高中生物教学中的虚拟实验

李涛　黄彩霞　赵浩斌

摘要 虚拟实验室是通过虚拟实验平台创建的一个虚拟仿真的学习环境，解决传统实验的难题。为高中生物实验教学开发一种新的教学模式和教学手段。虚拟实验具有吸引力强、效率高、精确、快速便捷等优势。但是。要更好地运用虚拟实验技术，面临对教师要求的提高、把握适度原则等新的挑战。教学一线教师以及技术人员要不断提升自身的能力，更要深入了解教学内容与对象。使技术与知识深度融合，使新技术更好地为教学服务。

关键词 虚拟实验 高中生物实验 教学模式 应用

虚拟实验（Virtual experiment）近年来被广泛应用于物理、化学等学科教学中，对实验教学模式及学生学习方式产生了很大的影响。众所周知，生物是一门以实验为基础、以培养学生的生物科学素养为目的的学科。在传统的高中实验教学中，由于受到一定条件的限制，比如学校实验器材短缺、实验课时间不充足、缺乏专门的实验室教师等，使得很多学校的生物实验课不能满足学生的兴趣需求，开出率不高，最终很难达到预期的教学目标。而虚拟实验教学能够克服传统实验教学的不足，使中学生物实验教学有效进行。

一、虚拟实验及其研究与应用的现状

通俗地说，虚拟实验就是运用计算机系统中的虚拟现实技术（VR），创设一个信息化、网络化的集成环境。在这种虚拟的实验环境中，实验器具和材料都是对真实器具的高度虚拟仿真，通过鼠标或操作杆对仿真的实验材料进行模拟操作，呈现出虚拟的实验过程，最后产生相对应的实验结果。美国是最先研究虚拟实验系统和虚拟实验室的国家，通过为中学生提供多个有关的表征现象或明确指令，帮助其建立从分子水平到可观测水平的联系，增强对概念的理解。

目前，我国在部分重点高校建立了一批虚拟实验室，并且已经取得了不错的成绩。如，华中师范大学生命科学学院于2016年3月成功获批“生物学国家级虚拟仿真实验教学中心”。虚拟实验室在中小学教学中的应用还很少，只有少数学校拥有虚拟教学设备或条件，如北京第65中学、汇文中学和培新小学。

二、虚拟实验在高中生物教学中的应用

高中阶段学生的思维已经发展到较高水平，自主学习能力也较强。但是，高一学生对实验课的新鲜感很强、注意力很难集中，对较抽象物质的变化理解较困难。下面将结合具体实验内容，主要针对传统实验存在的困难，阐述虚拟实验教学模式（图1）的应用。

1.传统实验模式遇到的问题

在实验前，许多学生的注意力大多停留在桌上的实验材料和试剂上，没有预习也不认真听老师的讲解。结果，实验过程中，学生不知道从何做起，乱操作或者不操作，最终致使学生动手操作的有效性降低，小组之间的合作程度也减小。学生们取试剂和材料的时候往往挤成一团，教师又要去各组指导，有的学生就会趁机捣乱，破坏课堂秩序，严重影响教学效果。

传统实验难以满足对实验材料的严格要求，加重了教师的负担。如，“观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”实验的关键首先是3-4天根尖的培养。这些准备工作学生很少有时间去完成，只能由教师来准备。如果没有专门的实验老师，无疑会加重任课教师的负担。而且，实验的最佳时间是10am至2pm，此时根尖细胞分裂最旺盛。但是，由于学校实际条件的限制，全年级学生统一在这段时间上实验课不太现实，分开做就会使得其他时间段的学生难以观察到良好的效果。

实验技术既是重点也是难点，但在传统实验中，学生往往难以掌握。例如，在做花生切片检测脂肪实验时，老师在试验台示范花生切片技巧，学生很难观察到动作细节，常常导致学生制作的花生切片太厚，普遍不能观察到预期的现象。

2.运用虚拟实验教学的优势

虚拟实验通过电脑终端将动态的实验展现在学生面前，对学生的注意力是一种很强的吸引。当学生进入系统后，不需要教师讲解，自己在电脑上学习实验原理、步骤。开始实验后，学生先自己思考然后选择。如果学生不会，系统会自动提示有关操作的正确做法或下一步实验操作。学生以小组为单位共用一台电脑，可以明确具体分工。比如学生A负责选择材料，学生B负责配置试剂，学生c来进行操作，小组成员共同完成，很好地培养了合作精神。而且虚拟实验系统会放大实验操作的细节并配合讲解，比如，学生可以全方位观察到切片动作的技巧，然后在实际中进行练习，成功率大大提高。在“观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”实验中，虚拟实验可以克服学生由于时间控制不当而产生的误差；压片时，学生施加的压力可通过压力感受器传输到系统，系统会显示此时压力是过大或过小，通过三维动画显示压力作用于根尖细胞时发生的变化。这样，学生可以在头脑中形成一种画面感，在实际操作时控制好力度。

总的来说，虚拟实验系统中的材料都是对现实材料的高度仿真，既可以解决实验对材料高要求的问题，还可以节省大量的时间，减轻教师压力，使教师能够专心巡视各组学习情况和给予辅导，更好地维持课堂秩序。在虚拟实验中，学生必须对每一步实验都熟悉掌握，才能进行下一步。通过这种类似强制性的引导方式，学生会产生一种游戏感，能够最大限度地激起求知欲，使学生在愉快的学习氛围中掌握知识。

三、应用虚拟实验教学面临的挑战

当今社会需要的是技术、知识、教学三位一体型（Technological Pedagogical Content Knowledge，TPACK）的新型教师，这使得教师面临着更大的挑战。虽然现在教育处于信息技术发达的年代，但是我们绝对不能做技术的奴隶。技术最终应该是恰当地融入教学之中，虚拟实验如何与教学完美结合，在教学的哪一个知识点、环节运用能取得最大化效果而又不失去与现实生活的联系，需要我们新型教师在透彻理解教学目标的前提下深人思考。在教学中引入VR技术，要想取得最优化的效果，除了其自身具有的良好交互性、灵活多样性以外，关键还在于如何选择合适的内容、如何选准技术与课程的结合点以及在教学的哪个节点实施。最后，现在虚拟实验还处于试验阶段，实验后进行评价显得更为必要。在结束实验后，教师要通过有计划、有针对性的测评，检测学生学习的改善程度和教学目标的实现程度，从而间接反映虚拟实验在提高学生学习、辅助教师教学方面是否发挥了积极作用，也能够及时反映出虚拟实验在教学中存在的实际问题，促使教师和技术部门进行及时的沟通并不断完善。

我们可以看到，虚拟实验在中学生物实验教学中的应用蕴藏着巨大的潜力，其验证性、仿真性和交互性的实验教学模式是我们教学改革一直努力的方向，是课程发展的新趋势。虚拟实验开放式的实验模式赋予了学生更大的自由选择空间，最大限度地保障学生的实验兴趣，加深对课堂所学内容的理解，减少对于传统课堂教学计划的冲击。面对虚拟实验带来的挑战，我们要积极采取应对措施，如优选实验内容和实验教学安排、完善开放式实验教学设计、有效进行实验教学指导、构建起完整一体化的实验教學体系等。这些是我们实验教学工作者以及技术开发人员下一个共同努力的目标！

[责任编辑 郑雪凌]