虚拟实验室在生物实验教学中的应用

【摘要】虚拟实验室仿真学习环境有助于缓解实验资源与教学需求之间的矛盾，解决学生多，实验设备少，锻炼机会少等问题。本文重点介绍虚拟实验室在教学中的应用、虚拟实验室融入生物实验教学的方法以及虚拟实验室效果的评价。

【关键词】实验教学 生物实验 虚拟实验室

【基金项目】广州市教育局2016年青少年科技教育项目“玻璃温室种植有机蔬菜”科技实践活动。

【中图分类号】G633.91 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2016）24-0105-02

生物是一门十分注重实验的学科，除了要求学生掌握扎实的基础理论知识，更要把实验和理论结合，培养学生的观察力、思维力和动手能力（林凤屏等，2016）。但实际的教学过程中由于实验课时、试剂、仪器设备价格昂贵等条件的限制，许多实验无法开设，学生对一些理论知识的掌握理解得不透彻。虚拟实验室是指由网络技术、计算机技术、虚拟现实技术等生成的一类适于进行虚拟实验的软件，包括实验环境、仪器设备、实验对象以及实验资源等内容（叶步伟， 马德俊， 2016；）。生物实验教学中引入虚拟仿真实验技术，将器材、试剂等实验室元素生成一种特殊的立体环境，不仅加深了学生对实验原理和实验方法的感性认识，而且提高了学生的学习兴趣，培养了学生学习兴趣、创造力及丰富的想象力，弥补了传统实验教学中的缺点同时弥补传统化学实验的不足，减少实验室废弃物排放对环境的污染和节省学校的实验经费（王伟和陈辉2007；蔡丁友，2013）。

1.虚拟实验室在教学中的应用（Potkonjak et al.， 2016）

与实体实验室不同，虚拟实验室可以使学生提前熟悉了解实验原理、掌握实验过程和操作步骤、了解实验过程中可能出现的问题和解决方法（李彩虹等2013；张丽娟等2015），因此在应用于实验教学中必然具有不同的特点，如何利用虚拟实验室开展实验教学至关重要。

1.1虚拟实验室可以开设更多实验项目。传统实验室由于仪器设备、实验课时和场地等诸多因素的限制，许多实验项目无法开设。在虚拟实验室里，仪器即软件，可以根据需要随意开发。由于仪器缺乏无法开设的实验项目，可利用虚拟实验室进行仿真，同样能达到学生对相关知识的掌握。有了虚拟实验室，学生实验不受时间和空间的限制，能够更自由地依据个人的时间、学习进度和掌握程度进行自主安排实验，增强了学生自主学习能力，加大了实验的灵活性。

1.2虚拟实验室提高了学生对实体实验室的利用率。学生进入开放实验室之前，首先利用虚拟实验室进行实验设计、分析和验证，熟悉仪器设备的使用等，在进入开放实验室后才会有目的的进行实验。学生可以利用虚拟实验室的一些辅助功能进行实验预约，提交电子实验报告，还可以和实验指导教师进行在线互动。将虚拟实验室和开放实验室有机结合在一起，可以调动学生主动学习的兴趣，提高实验室的利用率和实验效率。

1.3虚拟实验室应用于学生创新能力的培养。利用虚拟实验室，可以对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行模拟，通过虚拟系统便可直观地观察到这一假设所产生的结果或效果。例如，利用虚拟技术，学生还可以进行温室效应等方面探索性的学习，从而研究出二氧化碳对全球气候的影响规律。因此，利用虚拟实验室进行探索学习，有利于激发学生的创造性思维，培养学生的创新能力。

2.虚拟实验室融入生物实验教学的方法

在生物学实验教学中，选择适合于教材内容和学生认知特点的实验方法是至关重要的。从生物学实验的内容来看，主要有形态解剖实验、分类实验和生理实验三种。从实验的类型上划分，可分为学生分组实验、教师演示实验和实习三种，而其中学生分组实验所占的比例最大。根据生物学实验教学内容的特点，可将学生分组实验分为验证式实验、同步式实验和探索式实验三种类型。

2.1 虚拟实验室在验证式实验课教学中的应用

验证式实验是形态和现象的观察为主，例如： “观察根尖的结构”、“观察叶片的结构”等实验，这类实验所需要的基础知识多、观察操作要求高、实验的内容比较复杂。将实验的各个操作步骤、关键点等制成不同的环节，学生在虚拟操作中通过选择来完成实验的虚拟操作。其基本的程序是：学生运用虚拟实验室软件进行预习和复习→学生动手实验→验证知识。

2.2 虚拟实验室在同步式实验课教学中的应用

这类实验课讲课与实验操作同步或交替进行，它一般编排在有关课文之中或之后，所需的基础知识较多，并且实验的内容与讲述的理论知识关系相当密切，学生需要通过实验获得一定的感性认识之后，才能将观察结果上升为理性认识。如：“观察种子的结构”、“观察叶芽的构造”、“观察花的结构”、“观察水螅”、“观察蚯蚓”、“解剖青蛙”和“解剖鲫鱼”等。

因此，此类实验课教学程序的设计以及教学内容的合理组织尤为重要，是实验课成败的关键。首先，教师应精心设计好本节课的教程，做到手段多样而不繁琐，内容丰富而不杂乱，即：通过虚拟实验室将实验的观察、操作等环节给学生演示，穿插于讲述、理解、思考与总结之中，并力求两者衔接自然而合理，做到教学思路清晰，知识脉络一目了然，符合初中学生从感性到理性的认知规律。

2.3 虚拟实验室在探索式实验课教学中的应用

探索式实验能充分体现启发式教学思想，是实践论在教学中的实际体现，它充分利用学生对新奇事物进行探索、调查、研究的心理，由教师向学生提出课题和实验方法，学生积极主动地去操作、观察、思考和得出结论。这类实验一般编排于相关课文之前，所需要的基础知识不多，实验方法通过学生自己阅读就能掌握，如：“绿叶在光下制造淀粉”和“脊蛙反射实验”。其教学程序是：虚拟实验室预习实验→实体实验室正式实验→讨论分析→获得结论。通过虚拟实验室预习实验，让学生对将要操作的实验有充分的了解，提高实际操作中的实验效率，对实际结果与设计的实验结果有出入的，可引导学生对结果进行讨论，了解实验结果的各种影响因素（蔡丁友， 2013）。在探讨对实验结果影响的因素过程中，有可能积累一些以往忽略了的问题，将这些问题反馈于虚拟仿真实验的设计之中，可使其设计逐步得到完善。

总之，虚拟仿真实验在生物学实验中的应用可以主要分为2个步骤。第一步可将各个实验的从实验准备开始、依次将实验操作的各个步骤做成虚拟演示实验。这部分可作为实验教学实践中的补充，学生可根据需要调取演示实验自主学习，然后再运用于实际操作中。第二部是将验证性试验、形态和现象的观察结合起来制成虚拟仿真实验。将实验的各个操作步骤、关键点等制成不同的环节，学生在虚拟操作中同过选择来完成实验的虚拟操作，形态和现象的观察作为实验结果以图像的方式自动生成，最后学生选择实验的结论。总之，将虚拟实验室融入课堂可以通过在课堂教学实际的展示以及课后让学生进行自主学习的方式。

3.虚拟实验室实验效果的评价

虚拟实验室采用的拟物化设计，更好地将实验室仪器进行虚拟化，从而模拟真实实验的过程，在操作过程中也同样遵循实际实验的流程与步骤，重点是注意实验的细节。虚拟仿真实验的应用前景要依靠其在实际应用中的效果来决定，教学实践的虚拟仿真实验效果的评价指标应该主要是看教学效果和实验效果。教学效果的观察可用随机对照实验进行观察，将学生进行随机分组，设为运用虚拟仿真实验组和不运用虚拟仿真实验组进行对比观察，设计各种指标进行对比。实验效果的评价可根据虚拟实验与实际实验的相关性来判断。唐富山等（2015）研究发现开展虚拟实验教学后，学生实验成绩和理论考试成绩与以往年级相比，均有不同幅度的提高。刘慧萍等（2014）通过问卷调査发现学生对虚拟仿真实验容易接受，也喜欢这种新的教学手段。

参考文献：

[1]蔡丁友. 优课虚拟仿真实验室在化学实验教学中的应用[J].教育信息技术， 2013 （ 6 ）：13-15

[2]李彩虹，丁航， 邱文峰等.虚拟现实技术在医学生物化学实验教学中的应用策略研究[J].中国教育技术装备，2013（6）：126-127

[3]刘慧萍， 张国民， 阳力争等. 基于虚拟仿真实验技术的生化实验教学初探[J].中国中医药现代远程教育， 2014，12（14）：85-87

[4]林凤屏， 黄飞， 陈必链. 虚拟实验室在生物教学中的应用与研究[J].实验室科学， 2016， 19 （2）：152-158

[5]唐富山，原凌燕，刘爱东等.虚拟实验教学在生物药剂学与药物动力学教学中的应用[J].卫生职业教育，2015， 33 （15）：41-42

[6]王伟， 陈辉.虚拟现实在医学教育中的应用[J].中国教育信息化，2007（3）：79-81

[7]叶步伟， 马德俊.虚拟实验技术及其在远程教育当中的应用[J]. 继续教育研究，2011（6）

[8]张丽娟，古同男.虚拟网络实验室带动生物化学教学模式改革[J].实验室研究与探索， 2015 （5）：192-194

[9]Potkonjak V.， Gardner M.， Callaghan V et al. Virtual laboratories for education in science， technology， and engineering： A review [J]. Computers & Education， 2016 （95）：309-327

作者简介：

李丹（1981.09—），山东省定陶县人，博士研究生，研究方向生物学教育。