虚拟仿真技术辅助初中理化生学科实验教学的探索与实践

贝鸿 申美琳 钟甫 张明琪 卢征 魏雪丽

摘  要  随着教育信息化的发展，教师数字素养的发展成为应然要求，虚拟仿真技术与理化生学科实验教学的结合也成为一种必然趋势。当前，理化生学科教学中，部分实验教学内容受限于一定的客观条件，无法达成较好的实验教学效果。因此，借助虚拟仿真技术辅助理化生学科实验教学的开展十分有必要。以陕西省为例，选取省域内有代表性的基层实验基地学校，探索虚拟仿真技术有效应用于初中理化生学科实验教学的教学模式和学习策略。通过实践研究发现，通过虚拟仿真技术应用于实验教学全过程，可进一步激发学生学习兴趣、提升学生课堂参与度、不断拓展深化教学内容，能够有效提升实验课堂的前瞻性、后知性，提升课堂效率，促进义务教育阶段学生核心素养落地。综上，提出几点展望：要正确认识虚拟仿真技术对于实验教学的辅助作用；推动虚拟仿真实验室共建共享，加强教师培训；促进虚拟仿真技术与实验教学的深度融合与实践。

关键词  虚拟仿真技术；教育信息化；教师数字素养；实验教学

中图分类号：G424.31    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2023）11-0051-05

1  问题的提出

1.1  教育数字化发展的客观机遇

随着教育信息化的迅猛发展，教育数字化发展面临着深刻的时代性机遇和挑战。将信息技术应用于教育教学，构建“互联网+教育”的数字化教学模式已成为教育发展的必然趋势[1]。一方面数据赋能的数字化教育课堂教学有了时效性、动态性和精准性的特征，跨域合作、跨部门合作逐步成为常态；另一方面，课堂教学实践迈向以素养为导向的全过程育人，教师的跨学科教学实践能力、持续性、表现性评价能力等专业发展需求越发强烈。但是由于不同地域的教学资源及教学设备，以及教师教学能力等多方面限制，不同地域的教育数字化进程也有很大的差异。教师需要充分认识并思考教育数字化带来的机遇，力争在基础教育实验教学中获得一个基础性和可操作强、教学效果显著的切入点。

1.2  教师数字素养发展的必然要求

教师是教育数字化转型中的关键角色，教师专业化发展除了需要注重提升其专业知识及教学技能外，还需要注重数字素养以及学习科学、脑科学等知识域的学习，需要从创新开放性、富有韧性和发展张力的新组织形态中获得终身发展的能量。要着眼物理空间和网络虚拟空间的融合，建构时空、地域、机构、人员等全要素重构的教育数字化实践赋能体系，形成多层级、区域性、主题化的互联网教研共同体。现阶段加速推动教育数字化已成为全球共识，通过在线教学、自适应学习等手段迅速且低成本推动基础教育水平提升，进而通过混合学习、个性化学习空间、终身学习平台的建设以提升创新人才培养能力与全民就业能力。教师教学业务能力提升的重要方面就是在教学设计中收入丰富的数字化教学素材，在课堂教学和课后巩固等环节中应用数字化手段进行评价，反馈环节也应该有客观便捷的数字化手段。诸多数字化教学内容使用的主动性、丰富性、有效性及熟练性反映了教师的教学水平。

1.3  虚拟仿真技术与理化生学科实验教学结合的必然趋势

工信部于2018年发布的《关于加快推进虚拟现实产业发展的指导意见》指出，推进虚拟现实技术在实验性、演示性课程中的应用，发展虚拟备课、虚拟授课、虚拟考试等教育教学新方法。随着信息技术的发展，虚拟仿真技术与理化生学科实验教学相结合，已是大势所趋。虚拟现实技术为学生深度学习场域的构建提供了丰富有效的教学资源，可以构建出以学生为主体，以虚拟现实场景、教师等为组成部分的关系网络，帮助学生实现深度学习[2]。综合我国目前已有研究来看，对于如何在中学阶段应用虚拟仿真技术辅助完成实验教学，并未形成规模化的研究成果。一方面当前国内的相关研究大多以理论研究为主，对于虚拟仿真技术应用于初中学段学科教学的研究较少；另一方面，相关研究均未能形成体系，配套教学资源的建设也未同步。

综上所述，为进一步提升教师数字素养，促进虚拟仿真技术与理化生学科实验教学的深度结合，同时依据2022年版理化生学科课程标准以及陕西省学业水平考试改革指导精神，本研究团队依托高科技教育企业等技术团队的支持，重点围绕虚拟仿真技术赋能实验课堂教学的模式展开研究以及系列实践探索，通过虚拟仿真技术辅助理化生等不同学科实验教学过程中的课前、课中、课后等全过程操作，探索师生对现有资源的高效合理利用方式，帮助陕西省理化生学科教师形成基于现实教学环境、围绕重点实验进行虚拟仿真实验操作的学习模式；同时基于虚拟仿真技术研发用于师生开展理化生实验教学的虚拟仿真实验平台等数字化教学资源，以期为陕西省开展理化生学科的实验教学提供配套的教学资源，包括操作平台的研发以及配套的教学设计、教学课件、3D知识点视频、实物操作演示等，内容全面、形式多样。

2  当前初中理化生学科实验教学中存在的问

题审视

2.1  物理学科实验教学中存在的不足

物理学科是基于操作实验和理想实验的自然科学，从伽利略起这两种实验就成为科学实验的基本形式。科学源于带有质疑精神的实验，物理学更是如此。在初中阶段许多物理学科知识的学习和理解来自生活经验和可重复的物理实验。对于这些实验的观察和分析是学生获得知识、认识世界的基础。但是重要的物理实验需要有一定的实验设备等物质条件基础，这些条件是学生在课堂教学、学生生活实践和课堂以外无法自己重复和再现的。而学生学习的认知过程是一个需要反复重复和不断螺旋上升的思维过程。在这个认识过程中，认识的基础不仅应该来自对于已有知识的理论推演，更应该源于对实验和生活中现象的再分析过程。这就形成了矛盾，一方面是学生的认知过程需要有大量且方便的实验作为思维的物质载体；另一方面是学生不方便在学习认知的全过程获得实验的体验来学习巩固并在其基础上提升和升华乃至在新的情境下靈活应用，现有的实验教学环境和设备等都会使学生对于部分实验的认识受到一定的局限和影响。

2.2  化学学科实验教学中存在的局限

化学是一门以实验为支撑的学科，课堂中仅通过常规教学不能完美实现教学目标，需要将实验作为辅助教学途径。但在实施实验教学实证或伪证时，实验可能会受限于一些客观条件，或多或少存在一些问题。例如：1）实验器材损害或药品补充不及时，便不能保证人人可以动手实验，那么，学生的实践操作能力自然难以得到培养；2）一些实验存在安全隐患，比如，氢气不纯，遇氧气和明火时，易爆炸，教师常以“视频演示”替代“实操”；3）一些抽象复杂的实验，比如，“分子是不断运动的”这一知识点，对于初中生来讲，他们还没有微观的概念，在课堂环境中展示效果并不理想；4）当教师在台上演示实验，或者分组实验人数较多时，无法保证每位学生都能消化实验内容，课后缺乏做实验反思的平台，这样会导致学生产生知识盲区；5）学生毕业要面对中考升学，化学實验复习也是一项重要教学内容，此时如何快速有效复习实验教学中学习的内容也成为教师思考的重要问题。

2.3  生物学科实验教学中存在的困境

随着2022年版义务教育生物学课程标准的颁布与实施，生物学科要更注重对学生科学思维、科学探究能力的培养。但是传统的初中生物实验课堂受制于客观条件，或多或少存在困境，例如：1）实验器材不足、课时安排有限，学生动手实验的频率偏低；2）一些实验存在安全隐患，教师只能以“演示”替代“实操”；3）一些抽象复杂的实验，在课堂环境中展示效果并不理想。

受课时安排有限、实验器材不足等因素限制，陕西省部分地区或学校，学生实验开课率不理想。一些具有一定危险性，耗时较长或操作相对复杂的实验，往往以“教师演示”代替“学生实操”，学生的动手操作能力得不到有效的发展。即使是已经开展的学生实验，也会有部分学生在课堂上不能完全掌握，存在无法反复练习、不能及时巩固等问题。

3  虚拟仿真技术辅助初中理化生学科实验教

学的实践探索

根据本研究的重点内容及研究任务，陕西省教育厅教育装备中心在省域内基层学校基础教育装备调研数据分析的基础上，开发了裸眼3D虚拟仿真实验室，当前该实验室已经全面涵盖理化生三科重点实验内容。在实践探索过程中，课题组选择了省域内有代表性的基层实验基地学校，在21个基地学校中有国家级和省级示范学校，更多的是基层普通中学，特别是选取了一定数量的乡村中学。

为充分利用现有资源，探索虚拟仿真技术有效应用于初中理化生学科实验教学的教学模式和学习策略，笔者以生物学科为例进行了全面探索及梳理。在生物学科实验教学实践中，陕西省有20所中学，81位教师，338个班级，16 641名学生参与本课题研究，充分利用虚拟仿真实验教学平台，将所有实验以课前预习、课中演示和课后巩固三种应用模式进行了探索。

3.1  课前预习：创新设计学习任务，激发学习兴趣

生物学科内容的学习，很多都是从微观角度来进行研究的，如细胞的结构，不同组织、器官的特点等。初中阶段有多个实验需要使用光学显微镜进行观察。例如，教材中的第一个实验就是《实验1 练习使用光学显微镜》，其实验目的包括四个方面：认识光学显微镜的基本结构及其功能；练习使用光学显微镜；尝试使用低倍物镜观察玻片标本；养成规范操作实验仪器的习惯。要在一节课中达成这四个教学目标，其难度是非常大的。

传统教学中，最理想的状态是教师要求学生课前预习，对照课本插图了解显微镜的结构及其名称。在实验室进行实验教学的过程中，教师首先带领学生重新认识一遍光学显微镜的结构以及相应的功能或使用规范，然后带领学生一步一步进行规范操作，最后由学生独立进行操作，完成观察任务。这样的教学模式，对第一次接触显微镜的初一学生来说，可以说非常有效，但学生独立操作的时间太少。加上不同水平学生差异较大，教师很难逐个进行指导，很多时候，实验尚未进行到第三环节，就已经到了下课的时间，教学效率较为低下，要达成预期的实验目标难度很大。

在利用虚拟仿真实验教学平台进行教学时，情况就大为不同。教师提前安排学生利用虚拟仿真实验教学平台进行预习，此时学生在家中就能进行模拟操作，基本了解光学显微镜的结构、规范操作的要求和步骤。

进入实验室正式进行实验教学课时，学生很快就能将显微镜实物与虚拟情景联系起来。在实验过程中，学生还可以利用虚拟仿真实验教学平台，逐步跟随完成各个步骤，出现问题，立即自行解决，或者在老师的指导下解决，实验课的效率大大提升，不仅解决了教师难以逐个辅导的困境，也大大增加了学生动手操作的时间和次数，激发了学生学习的兴趣和积极性，也使得学生在多种学习任务的引导下，更容易掌握显微镜的使用方法，达成本课预期的实验目的。

除此以外，其他操作难度较大的实验，如《实验5 制作并观察人的口腔上皮细胞临时装片》《实验7 观察草履虫》《实验15 验证人体呼出的气体含有较多的二氧化碳》《实验17 观察小鱼尾鳍的血液循环》《实验18 观察酵母菌》等都可以安排学生在家先利用虚拟仿真实验教学平台进行预习，进行模拟操作，以便提升实验教学效率，达成教学目标。

3.2  课中演示：丰富方式方法，提升学生课堂参与度

生物实验中有很多观察结果属于微观层次，用语言描述不够直观，需要教师进行演示，让学生掌握实验的正确操作步骤，出现什么样的实验现象才是正确的结果。因此，在教学过程中，教师可以借助虚拟仿真实验教学平台，用多种方式演示、讲解关键步骤，展示教师或学生实验的结果。

例如，在使用显微镜的过程中，教师演示如何转动转换器更换物镜，向学生展示准确的换镜方法。在制作草履虫临时装片时，演示如何添加棉花纤维，限制草履虫的活动范围；观察花的结构时，演示横切（纵切）子房、暴露胚珠的方法；在验证人体呼出的气体含有较多的二氧化碳时，演示如何交换吹气、吸气，避免吸入液体的操作程序；探究绿叶在光下制造有机物时，演示如何进行水浴加热，避免危险；观察小鱼尾鳍血液循环时，演示如何包裹小鱼、如何寻找到毛细血管、识别小动脉和小静脉；观察酵母菌时，演示如何染色、识别细胞核与淀粉粒等。通过这些关键环节的演示，可有效提升学生在实验教学环节的课堂参与度，达成预设教学目标。

3.3  课后巩固：拓展学科资源，延伸学习内容

生物实验准确而规范的操作，光靠课堂的练习是不够的。传统教学模式下，教师难以安排学生到实验室自行加练。有了虚拟仿真实验教学平台之后，学生可以随时通过虚拟仿真实验教学平台进行操作，来进一步理解实验内容、完善操作能力。在下一次进入实验室进行实操时，其动手操作的能力能够明显提升。

例如，在《实验21 模拟练习心肺复苏》的学习过程中，由于很多学校并没有配备相应的人体模型，学生在课堂上一般只能通过视频进行学习，对心肺复苏的完整环节难以形成深刻的记忆。即使有些学校配置了相关的人体模型，但能够有机会亲自模拟进行心肺复苏的学生也是个例，大部分学生依然只是具有理论知识而已。如果课后能够跟随虚拟仿真实验教学平台逐步进行模拟学习，一定会对如何进行心肺复苏产生更深刻的印象。實践后，参与课题实验的教师充分肯定虚拟仿真系统的实用性和便捷性，普遍反馈“有利于辅助教师的教学活动，可以提高教师数字化教育水平，提高课堂教学的容量和节奏”，也能够满足学生课前、课后自主学习的需要，其中重要的实验可以高效地反复练习操作，直到学生完全掌握为止。

4  虚拟仿真技术辅助初中理化生学科实验教

学的优势

在课题组专家指导下，参与研究的课题团队实验教师经过数月实践，在虚拟仿真辅助理化生学科实验教学的应用探索过程中开展了诸多具有虚拟仿真技术特色的创新性实验教学模式研究，取得了显著成果。

4.1  虚拟仿真技术促进义务教育阶段学生核心素养落地

随着我国科学技术的快速发展和教育信息化的快速推进，虚拟仿真实验的优势更加凸显。虚拟仿真技术打破了传统实验场景的限制，学生可以充分利用学校现代化的融媒设备，如在微机室、走廊的媒体设备、教师一体机等多种媒介的支持下，随时随地开展虚拟仿真实验，真正实现了人人均能“探究”，提高了学生回顾实验操作步骤、细节、现象、结论等的频率，充分实现了课标要求倡导的“做中学”“用中学”“创中学”的理念。通过学生自主高频率的实验仿真模拟探究和思考，结合教师课堂“支架”式教学的有效引导，将核心素养中的“化学观念”“科学思维”“科学探究与实践”“科学态度与责任”内容根植于学生内心，真正内化为学生素养之行。

4.2  虚拟仿真技术提升理化生学科实验课堂前瞻性

学好一门学科离不开课前预习，预习可以帮助学生明确学习方向、提高学习效率、养成自主独立的学习习惯。常见的预习方式是通过纸质版的预习资料或教师创设导向型的问题情境等支架式教学项目引导学生自主探索，这些预习方式均停留在枯燥乏味的方式上。引入虚拟仿真实验，既可以继承传统的预习方式，又能丰富现有的预习形式；既可以引起学生的思考，又能加强学生的探索能力。

例如，在初中化学中，“酸碱盐”的教学是教学重点，也是教学难点。进行这块内容教学时，笔者尝试让学生课前操作虚拟仿真实验，学生自主探究简单问题，观察实验现象，得出结论，保证课堂时间留给较难的知识点，提高课堂效率。具体而言，笔者讲解“常见的酸”这一课时，课前在“某课堂平台”中设置了“浓硫酸的性质”这一实验，作为作业提前布置。在该实验中，笔者为学生准备了浓硫酸、纸片、新鲜猪皮、蔗糖、水等材料，学生可以自行选择实验仪器，在实验界面右侧会显示相应的实验步骤和实验结论填空。学生通过虚拟仿真技术，自己动手操作得出浓硫酸的性质，体验知识产生的过程。这不仅让学生加强了对重点知识的理解，而且让学生获得一定的成就感。上述教学实例将虚拟仿真实验前置为作业的方式，不仅激发了学生的学习兴趣，提高了课堂效率，而且也符合“双减”政策，充分体现了该方式的前瞻性。

4.3  虚拟仿真技术拓展理化生学科实验课堂后知性

在理化生学科实验教学的课堂中，学生仅仅靠课堂的45分钟，不足以完全掌握所有知识点。通过虚拟仿真实验辅助教学，可以帮助学生进一步理解课堂难点，实现知识的后置性和学生的后知性，为学生课后复习提供了反思路径。

例如，在九年级科粤版化学教材中第二章第二节“物质的组成微粒”第一课时中，提到了物质组成的微粒——分子，分子这一概念在物理中已经有所涉及，学生已经明白分子是肉眼看不到的微观粒子。但在本节课中，还会学到宏观上能看到的物质正是由一个个看不见的分子所构成的，而宏观物质和微观分子的联系，则成为学生的理解盲区。此时，需要借助虚拟仿真实验中的分子微观模型搭建学生联系微观和宏观的桥梁，即虚拟仿真实验辅助“支架”式教学的展开。在这一节内容中，学生还需要掌握分子的特性和性质，“分子是不断运动的”这一点学生很容易理解，但是“分子是保持物质化学性质的一种微粒”这一点较难理解。课后，学生通过多媒体设备操作“氨分子的运动”这一实验，在实验台的左侧放一杯浓氨水，右侧放一杯酚酞溶液，将两杯溶液置于一个大烧杯下，过一段时间，学生发现，右侧烧杯变红了。此时，学生还不能准确得出结论。于是，笔者设置链式问题：酚酞溶液变红说明右侧溶液的酸碱性如何？是什么物质导致右侧溶液的酸碱性？该物质从哪来？……通过这些问题的引导，便可轻松得出：氨分子是不断运动的，运动的氨分子维持了它碱性的化学性质。

4.4  虚拟仿真技术提升理化生学科实验教学课堂效率

实验部分内容是初中理化生学科课程的重要组成部分，研究各地历年中考试题，发现实验部分是必考点。以化学学科为例，在选择题中常考查化学实验基本操作，填空题常考查气体制备和性质，实验探究题则多探究溶液和酸碱盐的性质，所以在中考备考复习阶段，部分初三化学实验是重点复习内容。就陕西省中考而言，分为纸质笔试和实验技能操作考核两部分内容，在实操环节，虚拟仿真技术的引进，至关重要。

虚拟仿真技术为师生构建一个“安全、高效、智能、低成本”的实验探究环境，让“人人都能开展实验探究”成为可能。虚拟仿真实验教学平台及数字化资源的使用，将极大丰富学生自主开展实验探究的形式。虚拟仿真技术在实验教学中的应用，能够帮助一线教师和学生解决以上问题。

利用虚拟仿真实验教学平台，学生可以选择在家庭、课堂、实验室等场地自主开展虚拟仿真实验操作。这就打破了传统实验的种种限制，对培养学生的操作能力、实验设计能力、对实验现象的分析能力、对实验结果的归纳总结能力等，都具有非常积极的意义。

例如，在初中阶段，气体制备实验包括氢气、氧气、二氧化碳的制备。氧气的实验室制备法有四种，分别为过氧化氢制取法、氯酸钾与二氧化锰加热生成氧气、高锰酸钾加热法、电解水制氧气。利用虚拟仿真技术，给学生陈列出所需的药品（过氧化氢、氯酸钾、二氧化锰、高锰酸钾等）、仪器（酒精灯、试管、试管夹、铁架台、电解装置、集气瓶、水槽、导管、橡胶塞等），让学生自主完成四种制备氧气的实验。经过教学实践，笔者发现在有限时间内，可以很好地检验学生所学知识。当他们看到所陈列药品后，能够快速想起所学的知识，达到复习知识的目的；同时，他们操作的过程中，会暴露一些不好的实验习惯，有助于教师对学生实验操作及时纠错，通过反复实验，加深他们对正确操作的印象，夯实基础。可见，虚拟仿真实验弥补了传统教学的不足，比如往常复习中纸上谈兵的现象。因而，在中考复习时，通过虚拟仿真实验的模拟操作，让学生可看、可想、可知和可用，在纸质化的双减作业完成中占有先机。

5  虚拟仿真技术辅助初中理化生学科实验教

学的未来展望

现代教学是与信息化、数字化深度融合的教学，加速推动教育数字化已成为全球共识。理化生学科当中的实验教学也不再局限于传统方式，有了虚拟仿真等技术的加持和辅助，师生开展实验教学有了更加灵活多样且有效的方式。基于目前的课题研究进展及参与师生的实践探索，笔者对虚拟仿真技术辅助初中理化生学科实验教学的优势、思路以及实践方式等有了更多更全面的认识，与此同时，也对其未来发展提出以下几点展望。

5.1  正确认识虚拟仿真技术对于实验教学的辅助作用

不能否认，虚拟仿真技术辅助实验教学有很多的优势，但它不能完全取代课本中规定的实验。要正确认识到，实验教学要以学生为中心，要以提升学生真正的动手能力，培养学生探究能力、创新能力为目标[3]。以化学学科为例，线下的化学实验室依然是实现实验教学的主要场所，虚拟实验再好也不能取而代之。虚拟仿真实验对于初中化学“支架”式教学来说，是一种非常不错的辅助方式，它陪伴试管实验而生，如果将虚拟仿真技术和试管实验有机结合，那么将会使师生实验教学的开展更加灵活有效，使更多学生参与实验教学中，实现更佳的教学效果。

5.2  推动虚拟仿真实验室共建共享，加强教师培训

虚拟仿真技术是一门集合了众多内容的综合性技术，信息化资源的载体及相关教学资源均可应用于虚拟仿真实验项目课程的教学设计。然而，目前大多数虚拟仿真实验教学中，对其负载的信息化资源还未实现充分和有效的利用，教学设计不够深入和有效[4]。在可预期的未来，需要建设更加完善的虚拟实验平台，打造永不关门的全新数字化学科实验室，同时加强师资培训，提高教师借助虚拟仿真平台进行实验教学内容设计的专业能力。将虚拟仿真实验室充分利用起来，结合在线教学平台的教学优势，加强虚拟实验教学的评估与质量监控，积极探索虚拟仿真技术在理化生学科实验教学与科研中的有效应用，强力推动数字化教育及理化生学科实验教学的发展。

5.3  促进虚拟仿真技术与实验教学的深度融合与实践

在中学学习阶段，利用虚拟仿真技术辅助理化生学科实验教学是一种提升实验课堂效果的有效方式，但是如何促进其与实验教学的深度融合还有待进一步思考。在后续的研究中，参与本课题的学校、教师和学生，还会继续探索如何更好地应用虚拟仿真实验教学平台为实验教学服务，提炼、总结有效的教学模式和学习策略，包括构建可视化的教學流程、开展混合式教学、支架式教学等。相信在更多的教学案例、教学视频、教学心得等课题成果汇总之后，一定能够找到比传统实验教学更有效的实验教学模式和学习策略。

6  参考文献

[1] 生悦，宋亚坤，林飚，等.基于“互联网+教育”的普通生物学实验教学改革与实践[J].高校生物学教学研究（电子版），2022，12（6）：53-59.

[2] 何聚厚，梁瑞娜，韩广欣，等.基于虚拟现实技术的深 度学习场域模型构建研究[J].电化教育研究，2019，40（1）：59-66.

[3] 曹锦佳，赵佳蔚，向东.虚拟仿真实验中存在的问题分析与对策研究：从“以学生为中心”为主切入点[J].教育教学论坛，2023（3）：185-188.

[4] 张连明，李旦，李建平，等.多维度探索提升化学虚拟仿真实验的教学效果与改革实践[J].创新创业理论研究与实践，2022，5（24）：38-41.