虚拟实验室在高中生物教学中的应用探究

摘 要：虚拟实验室是一种基于Web技术、VR虚拟现实技术构建的开放式网络化虚拟实验教学系统，是现有各种教学实验室的数字化和虚拟化。教师将虚拟实验室运用于高中生物教學中，能够突破传统的教学手段和模式，有效提高教学效率和教学质量。

关键词：虚拟实验室;高中生物;应用策略

中图分类号：G43                        文献标识码：A                   文章编号：2095-624X（2021）12-0059-02

引 言

高中生物是一门严谨的学科，其理论知识和实践操作知识都比较多。在传统教学模式中，受教育经费、师资力量、安全问题等因素的制约，学生无法深入学习生物知识。为有效突破这一教学瓶颈，教师可以通过虚拟实验室的教学模式对学生进行教学引导，从而使学生的生物核心素养得到有效提升。

一、虚拟实验教学

通常来讲，动物细胞培养实验指的是将动物器官或组织上的细胞通过特定方式进行剥离，并在体外对其生长环境进行模拟，然后对其进行培养的过程。动物细胞的培养需要较为多元的硬件设施进行支撑，如化学性质层面的血清、激素、生长因子、培养液，以及物理层面的环境和设备等;此外，还需要较为体系化的细胞培养设备条件进行支持，包括无菌的操作、培养、检测、保存条件等。因此，受外界因素的干扰，教师很难有效将动物细胞培养实验给学生进行整体性呈现，这阻碍了学生对这类知识的学习。而虚拟实验指的是利用信息技术对实验过程进行真实再现，从而确保实验过程的整体性和完善性，进而使学生对这类知识进行系统化认知。所以，将动物细胞培养实验与信息技术进行完美融合，可以有效突破生物实验的难点问题。

随着信息技术的迅速发展，尤其是仿真技术及数字建模技术的不断发展，虚拟实验室教学模式被广泛应用于高中生物教学中。在高中生物课堂教学环节，实验教学的作用在于将理论基础与实践操作进行连接，而这一过程也可以有效培养学生的创新能力[1]。具体来说，虚拟实验通过技术手段模拟现实中的生物实验现象和过程，并对实验过程进行真实再现。学生在这一形象逼真的实验环境中，能系统化地分析整体的实验设计、操作、结果等。这能消除传统实验教学过程中的弊端，完善实验教学内容，从而有效提高学生的实验创新能力。

以“动物细胞培养”为例，动物细胞培养指的是将动物机体中的相关组织进行抽取，并将其进行分散，使其成为单个细胞，并在适宜的环境中对其进行培养，使其可以增殖和生长。但是，传统层面的动物细胞培养实验需要定期更换培养液，而且需要加入一定的抗生素，稍一疏忽就会影响实验的准确性。而虚拟实验教学在高中生物教学中的运用，则有效解决了这一问题，虚拟实验教学通过高尖端的设备和仪器可以使学生观察到动物胚胎的碎化、分散、细胞分裂、增殖等过程，从而使学生对动物细胞的整个生长、增殖过程有更为清晰的认知。

二、虚拟解剖教学

在高中生物课堂教学环节，教师可以通过虚拟实验室对学生进行解剖知识的讲解，这样可以使生物实验教学突破传统实验弊端，使学生通过虚拟技术，客观真实地了解生物解剖教学的全过程。这种将生物实验的每个步骤都进行细化呈现的虚拟实验教学情境，能使学生真正对生物形成细化认知。

以“动物细胞培养”为例，对于杂交瘤细胞的培养过程来说，融合后的脾细胞和骨髓瘤细胞在HAT培养液中会出现陆续死亡的现象。而这一过程中，少数分散的细胞及单个细胞均不宜成活，因此，为促使其成活，则需要加入相应的其他饲养细胞，通常会选择小白鼠的腹腔巨噬细胞进行实验。传统实验通常会将小白鼠的腹部朝上在解剖台上进行固定，然后暴露出小白鼠的腹膜，并将RPMI-1640不完全培养液在小白鼠体内进行注射，然后利用培养液悬浮并混匀沉淀细胞，最后在96孔培养板内加入细胞悬液。由于本解剖必须确保全程无菌操作，因此，为确保实验的完整性，教师可以引导学生通过虚拟实验室对本实验过程进行观察。其原理在于通过三维重建及MRI扫描，构建虚拟系统。教师可以通过虚拟手术刀，对小白鼠进行层层解剖，让学生可以清晰地看到教师用虚拟镊子将小白鼠腹部的皮肤提起，并用剪刀剪了一个小口。当小白鼠的腹膜暴露后，教师又换了一把虚拟剪刀，在腹膜上剪出一个小口等，这样会使学生对小白鼠的解剖过程形成清晰的认知。直到教师通过虚拟手术刀一步步将小白鼠解剖，并利用虚拟容器将小白鼠的内脏碎块装入匀浆器中，并进行虚拟研磨，学生会看到大块的组织块都已经逐步下沉。这时，教师可以将上层的细胞进行吸取，并在50ml离心管中进行移入，并加入分散细胞、单个细胞、培养液并将其混匀，以此制成动物细胞培养液。在此基础上，学生会发现悬液中的细胞会贴附于瓶壁上，这就是细胞贴壁现象。教师可以通过虚拟实验室，引导学生观察细胞贴壁后不同时段的情况，并做好相关记录，以此加深学生对相关知识的认知。

三、虚拟VR技术

虚拟VR技术又叫虚拟现实技术，它是一种以信息技术为支撑的技术模式，利用计算机模拟现实环境，并对真实的场景进行构建。在虚拟技术中，学生可以与计算机进行人机交互，进而在虚拟的场景中感受到真实情景，包括听觉、视觉、触觉、嗅觉的高度仿真。因此，这种虚拟VR技术也具有高度的交互性、构想性和沉浸性。结合高中生物教学来说，VR技术的运用，可以使学生通过对实验真实场景的体验，对生物知识形成一个系统化的认知。

以“动物细胞培养”为例，传统层面的细胞培养实验对外在条件有较多的要求，具体包括需要有气体、渗透压、酸度、温度、生长表面等对其进行支撑，但是，在实际的实验过程中，很难保证其规范性。此外，对于不同的实验类型，其血清的种类及营养液的配置的比例也较难掌握。而利用虚拟实验技术可以对实验过程进行完善，从而有效突破这一难题。具体来说，VR技术可以使学生通过数字化模式，进入虚拟仿真场景中，如同自己在做这一实验，从而对动物细胞的培养过程形成一个完整的认知。这可以增强学生的真实体验感受，使学生的生物综合素养形成质的升华。比如，学生通过虚拟操作，在构建的场景中取下一块动物组织，并将其分散为单个的细胞后，在适宜的培养基中进行放置，以此确保细胞可以进行增殖和生长。同时，在进行VR虚拟实验的过程中，学生应注意观察运用幼龄动物的器官或者动物的胚胎组织进行实验，与运用成年动物的器官会存在何种差异，以便对细胞的分裂增殖能力形成一个高效认知。实际上，只有提取幼龄动物或者胚胎中的动物细胞，才可以确保实验的准确性。其原理在于上述动物细胞具有较强的分裂增殖能力，更利于学生进行实验观察和学习。学生可以通过VR虚拟实验，感受提取细胞的过程，观察细胞分裂增殖的过程，从而提升自身的生物感知能力、操作能力和体验能力。

四、虚拟切片教学

生物虚拟实验室指的是利用信息技术，对各种软件资源进行研发，并在此基础上，对信息进行发布、加工、提取、研究、分析和整理。其在生物教学中的运用，可以使学生对生命的起源、遗传、发育和进化本质有一个深度的认知。具体来说，在高中生物实验课堂教学环节，教师可以通过虚拟实验室的模式，对学生进行动物细胞培养切片教学引导。传统层面的细胞组织切片在实际教学环节的应用，有不易储存、数据信息庞大、不便查找、容易损坏等弊端，因此，不利于学生对这部分知识进行认知。而虚拟切片系统可以將组织切片转变为文字图形信息，也可以将具有典型代表的组织切片信息以不同类目和章节进行分库式存储，以此建立与之相互呼应的虚拟切片系统。虚拟切片系统具有扩展性强、易保存、无损耗、便利查找的优势，可以使不同实验室之间进行合作，实现生物教学资源的共享。

以“动物细胞培养”为例，在进行本实验的过程中，教师可以利用虚拟技术将幼龄个体的组织或器官，以及动物胚胎做成动物细胞培养材料。这是因为细胞生命力较为旺盛，且具有分化程度低、分裂能力强的特点，所以较为适合进行实验教学。由于动物细胞与植物细胞有所区别，它不会像植物细胞那样发育成新的个体，只会使细胞数目增多。此外，动物细胞的培养条件需要无毒、无菌的环境，并且还应确保其温度应在36.5±0.35℃，并以CO2对培养液的pH进行维持。同时，对于10代以内的细胞来说，通常需要以冷冻的方式进行保存。所以，这是一个较为复杂的过程，而且任何环节出现的意外都有可能对实验结果造成破坏。因此，教师可以将动物细胞培养以切片的形式在虚拟实验室进行分类保存，这样学生可以随时在系统目录中对不同的动物细胞培养知识进行搜索，从而为以后的生物学习奠定坚实的基础。

结    语

综上所述，虚拟实验室在高中生物课堂教学中的应用，突破了传统实验教学的瓶颈，为学生提供了一种直观、便利、可操作性强的生物课程学习平台，能够激发学生的学习动力，便于学生对知识的内化吸收。虚拟实验教学作为传统生物教学的补充，为生物课堂教学注入了全新活力，虽然目前仍旧存在一定的不足，但是随着信息技术的进一步发展，势必会在生物教学领域拓展出一片全新的天地。

[参考文献]

王泽，赵昀彤，金海涛，等.虚拟实验室在高中生物教学中的应用与探索[J].中国教育信息化，2020（10）：34-37.

作者简介：郭敏（1978.1—），女，山东邹平人，一级教师，被评为滨州市“教学工作先进个人”、邹平市“教学能手”等。