(yàn)教學(xué)。學(xué)生和研究人員可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)參與實(shí)驗(yàn)，共享實(shí)驗(yàn)資源，促進(jìn)全球范圍內(nèi)的合作和交流。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)一步融合，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)設(shè)備和環(huán)境的連接，可以更好地模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)條件，提供更加真實(shí)的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)［24］。對(duì)于實(shí)用性很強(qiáng)的內(nèi)容教學(xué)，虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)芴峁┮欢ǖ哪M實(shí)踐環(huán)境，在實(shí)踐中反饋實(shí)踐知識(shí)，落實(shí)“教學(xué)過(guò)程重實(shí)踐”理論，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展。

3"中學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程的設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)課教學(xué)設(shè)計(jì)是教師教學(xué)設(shè)計(jì)的一大重要內(nèi)容。以人教版高中生物必修一中《綠葉中色素的提取與分離》一節(jié)為例，教師可在實(shí)驗(yàn)教學(xué)各個(gè)環(huán)節(jié)將虛擬實(shí)驗(yàn)與教學(xué)結(jié)合。

課前準(zhǔn)備階段，教師可在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上預(yù)演剪碎葉片、稱量藥品以及加樣等實(shí)驗(yàn)操作，詳細(xì)記錄每一操作步驟的既存問(wèn)題和注意事項(xiàng)，預(yù)設(shè)課堂上會(huì)出現(xiàn)的突發(fā)狀況并做出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)方案。

課堂實(shí)操階段，教師在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理以及實(shí)驗(yàn)試劑用具講解時(shí)可根據(jù)中央電化教育館虛擬平臺(tái)提供的3D操作動(dòng)畫所展示的內(nèi)容進(jìn)行講解。由于演示實(shí)驗(yàn)可視性和現(xiàn)象表現(xiàn)等因素的影響，教師可采用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行提取色素操作教學(xué)，依托虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，針對(duì)本實(shí)驗(yàn)“提取綠葉色素—制備濾紙條—畫濾液細(xì)線—分離色素—觀察記錄—表達(dá)交流”環(huán)節(jié)逐步設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)。教師亦可根據(jù)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)拓展延伸，探究質(zhì)量不同碳酸鈣下光合色素的分解情況等，或針對(duì)平臺(tái)操作與實(shí)拍視頻中所提的注意事項(xiàng)與操作要點(diǎn)布置開(kāi)放性作業(yè)，再結(jié)合學(xué)生的興趣進(jìn)行個(gè)性化教學(xué)，間接幫助學(xué)生養(yǎng)成自主學(xué)習(xí)習(xí)慣。

圖1"提取葉綠素

圖2"制備濾紙條

圖3"畫濾液細(xì)線

圖4"分離色素

圖5"結(jié)果觀察

圖6"拓展延伸

課堂總結(jié)階段，教師可在演示實(shí)驗(yàn)結(jié)束后設(shè)計(jì)評(píng)估與反饋機(jī)制，組織學(xué)生反饋實(shí)驗(yàn)問(wèn)題，對(duì)濾液細(xì)線劃線方法、層析裝置設(shè)置等實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行改進(jìn)，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)效果最優(yōu)化，為學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展提供有力支持。

結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用有助于學(xué)生更好地學(xué)習(xí)和理解生物學(xué)核心大概念，為他們未來(lái)的學(xué)習(xí)和職業(yè)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，是適應(yīng)社會(huì)發(fā)展需求和促進(jìn)教師專業(yè)發(fā)展的必然要求。學(xué)校和教師應(yīng)該積極探索和實(shí)踐，不斷改進(jìn)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程安排及課程設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生提高實(shí)驗(yàn)操作的準(zhǔn)確性和效率，落實(shí)“教學(xué)過(guò)程重實(shí)踐”課程理念，同時(shí)促進(jìn)教學(xué)評(píng)價(jià)多元發(fā)展，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)自我、建立自信，改進(jìn)學(xué)習(xí)方式，促進(jìn)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的形成。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.318711"50）；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（No.YDZJ202201ZYTS457、No.YDZJ202201ZYTS433、No.20220101322JC）

作者簡(jiǎn)介：賈雨竹（2001—"），女，漢族，吉林長(zhǎng)春人，碩士研究生在讀，研究方向：學(xué)科教學(xué)（生物）；楊一（1989—"）男，漢族，吉林磐石人，博士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事動(dòng)物生理學(xué)研究；鄧祎婕（1992—"），女，漢族，內(nèi)蒙古赤峰人，博士，講師，研究方向：生物化學(xué)與分子生物學(xué)；谷博（1986—"），女，漢族，吉林長(zhǎng)春人，博士，講師，主要從事畜禽重要性狀遺傳規(guī)律與種質(zhì)資源創(chuàng)新研究。

*通信作者：王仁俊（1979—"），男，吉林通化人，漢族，博士，教授，主要從事動(dòng)物生理學(xué)研究及生物學(xué)學(xué)科教學(xué)。