基于虚拟实验技术的新课改背景下生物实验教学的有效途径

【摘要】新课改不断深化的背景下，要求学生具有自主探究能力与高阶思维能力。相关研究表明，利用数字信息技术可以构建合适的实验环境从而激发学生的学习兴趣，提高学习效率，并在现实的实践教学中得到了印证。随着计算机网络技术和虚拟现实技术的不断发展，虚拟实验越来越多地被应用到生物实验的教学中，既可以把抽象知识具体化，促进学生学习方式多样性，还能为学生提供一个更加生动有趣的学习环境，提高学习主动性。本文对高中生物实验教学中，虚拟实验的优势以及设计策略做了简要说明，并给出了相关的案例分析，相信其在未来的生物教学工具中具有十分重要的地位。

【关键词】虚拟实验技术  新课改  高中生物  教学实践

【中图分类号】G633.91 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2020）23-0040-02

在新课改环境下，教师不再是既定教学规则的执行者，而是教育教学的决策者。这就要求教师要及时更新教育观念，推动学生由被动的、接受性的学习向主动的、探究性的学习转变，引导学生自主发展、自我选择。数字信息技术的发展，不仅更新了教育技术，更促进了教学结构模式的改进[1]，在教育部颁布的《普通高中生物学课程标准（2017年版）》中更是明确提出要加强和完善生物教学，充分利用多媒体、互联网及无线通信技术打破学生的思维束缚，实现学生的主动探究性学习。而实验作为人们理解和认识生物学的重要手段，在基础教学阶段，是生物教学中不可缺少的重要组成部分。它有助于对学生观察能力、理解能力、动手操作能力、创造能力以及思维能力的培养。如何将数字信息技术融入到生物实验教学中，是教育者们一直关注的重点。

随着虚拟现实技术的发展，虚拟实验这一重要工具出现了，并在物理、化学、医学和生物等领域有着重要应用。在生物学中，国外出现过“虚拟青蛙解剖实验”、“转基因苍蝇虚拟实验”、“细菌鉴定虚拟实验”、“免疫学虚拟实验”等，这些虚拟实验均为实验者提供基本的实验步骤和学习目标，并且在实验操作过程中，实验步骤都有文字解说，来帮助学生更好地理解。在国内，宁陕中学的“高中生物虚拟实验室在线学习系统”[2]为教师提供了高中生物实验的教学课件和虚拟演示;台湾“国中生物学习网站——快乐营”中的“生物实验室”为学生模拟动植物的培养环境;中国农业大学开发的“网上虚拟土壤作物系统实验室”[3]模拟了植物的生长状况。目前国内应用于教学的虚拟实验主要以教学大纲为导向，融合教学内容与教学指导，以演示型课件为主，来帮助学生加深对生物组织结构的理解，但是交互的水平不高，显然不能够满足对学生自主探究能力与高阶思维能力培养的需求。因此，筆者试图从三个方面浅谈对于高中生物实验教学，如何合理利用并设计虚拟实验来达到新课改背景下对学生的要求。

一、根据实验偏重点选择虚拟实验类型

在高中生物课程中，实验教学是重要的构成部分，能够提升学生的实际操作能力，知识的综合运用能力，以及自主探究能力，在掌握实验原理、操作技能的基础上更好更全面地认识和理解生物科学，对于学生学习生物来说有着积极作用。生物实验有的以观察实验现象为主、有的以验证结论为主、有的以理解生物概念和实验原理为主，因此，明确实验目标并根据偏重点来选择合适的虚拟实验类型进行教学才能事半功倍。例如在学习“细胞生活的环境”这一节中，需要学生掌握的是细胞外液的成分、细胞外液的理化性质、细胞与外界环境如何进行物质交换等内容，这些生物概念大多比较抽象难以理解，借助演示型虚拟实验便可以有效解决这一问题。通过多媒体动画动态演示组织液、血浆和淋巴的物质交换。引导学生注意观察血浆与组织液之间的物质交换方向、组织液与淋巴之间的物质交换方向、淋巴与血浆之间物质交换方向。揭示细胞外液是一个有机的整体，从而使学生逐步深入理解内环境的概念，解决学习困惑。再如“检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质”中的颜色反应实验，学生需要识别和区分用于可溶性还原糖、脂肪、蛋白质鉴定的试剂及产生的特定颜色，掌握鉴定上述化合物的基本方法，学会描述实验现象，掌握NaOH溶液和CuSO4溶液的使用方法。这类实验中，由于化学试剂的使用，会对学生的安全性构成一定程度的威胁，搭建操作型虚拟实验平台，能让学生通过电脑终端自主完成实验步骤，模拟系统就可以根据选择的试剂与化合物来产生特定的颜色反应，既节约实验时间与实验成本，还可以避免错误使用化学药剂产生的不安全因素。由此可以看出，依据实验偏重点来合理选择虚拟实验的类型，可以大大激发学生的学习兴趣，提高学习效率，真正体现出新课改老师为主导，学生为主体的教学规律。

二、虚拟仿真模型的有效结合

当前高中生物实验课堂由于多种因素影响，在推行实验科学的力度上和效果上都不十分理想。特别是在复杂生物组织三维结构观察、植物生长过程的探究等方面，传统实验模式无法满足学习要求，而虚拟仿真实验的出现，为解决这一难题提供了可能。虚拟仿真实验[4]依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库及网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，使学生在虚拟环境中自主探究学习，具有开放性、广域性、交互性和实时性，是数字信息技术在教学领域的重要产物。特别是三维仿真技术的出现，极大程度地满足了学生对生物系统构造认识与分析的需求，目前该技术已经成功用于不同领域，例如医疗行业中各种器官的精确模型;土木行业中不同建筑物的内部展示;影视业中人物特效的实现等等。专业的软件如3DStudioMax等，可以出现在高中生物的课堂，教师可以下载所需的三维模型，对其进行放大、缩小及动画设置，增强生物教学的形象性与趣味性。此外，还可以将传统课堂中不易实现的实验，以虚拟仿真的形式向学生展示，例如在探究“基因的本质”中，DNA的结构和复制过程微观且抽象，学生即使制作出DNA物理模型，也难以在不断犯错和纠正过程中，准确模拟整个复制过程。但是借助虚拟仿真实验，学生可以通过计算机对DNA分子的复制过程进行手动模拟与分析，从而打破固有的思维模式，主动发现并纠正DNA复制过程中常见的问题，充分理解DNA复制过程并构建与完善DNA复制模型。再如“观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”实验中，首先要培养3-4天的根尖，这些准备工作学生几乎没有时间与精力去完成，只能交由教师完成。而且最佳实验时间是上午10点到下午2点，学生只能分批次进行实验，无法让全部学生观察到良好效果。虚拟实验则可以克服这一难题，它通过电脑终端将实验的动态过程展现给学生，而且学生可以参与其中，比如压片时，学生施加的压力可以借由压力传感器上传到系统，判断压力是否合适，还会三维动画显示不同压力下根尖细胞发生的变化，从而加深对实验条件的理解，这种手脑并用的实验过程可以大大提高生物实验教学的效率。因此虚拟仿真实验在高中生物教学中的应用是提高教学效果的必然选择，不仅有利于提高生物教与学的质量和效果，还能够保障实验设备和教师的安全，更重要的是给学生的实验过程增加了许多乐趣，激发学生的学习兴趣。

三、复杂实验的虚拟化设计

高中生物中有一些实验结论或原理无法让学生通过真实实验来探究，这类实验通常步骤复杂且涉及许多高深的生物学知识，但是随着数字信息技术的不断发展，可以做到复杂实验的自主虚拟化设计。例如遗传定律的推导和应用一直以来都是高中生物学习的难点，关于“孟德尔实验”学生很难重现，但是根据基本定律结合数字信息技术可以自行设计虚拟孟德尔实验[5]，让学生在网络环境中进行自主探究和结果分析，从而归纳相应的遗传定律。在复杂实验虚拟化设计的过程中，要全面考虑学生的接受程度，在不同实验步骤严格把控通关条件，如只有正确自主完成前一步骤才能继续后续操作，让学生通过人机对话和虚拟操作逐渐形成有关概念，并在不断纠正错误完善操作的过程中，对生物实验达到较深层次的理解。再如“绿叶中色素的提取和分离”的实验重点及难点是，对实验原理的理解以及对叶绿体中色素的提取，传统实验耗时耗力而且难以达到最佳效果，因此可以将该实验进行虚拟化设计，以“东师理想生物虚拟实验平台”为例，主要包括“实验实施”、“实验基础”及“实验总结”三个模块。用“实验设计”来培养学生统观整体的思维习惯，引导学生逐步填写实验的设计方案，并且要对实验的结果做出假设和预期;用“实验操作”来验证学生的设计方案，通過系统提示来实现学生对于科学操作过程的了解和掌握。在此过程中，将三种原理分别加以阐述，为学生提供一般性的原理知识，并培养学生总结和思考的实验习惯，并通过模拟小测的方式来考查学生对于叶绿体中色素种类及其颜色对应的掌握情况。诸如此类的复杂实验虚拟化设计，可以极大程度地节约实验成本，帮助学生更好地理解实验内容与总结规律。

虚拟实验技术在高中生物实验教学中的应用，不仅为原本平淡无奇的传统生物实验课堂带来了生机与活力，更重要的是可以激发学生的学习兴趣，响应新课改背景下学生主动、探究性学习的目标。作为数字信息时代的教师，更要与时俱进不断创新，大胆实践，为培育学生贡献自己最大的一份力量。

参考文献：

[1]韩延德.基于信息技术手段的生物教学实践[J].科学自然，2019（37）

[2]高中生物虚拟实验室在线学习系统[CP/OL].

[3]郭焱，李保国.虚拟植物的研究进展[J].科学通报，2001（4）：273-280.

[4]胡原，吕鑫等.虚拟仿真实验在高中生物学实验教学中的应用探究[J].实验科学与技术，2019（17）

[5]肖建富，陈章和.“虚拟孟德尔遗传实验”的设计与应用[J].中学生物教学，2006（Z1）.

作者简介：

张慧（1986.12-），女，山东临沂人，中学一级教师，研究方向：高中生物教学。