高中生物虚拟实验教学创新研究

■ 武汉市第二十三中学 江 晶

高中生物虚拟实验教学是高中生物实验教学开发的一种新的教学模式和教学手段，即在教学中通过虚拟实验平台创建的虚拟仿真学习环境，应用的VR、3D等先进技术解决传统实验的难题，它具有效率高、精确、快速便捷等特点，对学生有很强的吸引力。开展虚拟实验教学创新研究，探索更高效的教学手段，不仅有利于教师专业能力的提升，也能有效培养学生的创新能力，提升其高阶思维能力和综合素养。

一、高中生物虚拟实验教学创新实施的思考

（一）基于高中课堂教学的主动变革

为全面深化课程改革，落实立德树人根本任务，国家将课程改革视为一个重要抓手和突破口。《教育部2006年工作要点》第32条中就提到要“加强数字图书馆、数字博物馆和虚拟实验室等应用工程建设”，可见，国家十分重视信息技术的应用。2019年颁布的《中国教育现代化2035》是我国首次以教育现代化为主题的中长期战略规划，其中明确指出，要“利用现代技术加快推动人才培养模式改革”，中小学各学科也紧跟文件指导思想开始和信息技术紧密联系，以不断改善传统教学模式，提高教学效率。

（二）基于创新人才培养的责任担当

新课标（2017）更注重培养学生的创新精神和创造性思维，更加注重培养学生学科核心素养。然而传统课堂教学让大多数学生的发散性思维和创造性思维被束缚、被禁锢。缺乏创新思想和创新能力生长的土壤，创造型人才的培养就成了难以实现的空中楼阁。从学生的个体发展与终身发展来看，本研究能提高学生的核心素养。

（三）基于学校特色发展的持续彰显

承继学校“十三五”课题“互联网促进高中生深度学习的教学变革研究”的成果，我们致力于将传统课堂和信息化课堂进行有机结合。2020年上半年，武汉市汉阳区被中央电教馆评为全国智慧教育示范区，2020年9月遴选12所中小校作为虚拟实验教学示范校，我校成为汉阳区虚拟实验教学高中段的领头羊。我们于2020年底组建虚拟实验室，尝试探索促进学生自主学习的教学新范式、教学策略、教学评价等。我们开展的这些后疫情时代混合式教学的相关研究，彰显了学校“办有品位的学校”的办学理念。

二、高中生物虚拟实验教学模式的建构

自汉阳区2020年入选中央电教馆虚拟实验教学示范区，我们在区域范围内充分发挥虚拟实验的优势，让实验教学成为促进学生能力发展，提升学生核心素养的重要途径。

为了推动虚拟实验教学示范基地建设（武汉市第二十三中学、建港中学），扎实推进中央电教馆虚拟实验常态化教学，我们通过开展区域虚拟实验教学实践交流活动，形成高中虚拟实验教学模式（见下图）。

课前，教师录制或借鉴优质的微课资源供学生预习实验原理，了解操作步骤，意在培养学生预习的习惯，并激发其探究欲望；学生带着问题进入课堂，教师于课中创设情境，引导学生分组设计实验方案，一方面分组开展虚拟实验探究，分析问题，小组交流讨论；另一方面以现实的实验进一步验证，小组间开展互评，锻炼学生的科学思维。课后，完成实验报告，同时进行线上检测反馈。对于学生在实验中的新发现，教师将其作为生成性问题，鼓励学生查阅文献书籍，展开新的思考和研究，引导学生通过延伸拓展不断提高综合素养。

三、虚拟实验教学的实施策略

（一）虚拟实验与实体实验相结合

高效的课堂教学从来都是多种教学手段的有机结合。如在2021年中央电教馆虚拟实验应用课例征集活动中获评创新案例的《鉴定细胞的活性》一课的教学，教师就是应用虚拟实验与实体实验相结合的教学方式帮助学生形象地理解其中的知识点，有效突破教学难点的。

教师应用翻转课堂教学模式在课前安排学生了解实验原理，复习显微镜的操作。课中以学生为主体，注重学生的课堂体验，充分利用现代化信息技术开展教学活动，课堂节奏紧凑，环节衔接流畅。而且，教师的教学并不拘泥于一个实验或一个知识点，而是将多个实验进行整合，引导学生仔细观察，积极思考：思考如何鉴定细胞的活性，观察植物细胞是否发生质壁分离，观察细胞质是否环流等，通过观察与思考，创新解决课堂核心问题。

借助中央电教馆虚拟实验平台，教师引导学生在虚拟实验中利用VR设备回顾并熟悉临时装片的操作与显微镜的使用。之后，辅以真实实验，让学生在显微镜下进行鉴定操作，鉴定烧杯中黑藻样品细胞是否存活。实验结束后，引导学生分析实验，以问题带动学生不断深化思考，如：哪种方法最为简便且准确性最高？哪种方式对实验材料的要求较高？这些问题的思考很好地锻炼了学生的逻辑思维能力。课后，布置课外反馈练习以巩固新知。

整堂课虚实结合，学生兴趣盎然、小组配合默契，在教师的引导下课堂教学取得了预期的效果。在虚实结合的实验过程中，学生也通过亲身体验掌握了实验操作要点，明白了关注细节和规范操作的重要性。

（二）利用虚拟实施，纠正学生的操作

虚拟实验不仅能激发学生的学习兴趣，也能弥补传统实验中仪器设备精度不够、实验周期较长等不足，更能通过虚拟的实验操作帮助学生清晰地了解整个实验过程，观察到明显的实验现象等。

以获2021年中央电教馆虚拟实验应用课例征集活动融合案例的《检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质》一课为例，在整节课中，教师通过分层递进的方式引导学生认识虚拟实验设备及其操作方式，从虚拟实验教学服务系统中的演示视频，到3D虚拟实验和VR虚拟实验，教师通过不同的虚拟设备演示，调动学生学习的兴趣和积极性，引导学生逐步熟练掌握物质鉴定类实验的一般原理和操作方法。

借助虚拟实验，能让学生更准确清晰地观察到实验的过程和实验的结果，如通过虚拟实验，学生能清楚地观察到减数分裂的染色体，并迅速分辨其不同分裂时期的图像等。可以说，有了虚拟实验的帮助，学生就能借助其中经验的积累提升真实实验的操作技术，更好地完成一系列的实验操作，从而获得实验所需的各种数据，得出相应的实验结论。

我校虚拟实验教学项目由生物学科向其他学科辐射。项目的实施让更多的老师养成资源意识，学会利用技术为教学服务，通过信息技术与学科的深度融合，提升教学效率。学校要加强虚拟实验教学的教师团队建设，每学科至少培养一名种子教师，带领组内教师进行教学实践。要利用智慧教学研究室平台，吸引全区同学科教师深入研讨，并向区域内其他学校辐射，扩大影响。

通过不断探索，我们初步构建了适合高中生物学科特色的虚拟实验教学模式，实现了教育与技术的深度融合，有效提升了教师的信息化素养，也提高了实验教学的成效。后期，我们会进一步完善虚拟实验教学模式，收集试验数据，与未进行试验教学的班级进行比较，精确建立试验教学台账，稳步推进试验校建设及全面推广。