利用央馆“虚拟实验室”优化初中生物实验教学

管晓青

［摘要］ 央馆“虚拟实验室”是网络时代的新型教育资源。本文从如下方面进行尝试：虚拟实验导学，以虚促实；虚拟实验主导，以实验虚；虚拟实验启发，以虚创新，优化初中生物实验教学。

［关键词］ 虚拟实验室；初中生物；实验教学

“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、网络化的虚拟实验教学系统，是生物教学实验室的数字化和虚拟化。其核心特色：全面化实验呈现，扩展实验教学边界，直觀呈现传统实验无法展现的实验过程，包括微观实验、复杂实验，以及反应过程太快或太慢的实验。学生在“虚拟实验室”进行趣味化学习体验，交互式实操学习，激发自主学习兴趣，掌握实验的操作。并且，“虚拟实验室”提供平台让教师与学生自由地拼装创新实验，充分满足师生实验探索的需求。基于此，研究利用央馆“虚拟实验室”优化初中生物实验教学过程，虚实结合，提高教学效率。

一、虚拟实验导学，以虚促实

操作型实验在初中生物实验教学中占很大比例，也是教学的重难点。例如，“学习使用显微镜”“制作洋葱鳞片叶表皮细胞和人口腔上皮的临时装片”等。在实验教学之前，利用央馆“虚拟实验室”进行导学，让学生在游戏中模仿练习一个个实验操作的分解动作，并在错误提示中及时反馈信息，消除不正确的实验操作，强化正确的实验操作。通过多次反复的虚拟实验，学生对所学的实验操作由不够精确、熟练逐步走向精确、熟练。

例如，苏科版七年级上册第1章“生物学——研究生命的科学”第2节“生物学的基本研究方法”教学重点和难点是“学习使用显微镜”。笔者尝试利用“虚拟实验室”导学，让学生在游戏中学，在反思中提升，在实际操作中熟练技能，促使学生进行深度的个性化学习。首先，利用虚拟实验的游戏功能，让学生在游戏中熟悉实验步骤。在学生学习完显微镜各部分结构和功能后，让学生进入“虚拟实验室”点击“练习使用显微镜”3D视频，依照步骤提示自行多次练习。刚开始练习，让学生打开错误提示按钮，根据提示一步步完成实验操作，熟练后关闭错误提示按钮，然后再练习。其次，引导学生反思自己在虚拟实验中的失败教训：没有对光，直接观察，视野一片黑暗；不知道如何调节粗准焦螺旋进行对焦，观察不到物像；物像不在视野里，不知道怎样移动玻片标本。在学生反思虚拟实验遇到的问题时，教师要追问如何解决问题：没有对光就观察的那一组，总结出转动反光镜可以看到明亮的视野；不知道如何对焦的那一组，总结出顺时针调节粗准焦螺旋镜筒往下，逆时针调节粗准焦螺旋镜筒往上；不知道如何移动玻片标本的那一组，总结出不能着急要慢慢尝试，移动的幅度要小。教师一边提问一边让这三组同学上台演示操作，由“虚”到“实”自然过渡。再次，在后台收集学生在线虚拟实验完成情况，对完成很好的学生，让他们在规定时间以内完成反馈练习，练习过关了，就可以进行正式的显微镜观察实验。有了虚拟实验的导学过程，学生对显微镜的使用步骤逐渐烂熟于胸，操作起来有条不紊；如果实验失败，可以从虚拟实验的教训中寻找经验，教师稍加指导，学生就能达成实验目标。这样，教师先重点培养动手能力强的学生完成实验操作，再由这部分学生作为小组长去督查后面的小组。整个实验教学过程井井有条，各组都有人检查督促，学生实际操作能力得到了切实提高。

可见，虚拟实验的视频动画、3D互动能够触动学生学习的心理状态，激发学生的学习需求。通过虚拟实验资源，学生与知识之间产生交流与互动，其技能学习更富有新鲜生命力。而且，虚拟实验导学是让学生在游戏中熟悉实验操作步骤，是玩中学，整个练习的过程就是进行深度的个性化学习。每个学生的易错点不同，反复操作，易错点就会在学生脑海中留下深刻印象，在实际观察实验中就能避免再犯错，达到以虚促实，促进实验教学重点问题的解决，培养学生的学科核心素养。

二、虚拟实验主导，以实验虚

实验是一种为了达成学习目标而设计的体验式学习方式。通过实验操作，学生能感知客观规律，获得知识，发展能力。虚拟实验是对真实实验的预演，它让学生提前感知实验目标，了解实验过程中的失误点，为真实实验的成功吹响号角。而且真实实验顺利进行，学生通过亲自操作对虚拟实验的结果进行验证，虚实结合，事半功倍。在“练习使用显微镜”案例中，学生通过虚拟实验熟悉实验步骤、实验易错点，并在实际观察实验中获得显微镜操作技能。本节实验教学有一个难点：如果物像偏在视野的一方，如何把物像移到视野中央？因为在显微镜下移动玻片标本，就相当于把电影画面快放100倍，画面稍纵即逝，学生很难达到实验目标。虚拟实验教学中，笔者抛出问题：（1）如果物像偏在视野的左方，如何把物像移到视野中央？让学生在虚拟实验3D视频中，模拟操作移动玻片标本。学生在反复尝试中，在一次次的失败中慢慢总结经验：显微镜下物像是倒像，真实的标本偏在右方，只有往左移动标本才能把物像移到视野中央。（2）虚拟实验的结论需要学生在实际操作中去验证，过程中如果想看到实验现象有哪些注意点？学生根据自己虚拟操作中的失误得出：移动的速度要很慢很慢，移动的幅度要很小很小。学生带着虚拟实验的经验在实际观察实验中进行验证，虚实结合，印象深刻，能够突破实验教学的难点。而且，对传统实验无法有效展示的实验现象，运用虚拟实验资源也能够很好地让学生参与进来，降低学习的难度，激发学生学习的兴趣，让学生爱学、乐学。

初中生物实验有很多观察实验，如“观察种子的形态和结构”“观察花的结构”“观察叶表皮的气孔”等。由于观察对象比较微小，各部分形态结构不易区分，而“虚拟实验室”中的3D视频可以清晰展示各部分的形态和结构。例如，八年级上册第19章第2节“植物的生长发育”，需要观察种子的形态和结构。笔者尝试开展虚拟实验教学，在观察之前让学生进入“虚拟实验室”观看“观察种子的结构”3D视频，通过视频的局部观察，了解蚕豆种子和玉米种子胚根、胚轴、胚芽的具体位置与形态结构，提前了解所要观察的重点部位：蚕豆种子种脐往下，剥开种皮，分开两片子叶，子叶上凸出来的白色部位从下往上分别是胚根、胚轴、胚芽；玉米种子小头朝下，窄的一面面对自己，再纵向破开，右下是胚，从下往上分别是胚根、胚轴、胚芽和子叶，胚的体积占玉米种子总体积不到三分之一。如此，虚拟实验形象生动地展示所观察对象的形态结构和具体位置，学生在实物观察时可以依照虚拟实验的指引精准指出种子胚根、胚轴、胚芽的具体位置，促进认知发展。

三、虚拟实验启发，以虚创新

探究实践源自对自然界的好奇心和现实需求。科学探究是学习生物学的重要方式，但有些探究实验受实验对象、实验器材的限制很难直接开展，如“探究蚂蚁的觅食行为”“探究种子呼吸过程中释放热量”“验证食物中含有能量”等；或者开展实验费时费力，且实验效果也不好。这时，就需要教师引领学生进行实验创新，把室外实验转变为室内实验，减少不确定因素；利用和改造生活中的物品，完善实验器材，创设实验情境。

例如，八年级上册第17章第2节“动物的行为”，需要探究蚂蚁的觅食行为。传统的实验教学，学生分组在校园内寻找蚂蚁的巢穴，在其附近放上四种物品：油条碎屑、白糖、玉米面、木屑，过一段时间去数每种物品周围蚂蚁的数量。室外实验有许多不确定因素：找不到蚂蚁巢穴；放置的食物被其他动物吃了；记录蚂蚁数量的时间不可控。笔者尝试引导学生进行实验改进，让学生進入“虚拟实验室”观看“蚂蚁的通讯”3D视频，根据实验步骤一步步操作，搭建虚拟实验情境：解剖盘内放置三块石头标记为ABC；解剖盘内放水，水深为石头的一半高度，构成三座孤岛，A岛有馒头，B岛有饥饿的蚂蚁，C岛无；用木棒连接BA和BC；观察蚂蚁的行为。学生在3D游戏中完成虚拟情境的搭建，如身临其境，所用的实验器材也是生活中常见的。在虚拟实验情境的启发下，学生发挥想象，对“探究蚂蚁的觅食行为”进行实验改进：解剖盘内放置五块石头分别标记为ABCDE，A石头在解剖盘中央，BCDE石头分别在A的左上、右上、左下、右下；解剖盘放水，水深为石头的一半高度；A石头上放蚂蚁，B石头上放油条屑，C石头上放白糖，D石头上放玉米面，E石头上放木屑，用四根木条连接AB、AC、AD和AE；观察蚂蚁的觅食行为，在合适的时间数各种食物周围蚂蚁的数量。学生设计好实验后，再分小组利用提供的器材开展实验，并把实验装置带回班级，课后继续观察、记录实验结果。有兴趣的学生，也可在家里开展这项实验，利用塑料泡沫、吸管、烤盘等构建实验情境，激发创新能力。

初中生物实验教学分为学生分组实验、教师演示实验和学生课后探究实验。课后探究实验能培养学生独立思考和判断能力，多角度、辩证地分析问题，发展学生的科学思维。虚拟实验以虚创新的优势更体现在学生课后探究实验上，通过观看3D视频了解实验过程和步骤，每个学生根据自己的家庭情况，选择实验用具来设计实验。同时，受虚拟实验搭建的实验情境的启发，学生对真实实验进行改进和创新，把不可操作实验变成可操作性实验，把不可控因素变成可控因素，从而达成实验教学目标。