初中生物虛擬仿真實驗教學應用分析

摘" 要：將虛擬仿真實驗作為教學輔助工具，結合探究性學習、講授法等教學方法對初中生物實驗“觀察小魚尾鰭內血液流動現象”開展教學設計，并結合生物實驗教學現狀提出教學建議，為相關研究提供參考和借鑒。

關鍵詞：虛擬仿真實驗；初中生物；顯微鏡；探究性學習

文章編號：1671-489X（2025）03-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.03.

0" 引言

《義務教育生物課程標準（2022年版）》明確指出，教師要充分運用虛擬仿真實驗開展實驗教學，以突破實驗材料、時間和設備對實驗開展的限制。對此，越來越多的教師投入虛擬仿真實驗教學的研究，但虛擬仿真實驗的使用須與實驗內容和學生身心發展規律相契合。教師應結合實驗的可操作性、實驗器材獲取的難易程度、實驗現象的可觀察性等條件，有選擇性地開展虛擬仿真實驗教學，大力發揮虛擬仿真實驗的優勢和作用，拓展生物實驗開展渠道，彌補傳統實驗不足，進而激發學生學習興趣，有效增強實驗教學效果。

1" 教學內容和學習者分析

1.1" 教學內容分析

“觀察小魚尾鰭內血液流動現象”是生物課程標準一級主題“人體生理與健康”之下的一個探究類實驗，涉及低倍顯微鏡的使用、尾鰭色素較少的活的小魚的選取和小魚預處理等實驗知識與技能的使用，實驗影響因素較多，實驗難度較大。在實驗過程中，要讓學生清晰地觀察血液在血管內的流動現象，進而學會分辨血管的種類和血液在不同血管內的流動情況，了解血管的結構和功能特點，知識點和難點較多。該實驗為探究性實驗，實驗過程可以培養學生的科學探究能力，提高學生的觀察能力和合作交流能力。

傳統實驗中存在小魚運輸途中死亡率高、小魚好動影響觀察效果、實驗結束后小魚死亡可能性較大、實驗成本高等問題。因此，本實驗適合使用虛擬仿真實驗開展實驗教學，能避免小魚死亡情況的發生，虛擬實驗現象更易觀察，且能大大減少實驗購買小魚的費用，使實驗開展更具經濟性和高效性。

1.2" 學習者分析

教學對象為七年級學生，該年級學生已在第四章第一節中系統學習了血液的相關知識，能正確分辨紅細胞和白細胞，具備使用顯微鏡進行觀察的基本技能，且具有一定的自學能力與合作交流能力。該年級學生認知過程處在感性認識向理性認識轉變的階段，在體驗式和情境式的學習環境中習得、理解、記憶知識的效率更高[1]。因此，使用虛擬仿真實驗開展實驗教學能增強學生實驗的體驗感，虛擬實驗場景和實驗現象直觀性強，可以對學生視覺產生刺激，從而增強學生的感性認識，有利于學生建構知識[2]。

2" 教學目標、教學重難點和教學方法

2.1" 教學目標

2.1.1" 知識目標

理解動脈、靜脈和毛細血管的結構與功能特

點；學會分辨血管的種類以及血液在不同血管內的流動情況。

2.1.2" 能力目標

掌握使用低倍顯微鏡觀察實驗現象的方法；通過觀察、討論、比較等活動，提高學生的觀察能力和合作交流能力。

2.1.3" 情感態度價值觀目標

通過對比分析，使學生認可生物體結構與功能相適應的生物學觀點；培養學生珍惜、愛護小動物生命的良好品質。

2.2" 教學重難點

2.2.1" 重點

分辨血管的種類、結構與功能以及血液在不同血管內的流動情況。

2.2.2" 難點

通過觀察血液流向分辨血管的種類。

2.3" 教學方法

2.3.1" 探究性學習

實驗主要采用探究性學習的教學方法開展教學，學生在教師的引導之下，圍繞教師提出的問題，通過虛擬仿真實驗、小組合作進行實驗探究，實驗中小組成員可以交流討論，教師應巡視以及時給予學生指導。

2.3.2" 講授法

學生完成虛擬仿真實驗操作后，教師應根據學生的實驗情況有針對性地對實驗知識和原理進行系統講解，并著重講解實驗重難點知識，及時解答學生在實驗過程產生的疑問。隨后，發放實驗測試習題，檢驗學生的學習情況。

3" 教學設計

3.1" 情境導入：構建問題情境，激發學生學習興趣

課程標準倡導使用探究性學習開展實驗教學，強調在探究學習過程中培養學生發現問題、提出問題和應用知識解決問題的能力。基于此，在進行虛擬仿真實驗前，教師針對實驗內容提出問題：

1）在抽血和輸液時，你知道針刺入的是人體的什么血管嗎？

2）醫生扎手指采血（皮膚采血）的過程中，血液又是從什么血管里流出來的呢？

3）中醫醫生給我們號脈的部位又是在哪里呢？

4）我們人體內有多少種血管呢？

5）每種血管內的血液流動情況是怎樣的呢？

6）怎么才能觀察到每種血管內的血液流動現象呢？

學生思考問題并作答后，教師根據學生的回答引入實驗內容。

【設計意圖】此教學過程結合學生的生活經驗，從生活中的實際問題出發，通過對問題的思考激發學生學習和實驗探究的興趣，提高學習的積極性。問題有利于學生明確學習目標，具有引導學生進行實驗探究的作用。

3.2" 實驗探究：創新實驗形式，培養學生探究精神

課堂上，學生以小組為單位利用計算機開展虛擬仿真實驗，在實驗中對教師提出的問題進行探究。通過虛擬仿真實驗，學生可以清楚地了解實驗目的是什么、所使用的實驗器材有哪些，每個實驗步驟均伴有具體的操作指導，錯誤的實驗操作也會進行相應提示，可以極大地降低實驗失敗的可能性。在本次虛擬仿真實驗中，學生可以跟隨操作指導進行虛擬仿真實驗操作，效果圖如圖1、圖2所示。

虛擬仿真實驗能解決小魚好動對實驗觀察帶來的干擾。利用顯微鏡進行觀察時，可以使用顯微鏡輔助控制面板對顯微鏡的各個部件進行調節，也可直接點擊最佳圖像按鈕獲取最清晰的顯微鏡圖像，極大降低顯微鏡的操作難度。同時，虛擬仿真實驗可以直接避免小魚死亡的現象發生，以及實驗儀器損壞的問題出現，極大地消除學生實驗中產生的顧慮，從而讓其全身心投入實驗操作。

【設計意圖】教學過程能加深學生對抽象實驗知識和原理的理解與記憶，增強學生實驗過程中的體驗感，進而培養學生的科學探究能力，提高學生的實驗操作能力和觀察能力。在學生進行實驗時，教師應進行課堂巡視，糾正學生的錯誤實驗操作，及時回答學生的各種疑問，并統計學生的實驗完成情況，了解學生進行實驗的難點是什么。

3.3" 小組討論：營造融洽氛圍，提高學生交流能力

實驗結束后，由各組小組長匯報實驗結果，教師根據匯報情況組織學生對虛擬仿真實驗中的“討論與思考”進行回答，在學生討論時給予適當引導，并要求學生在討論中完成表1。主要討論的問題有以下三個。

討論1：你能觀察到幾種不同的血管？通過討論使學生認識動脈、靜脈、毛細血管等三種血管，并掌握三種血管的結構和功能。討論有利于學生發表不同的見解，互相啟發，加深對問題的理解，獲得新的發現，從而收獲新知識。課堂討論的氛圍是融洽的，可以激發學生學習的積極性，使內向的學生也參與討論。

討論2：在粗細不同的血管中，血液流動的速度是否相同？通過討論使學生掌握各種血管的特點及血流速度。學生在討論過程中可以重復進行實驗并觀察實驗現象，通過多次實驗和實驗現象的觀察反思自己在之前的觀察中是否存在粗心的地方，對實驗知識的理解是否有誤，同學的觀點是否更加準確，等等。

討論3：有多少種方法可以區分三種不同的血管呢？通過討論使學生正確掌握分辨血管的兩種主要方法。1）根據血流方向分辨：動脈→毛細血管→靜脈。2）根據血管分支還是匯總分辨：動脈血管的血液是由主干流向分支，靜脈血管中的血液是由分支匯集到主干，毛細血管是紅細胞單行通過。討論能引導學生從多個角度思考問題，形成從多個方面出發建構知識的良好習慣，以幫助學生更深刻地理解和記憶實驗知識。

【設計意圖】教學過程能讓學生反思自己實驗的不足之處，使學生形成科學嚴謹的實驗態度。教師應側重引導學生發現自己實驗過程中存在的問題，使其通過與同學的交流完善對實驗的認識，更清晰地理解實驗知識和原理，從而建構系統的知識體系，提升歸納總結能力。

3.4" 評價總結：歸納實驗知識，幫助學生查漏補缺

討論結束后，教師根據學生的討論情況分析學生在本次實驗學習中的難點，對認真完成實驗的小組給予表揚；隨后，結合各血管橫切面圖和功能結構表系統講解動脈、靜脈和毛細血管等三種血管的結構特點，以幫助學生梳理三種血管之間的聯系與不同點；講解結束后，根據板書對實驗知識進行總結，幫助學生建構知識框架，提高學生對知識的吸收率；最后，發放實驗測試習題，檢測學生的知識掌握情況。

【設計意圖】教學過程可以及時給予學生學習反饋，通過教師系統的講解，學生可以驗證自己對問題的回答是否正確，以及習得的知識是否全面系統，進而建構系統的知識框架。實驗測試習題可以幫助學生查漏補缺，鞏固習得的實驗知識。同時，教師可以通過測試了解學生的學習情況，以便對后續的教學設計進行優化。

本次教學板書設計和流程如圖3、圖4所示。

4" 教學反思及建議

4.1" 教學反思

本次教學所使用的虛擬仿真實驗可以解決實驗中小魚好動對實驗觀察所帶來的干擾問題，簡化對顯微鏡的粗準焦螺旋和細準焦螺旋的調節，能更加直觀地呈現實驗現象，從總體上降低實驗難度，使實驗更易開展。結合探究性學習的教學方法，極大地提高了學生學習的積極性。組織學生對實驗中存在的疑問進行討論，可以有效提高學生的合作交流能力，為培養學生的科學探究能力筑牢基礎。

盡管虛擬仿真實驗具有強大的功能優勢和教學應用價值，但是并不意味著虛擬仿真實驗可以完全代替傳統的生物實驗，也并非所有類型的生物實驗都適合采用虛擬仿真實驗的方式開展[3]。

4.2" 教學建議

結合生物實驗教學現狀對虛擬仿真實驗在生物實驗教學中的應用提出以下三點建議。

4.2.1" 以虛補實，適用為宜

教學過程的設計并非教學內容和教學工具的簡單堆砌，而是基于教學內容、學生身心發展規律和教學工具優勢所構建的有機組合。初中生物實驗一般分為觀察類實驗、操作類實驗和探究類實驗等三種類型，并非所有類型的生物實驗都適合使用虛擬仿真實驗開展教學。因此，生物教師要結合實驗內容和學生實驗水平做適應性分析，有選擇性地采用虛擬仿真實驗開展實驗教學：對于具備開展條件的實驗，盡量做真實性實驗，尤其是操作類實驗要盡可能在真實環境中開展實驗教學[4]；對于實驗周期較長、實驗現象不易觀察的探究類和觀察類實驗（如綠葉在光下產生淀粉、乙醇對水蚤心率的影響等實驗），教師可以采用虛擬仿真實驗開展實驗教學，從而縮短實驗周期，增強實驗現象的可觀察性，有效提高實驗教學效率。

4.2.2" 虛實結合，優勢互補

虛擬仿真實驗具有避免實驗潛在危險和實驗可重復操作等優勢，且不受時間、空間和實驗資源的限制。因此，生物教師要著重發揮虛擬仿真實驗的優勢，以虛補實，對于操作難度較大、涉及酒精燈和酸堿試劑等危險性材料使用以及知識點和難點較多的實驗（如光合作用產生氧氣、種子在萌發過程中產生二氧化碳等實驗），可以采用先虛后實的方法開展實驗教學，使學生通過虛擬仿真實驗進行實驗預習，在了解實驗目的、器材、步驟和注意事項等實驗相關知識后，再開展真實實驗，能在一定程度上降低實驗安全風險，為學生掌握正確的實驗操作技能奠定基礎[5]。此外，虛擬仿真實驗還可以作為學生的復習輔助工具，實驗課后，學生可以利用虛擬仿真實驗進行多次模擬操作，回顧實驗知識，將短期記憶轉為長期記憶。

4.2.3" 以虛輔教，主次分明

虛擬仿真實驗是教師進行實驗教學的輔助工具，而非教學的內容，教師使用虛擬仿真實驗開展實驗教學時要避免本末倒置。這就要求教師結合實驗內容和班級學生的特點有計劃、有目的地使用虛擬仿真實驗開展實驗教學。對于哪個教學環節需要使用，使用的程度如何等問題，教師要做到心中有數，避免虛擬仿真實驗過度吸引學生注意力等情況發生。教師要時刻牢記自己是教的主體，切勿使虛擬仿真實驗成為教的主體，導致自己淪為課堂紀律的管理者，弱化自己作為引導者的作用。

5" 結束語

虛擬仿真實驗的使用與否要綜合考慮實驗內容和學生身心發展規律等方面情況，其如何有效地融入初中生物實驗教學還需要進一步的研究和探索，基于虛擬仿真實驗所設計的教學模式也需要不斷接受教學實踐的檢驗和改進。教師應科學使用虛擬仿真實驗改善當下傳統生物實驗教學狀況，拓展實驗開展渠道，提高實驗教學效率，以推動初中生物教學改革。

6" 參考文獻

[1] 張寧娟，王新波，張志勇.當代中學生的認知特點及其對思政課改革的啟示[J].課程·教材·教法，2022，42（2）：35-41.

[2] 張曉紅，國佳欣.虛擬仿真3D動態模型在高中生物教學中的應用探索[J].教學與管理，2022（36）：86-89.

[3] 張亞琴，張穎，張偉，等.虛擬仿真在生物化學實驗教學中的應用與探討[J].基礎醫學教育，2024，26（1）：70-75.

[4] 徐廣會.虛擬實驗在初中物理電學復習課中的融合應用[J].中小學數字化教學，2022（3）：62-65.

[5] 張淑紅，馬靜雯，武秋穎，等.高校生物化學虛擬仿真實驗教學的實踐和應用[J].唐山師范學院學報，2023，45（6）：122-125.