高中生物學(xué)虛擬實驗應(yīng)用策略研究

0 引言

科學(xué)實驗在中學(xué)教學(xué)有極其重要的作用。受地域、成本、教學(xué)時間和安全性等因素影響，傳統(tǒng)實驗中的很多實操實驗無法開展。《普通高中生物學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》明確指出，可以利用電子設(shè)備設(shè)計、完成模擬性實驗；有條件的學(xué)校還可以充分利用多媒體、互聯(lián)網(wǎng)及無線通信技術(shù)進行虛擬實驗[1]。虛擬實驗具有虛擬性、安全性、開放性、高效性、靈活性等特點，是實操實驗的有效補充。通過討論虛擬實驗在高中生物學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用策略，為中學(xué)生物教師的實驗教學(xué)設(shè)計提供參考，以提升他們的實驗教學(xué)能力。

1虛擬實驗的內(nèi)涵

虛擬實驗借助多媒體、仿真和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)，在計算機上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)的操作環(huán)境，讓實驗者可以模擬真實的環(huán)境完成各種實驗項目。虛擬實驗具有虛擬性、安全性、開放性、高效性等特點。

教學(xué)中的虛擬實驗指按照課程標準和教學(xué)實踐的要求，以信息技術(shù)為基礎(chǔ)，將計算機作為載體，構(gòu)建虛擬實驗空間，對實驗器具、實驗步驟和結(jié)果等進行模擬和仿真。虛擬實驗的動態(tài)性能夠充分調(diào)動學(xué)生的眼、耳、手等器官，獲得直觀形象的場景，從而獲取更多信息，提高思維能力和理解能力。

2虛擬實驗應(yīng)用于實驗教學(xué)的意義

2.1提升學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)

實驗教學(xué)是生物學(xué)課程的基本形式之一，是促使學(xué)生達成生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要支撐。基于計算機技術(shù)的虛擬實驗極大豐富了學(xué)生的信息資源和學(xué)習(xí)方式，為學(xué)生主動參與和深入思考提供多樣化的素材和場景。虛擬實驗的使用可以加深學(xué)生對實驗原理的理解、強化學(xué)生對實驗過程的熟悉、升華學(xué)生對實驗結(jié)果的反饋與評價，從而提高學(xué)習(xí)生物學(xué)的興趣，利用所學(xué)的生物學(xué)觀點和理念去解決問題，達成生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、社會責任等生物學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)目標。

2.2 推動教師專業(yè)發(fā)展

虛擬實驗的使用可以豐富教師的實驗資源庫，幫助教師解決真實實驗操作中遇到的實際問題，為教師實驗教學(xué)提供參考。在參與虛擬實驗教學(xué)的過程中，教師可以根據(jù)虛實結(jié)合的實驗教學(xué)規(guī)律，探索虛擬實驗的使用方法和策略，提升實驗教學(xué)技能。此外，教師在將信息技術(shù)與生物學(xué)實驗教學(xué)相結(jié)合的同時，認識到技術(shù)發(fā)展的日新月異，從而樹立終身學(xué)習(xí)的理念，推動自身專業(yè)發(fā)展。

3高中生物學(xué)虛擬實驗應(yīng)用策略

3.1虛擬實驗的使用來源

3.1.1網(wǎng)絡(luò)共享虛擬實驗教學(xué)項目

自教育部開展國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心建設(shè)工作以來，截至2024年，我國已有百余家國家級虛擬仿真實驗教學(xué)中心、千余個虛擬實驗教學(xué)項目。教師可以充分利用虛擬實驗教學(xué)項目中的學(xué)科資源，推進實驗教學(xué)以促進學(xué)生知識的拓展、能力的提升和視野的開闊。常見虛擬實驗網(wǎng)絡(luò)資源如表1所示。

例如，人教版高中生物學(xué)必修1《分子與細胞》第3章第2節(jié)“細胞器之間的分工合作”可以充分利用基礎(chǔ)教育VR資源云平臺中的教學(xué)資源。該資源內(nèi)容首先從細胞整體結(jié)構(gòu)中感知細胞器的位置、大小、數(shù)量等信息，同時利用空間旋轉(zhuǎn)畫面，讓細胞“動”起來，讓學(xué)生感受“生”物的存在，進而具體感受細胞中各細胞器的大小比例、數(shù)量和空間位置關(guān)系。然后利用虛擬技術(shù)將細胞器“解剖”為剖面結(jié)構(gòu)，讓學(xué)生親自體驗“解剖”細胞的過程。這一環(huán)節(jié)可以讓學(xué)生深入理解細胞器結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的觀點。在實操實驗界面，學(xué)生可以親自體驗科學(xué)家探究DNA是遺傳物質(zhì)的實驗過程。通過對小鼠注射R型和S型細菌，觀察培養(yǎng)基表面菌落的情況體會轉(zhuǎn)化因子的存在，再通過體外轉(zhuǎn)化實驗感受艾弗里追尋遺傳物質(zhì)的歷程。該過程不僅讓學(xué)生體驗科學(xué)家的探究過程，更增強了學(xué)生的科學(xué)探究能力，提升了他們的生物學(xué)核心素養(yǎng)。

3.1.2校企合作開發(fā)虛擬實驗教學(xué)項目

虛擬實驗的構(gòu)建需要借助計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)。學(xué)校在不具備條件的情況下，可以與公司建立合作關(guān)系，開發(fā)出適合教師自身教學(xué)的實驗項目。目前虛擬技術(shù)開發(fā)公司較多，如江西科駿實業(yè)有限公司、河南幻境教育科技有限公司、深圳市中視典數(shù)字科技有限公司、深圳市瑞立視多媒體科技有限公司、北京歐倍爾軟件技術(shù)開發(fā)有限公司等，均可以與其交流合作。根據(jù)實驗教學(xué)目的、操作流程、實驗結(jié)果和實驗評價等內(nèi)容，并結(jié)合學(xué)校條件，開發(fā)出適合實驗教學(xué)的虛擬實驗教學(xué)項目，將更加有利于學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展，針對性地培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力和科學(xué)思維。

例如，江西教師與江西科駿實業(yè)有限公司合作開發(fā)出的基于zSpace的VR/AR3D模型的虛擬實驗教學(xué)項目用于生物實驗教學(xué)取得了良好效果[2]。各中學(xué)學(xué)校應(yīng)積極重視信息化教學(xué)，加強校企合作，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和教師的教育教學(xué)能力，從而促進學(xué)校長遠發(fā)展。

3.1.3 教師自主研究開發(fā)虛擬實驗教學(xué)項目

目前常見的虛擬實驗軟件，主要有Unity3D、Virtools、Java、Godot引擎軟件、Authorware、VRML、AdobeFlash等。Unity3D是實時3D互動內(nèi)容創(chuàng)作和運營平臺，在建筑設(shè)計、影視制作、游戲開發(fā)、教育等行業(yè)領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。Virtools可以整合圖片、影音等文件。Java是一種編程語言，被特意設(shè)計用于互聯(lián)網(wǎng)的分布式環(huán)境。它具有類似于 C++ 語言的“形式和感覺”，但比 C++ 語言更易于使用。Godot是一款可以制作2D和3D游戲的軟件，支持動畫功能。Authorware被用于創(chuàng)建互動程序，可以整合聲音、文本、圖形、簡單動畫和數(shù)字電影。VRML即虛擬現(xiàn)實建模語言，是一種用于建立真實世界的場景模型或人們虛構(gòu)的三維世界的場景建模語言，具有平臺無關(guān)性。AdobeFlash用于設(shè)計和編輯Flash文檔，是二維動畫軟件。

例如，華中師范大學(xué)研究團隊選用Godot引擎作為開發(fā)軟件，采用2D嵌入3D的方式呈現(xiàn)實驗教學(xué)項目，充實在線實驗教學(xué)資源，培養(yǎng)學(xué)生實驗技能[3]。教師可以根據(jù)自身情況選擇適合自己的虛擬實驗平臺開發(fā)虛擬實驗教學(xué)項目，以促進實驗教學(xué)的開展和自身能力的提升。

3.2 虛擬實驗的適用條件

《普通高中生物學(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》中必修模塊的教學(xué)活動或?qū)嶒灩?9個，選擇性必修模塊的教學(xué)活動或?qū)嶒灩?4個。其中課程標準明確表示運用軟件進行虛擬PCR 實驗[1]。現(xiàn)將實操實驗中無法達到理想實驗效果且可以利用虛擬實驗輔助的實驗分類總結(jié)如下。

3.2.1 實驗現(xiàn)象不明顯

高中生物學(xué)教材中部分實驗現(xiàn)象并不明顯，即使改變實驗材料或者實驗試劑的種類和用量仍然不能達到良好的實驗效果。例如，DNA的粗提取與鑒定。在利用香蕉提取DNA時，即使香蕉研磨充分，提取液與二苯胺反應(yīng)冷卻后，藍色現(xiàn)象依舊不明顯，即便在冰箱靜置較長時間仍然達不到理想效果。虛擬實驗不但可以節(jié)省操作時間，而且可以讓學(xué)生觀察到明顯的實驗現(xiàn)象，對學(xué)生理解實驗原理，提升實驗現(xiàn)象的直觀性有重要的意義。

3.2.2實驗成本昂貴

人教版高中生物學(xué)教材中很多實驗用到的實驗儀器昂貴、實驗試劑有毒不易購買且需要在微觀分子水平操作。比如PCR擴增實驗、菊花的組織培養(yǎng)、胚胎移植、基因工程中基因表達載體的構(gòu)建、顯微注射等操作，常規(guī)實驗室根本無法滿足這些技術(shù)的需求，尤其是微觀層面的實驗內(nèi)容，即使在高校也需要配備專門的實驗室和實驗管理人員。虛擬實驗的開發(fā)可以讓學(xué)生真正利用“分子手術(shù)刀”將基因切開，構(gòu)建所需的“分子運輸車”。借助虛擬實驗平臺學(xué)生可以真實操作“去核”，制備克隆動物，真實體驗科學(xué)家的實驗操作。虛擬實驗不但大大降低實驗成本，而且可以重復(fù)操作，加強學(xué)生對知識的理解，突破他們實操的障礙，提高其實驗興趣。

3.2.3 實驗周期長

高中生物學(xué)實驗教學(xué)中部分實驗用時較長，少則幾天，多則一周，甚至幾個月，如培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化、探究土壤微生物的分解作用、酵母菌的純培養(yǎng)、果醋和果酒的制作、泡菜的制作、土壤中分解尿素的細菌分離與計數(shù)等。探究土壤微生物的分解作用實驗中教材明確說明一般在溫暖濕潤的環(huán)境中需要一至數(shù)月[4]。高中學(xué)習(xí)任務(wù)繁重，無法留出充裕的時間進行實驗，這不利于學(xué)生知識的掌握，實驗技能的提升。利用虛擬實驗可以將實驗中的部分操作環(huán)節(jié)所需要的時間大大縮短，將周期較長的實驗在 1～2 課時內(nèi)完成，大大提高了實驗教學(xué)效率。

3.2.4 實驗安全性低

高中生物學(xué)教材中部分實驗用到的實驗器具或?qū)嶒炘噭┌踩缘汀Ｊ懿僮鞑簧鳌嶒炂骶摺h(huán)境因素等影響，可能會對操作者本人、實驗器具或環(huán)境造成損失。例如，強酸強堿有強腐蝕性、DNA染料有致癌性、部分有機溶劑有強揮發(fā)性、高壓蒸汽滅菌鍋壓力較高、酒精燈使用不當存在危險等，且這部分實驗產(chǎn)生的廢棄物會對環(huán)境造成污染，需要進行專業(yè)處理。而利用虛擬實驗完成DNA片段的擴增和電泳鑒定，不但大大縮短了實驗時間，而且減少了DNA染料的使用，提高實驗教學(xué)的效率和安全性。利用虛擬實驗指導(dǎo)學(xué)生完成微生物的培養(yǎng)、分離等操作可以縮短教學(xué)時長，且對環(huán)境無任何污染。

除以上情況外，高中生物學(xué)教材中還有調(diào)查、模擬、搜集分析等類型的實踐形式，在教學(xué)過程中根據(jù)實踐活動的具體內(nèi)容并結(jié)合虛擬實驗的優(yōu)點，可以選擇利用虛擬實驗開展教學(xué)。

3.3 虛擬實驗的應(yīng)用路徑

3.3.1代替實操實驗

對于高中生物學(xué)教材中受到時間和空間限制、周期較長、實驗儀器昂貴、實驗試劑有毒且不易購買等條件限制的實驗，或者實操實驗中無法定量的實驗，可以用虛擬實驗代替，完成實驗教學(xué)的目標和任務(wù)，如探究土壤微生物的分解作用、土壤中分解尿素細菌的分離與計數(shù)、DNA片段的擴增與電泳鑒定、菊花的組織培養(yǎng)、胚胎移植等。測定酶活性的實驗中，可以利用虛擬實驗生成酶活性的曲線，進行定量測定，提高學(xué)生的實驗素養(yǎng)水平。利用虛擬實驗還可以將DNA的提取與鑒定、PCR擴增和DNA的電泳鑒定三個實驗相融合，讓學(xué)生體會分子實驗的系統(tǒng)性與連貫性，體驗科學(xué)家的科研過程，進而增強學(xué)生的科學(xué)研究能力。

3.3.2 實驗教學(xué)的拓展延伸

學(xué)生在學(xué)習(xí)知識和實驗操作過程中，會產(chǎn)生新的問題、提出新的想法。有些問題或?qū)嶒炘O(shè)計在實操過程中是無法滿足實驗需求的，這種情況下，可以利用虛擬實驗開發(fā)設(shè)計以滿足實驗教學(xué)的要求。此外，虛擬實驗還可以模擬實驗中的危險操作或錯誤操作，讓學(xué)生親眼觀察非正常操作的后果，以增強學(xué)生對知識的理解和規(guī)范操作實驗的意識。例如，在完成土壤中分解尿素的細菌分離與計數(shù)實驗時，利用虛擬實驗觀察土壤中其他細菌、霉菌和放線菌等微生物，可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和觀察能力。

3.3.3虛擬實驗與實操實驗相結(jié)合

虛擬實驗具備虛擬性、安全性、開放性、高效性、靈活性等特點，可以模擬實操實驗無法完成的操作，但虛擬實驗并不能完全代替實操實驗。若實操實驗效果較差，虛擬實驗可以作為補充，但當虛擬實驗不能滿足學(xué)生實驗思維能力的提高時，應(yīng)該實施實操實驗。虛擬實驗與實操實驗應(yīng)相互補充，共同促進學(xué)生的實驗素養(yǎng)提升。

1）先實操后虛擬。對于演示實驗，可以采取先實操后虛擬的方式。教師在演示實驗時，可能因為學(xué)生知識儲備不足無法理解，或者實驗結(jié)果不明顯學(xué)生無法感知，導(dǎo)致學(xué)生只能被動接受知識。因此演示實驗結(jié)束后，學(xué)生利用虛擬實驗再次感受實驗過程，彌補教師演示的不足，增強記憶效果。例如，在學(xué)習(xí)“酶的高效性”實驗時，教師可以利用過氧化氫滴加土豆的操作進行演示，學(xué)生可以利用虛擬實驗?zāi)７虏僮鬟^氧化氫滴入損傷的皮膚觀察現(xiàn)象，從而保證學(xué)生的人身安全。

2）先虛擬后實操。對于驗證性實驗，可以采取先虛擬后實操的方式。教師在實驗結(jié)果已知的情況下講解實驗，學(xué)生不能有效參與實驗活動。這種情況下，教師可以利用虛擬實驗幫助學(xué)生掌握實驗的基本原理，學(xué)生完成實驗設(shè)計后在虛擬實驗平臺上進行虛擬操作，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。最后，再利用實操演示實驗鞏固學(xué)生學(xué)習(xí)的知識。例如，驗證酶的專一性實驗，采用虛擬實驗不但可以讓學(xué)生進行多角度實驗設(shè)計，觀察到明顯的實驗效果，還能縮短實驗時間，節(jié)省實驗成本。

4結(jié)束語

虛擬實驗教學(xué)是建構(gòu)主義理論、微型學(xué)習(xí)理論和虛擬現(xiàn)實理論在高中生物學(xué)實驗教學(xué)中的實踐形式。生物學(xué)是以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，實驗教學(xué)是其重要組成部分。將虛擬實驗應(yīng)用于生物學(xué)實驗

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