虚拟仿真实验在高中生物实验教学中的应用

2021-04-24

现代交际 2021年5期

（湖南科技大学湖南湘潭 411201）

生物课是一门以实验为基础、集理论与实践于一体的课程，无论是理论知识的学习，还是实践能力的培养，都离不开实验教学。传统的生物教学，理论知识的教学与实验教学不能完全做到同步，在很大程度上降低了学生生物学习的效率，不利于学生科学思维和探究能力的培养。中学班级人数较多，实验仪器数量少，且精密仪器缺乏，实验试剂可能存在有毒性、易污染等问题，难以保证每位学生都能参与实验，实验的安全性也难以保证，因此，学生对DNA分子、蛋白质分子等微观知识，难以真正理解与掌握。而虚拟仿真实验可以弥补传统实验教学缺陷，提高生物教学质量。

《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010—2020年）》明确提出：“加强优质教育资源开发与应用，加强网络教学资源体系建设，开发网络学习课程。建立数字图书馆和虚拟实验室。建立开放灵活的教育资源公共服务平台，促进优质教育资源普及共享。”教育部颁布的《普通高中生物课程标准（2017版）》明确提出：“学校可充分利用多媒体、互联网及无线通信技术进行虚拟实验教学。”[1]因此，虚拟仿真实验也越来越多地应用于基础教育，使学校教学质量有显著提升。如华中师范大学生物学虚拟仿真实验教学中心结合多年野外实习的教学成果，重现了神农架在不同季节、不同路线的野外环境和动植物实景，满足学生动植物实习需要[2]。北航附中首次使用虚拟实验软件进行化学实验加试的考试。

一、虚拟实验（NOBOOK）的简单介绍

NOBOOK虚拟仿真实验（简称NB虚拟实验）平台是由北京乐步教育科技有限公司于2014年打造的一款教学软件，其网址是https：//www.nobook.com/，集小学科学、中学物理、化学、生物实验于一体，可在不同的设备上展示内容。该实验平台采用3D技术，将实验材料和仪器高度仿真，利用鼠标即可完成实验操作并迅速观察到实验结果的教学软件。

二、案例分析

“DNA是主要的遗传物质”是人教版普通高中课程标准实验教科书《生物》必修二第3章的教学内容，本节一共包括三个实验，分别是肺炎双球菌的转化实验、艾弗里证明DNA是遗传物质的实验、T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验。

（一）利用虚拟实验进行肺炎双球菌的转化实验的操作说明

第一步：打开百度，点击搜索NOBOOK虚拟实验平台；

第二步：进入NB实验软件平台的首页，点击NB生物实验；

第三步：点击在线使用，选择高中生物，点击必修二，选择肺炎双球菌转化实验；

第四步：了解实验原理、实验目的、材料用具、讨论要点之后，点击右下角的开始实验即可进行实验教学；

第五步：将鼠标放在带有黄色标志的圆圈上，并通过鼠标拖动针管将其注射到小鼠体内，重复以上步骤三次，则完成这一实验过程。其中，黄色圆圈表示R型活细菌、粉色圆圈表示S型活细菌、含有线条的粉色圆圈表示加热杀死的S型细菌。

第六步：完成上述步骤，即可观察到实验结果。

（二）艾弗里证明DNA是遗传物质

教师活动：教师在讲解DNA是遗传物质的实验具体操作之前，引导学生说出做实验所需要的实验材料及仪器。

提出问题：此实验的实验思想、实验过程及实验结论分别是什么？

学生活动：学生通过自主学习和合作探究阶段，已初步掌握此实验的实验思想、实验过程及实验结论。学生回答实验结论并在黑板上画出相应的实验结果图。

教师活动：教师对学生解答进行补充及讲解。并通过虚拟实验平台向学生展示整个实验过程，加深学生对实验的学习与了解。

实验结论：DNA才是使R型细菌产生稳定遗传变化的物质。

（三）T2噬菌体侵染大肠杆菌的实验

教师活动：在学生展示完模拟实验之后，教师借助NB虚拟实验平台让学生更加清楚地了解T2噬菌体侵染大肠杆菌实验的实验原理及实验过程。

提出问题：T2噬菌体侵染大肠杆菌实验的实验原理及实验过程分别是什么?

学生活动：学生合作探究并运用教师准备的教具进行模拟。

设计意图：通过合作探究利用道具进行实验的模拟，可以有效加深学生对实验的理解；在借助NB虚拟实验平台还原的实验过程，可以帮助学生及时发现模拟实验存在的不足，进一步加深学生对此实验知识的掌握。

实验结论：DNA是遗传物质。

三、虚拟实验在高中生物学实验教学中的优势与不足

（一）虚拟实验在高中生物实验教学中的优势

1.克服传统实验教学的操作复杂、时间长等弊端，提高生物教学质量

教师对实验教学重要性的忽视、学校购买实验器材、试剂、材料等资金的不足、生物课时少等原因，导致生物实验教学不能有效开展。虚拟实验可以有效克服传统实验的弊端，提高生物教学质量，主要体现在以下三点：第一，虚拟实验的操作较简单，教师和学生仅需通过控制计算机、鼠标等即可完成实验教学过程；第二，虚拟实验可减少部分生物实验等待的时间。如在“探究酵母细胞呼吸的方式”实验中，需要将连接好的装置间歇性通气1h，在30℃环境下培养10h，观察现象；而在虚拟实验中仅需要1min即可完成。“低温诱导植物染色体数目的变化”实验，需要在洋葱长出1cm左右的不定根时，将整个装置放入冰箱的低温室内（4℃），诱导培养36h。第三，与传统的实验教学相比，虚拟实验在操作的过程中安全系数更高。如“植物的组织培养实验”需要在无菌的环境中完成整个实验过程。在操作过程中，学生需要用酒精擦拭双手以达到无菌的状态，需要在酒精灯的旁边取植物的一小块组织放入培养液中进行培养。在操作过程中，稍有不慎就会打翻酒精灯，发生实验事故。因此，虚拟实验在操作过程中更具有安全性，风险小。

2.优化教学资源，提高生物教学质量

高中生物的实验教育由于资金、场地、课时的限制，不能有效进行；因此，虚拟实验可以利用自身的优势优化教学资源，主要包括以下三个方面：

第一，生物实验仪器方面：我国的许多中学，生物实验仪器配备不完善，如噬菌体侵染细菌的实验需要用的离心仪器实验室没有配备。

第二，课时安排方面：首先，我国教育仍然是应试教育，许多高中为了保证学校的升学率及提高学生的高考成绩，减少了生物实验教学时间。其次，学生人数和课时安排等因素，也影响了生物实验教学。

第三，有利于缩小城乡之间教育资源的差距。乡镇学校与城市学校之间的教育资源存在着较大的差距。

与传统的实验教学相比，虚拟实验则可以很好地解决上述问题。虚拟实验不受时间、地点等条件的限制。通过互联网，有手机、平板、电脑、电子交互式白板等电子设备，学生可随时随地在线学习；教师也可根据学生在线学习的情况及时为学生答疑解惑。

3.建构模型教学，提高生物教学质量

模型是一种对某个实际问题或客观事物、规律进行抽象后的形式化表达方式。而生物模型是一种将生物学研究原型的一些次要的、非本质联系舍去，形象简约地表现生物原型或突出反映原型的主要特征和联系的理想物质、过程或假想结构[3]。对生物学教学而言，物理模型、数学模型、概念模型、图示图表模型已成为生物学课堂上的主要模型[4]。如表1所示。

教师可以结合教学内容，以虚拟实验为载体，构建不同的教学模型，以加深学生对知识的理解，提高生物学教学质量。

（二）虚拟实验在高中生物学实验教学中的不足

任何事物都有两面性。虚拟仿真实验的建立也不例外。我国虚拟实验的研究起步较晚，近几年才有了一定的建设与发展。

表1 生物课堂上的主要模型

1.虚拟实验的建立需要大量的资金支持

在我国，小部分高校建立了相应的虚拟实验室，但还需要进一步完善；而大部分高校和中学没有建立相应的虚拟实验室。

2.虚拟实验在一定程度上制约了学生的动手能力

与实际的实验教学相比，虚拟实验只需简单的电脑、手机等电子产品操作，根据软件中的相应提示完成实验的过程。而部分学生并不会仔细阅读、思考软件中给出的相关步骤。与传统实验相比，虚拟实验将实验过程按照既定的步骤一一展现出来，基本不会出现误差，不利于学生辩证思维的培养。对比传统实验，虚拟实验缺乏实践动手操作，生物教学不能完全依赖这个软件。对于可以在现实中开展的实验，应尽量让学生参与实验的设计和具体步骤，以提升学生的动手能力。