虚拟现实（VR）技术在高中生物学实验项目化学习中的应用

摘要：虚拟现实（VR）技术是一项全新的实用技术。在高中生物学实验项目化学习中，虚拟现实技术能解决知识过于抽象、难以理解的问题。本文从两者结合的可行性分析，以及相关教学资源的设计出发，以“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”为例，探索如何将虚拟现实技术应用在高中生物实验项目化学习中，以期为教育工作者提供新思路。

关键词：虚拟现实技术；高中生物学；实验教学；项目化学习

文章编号：1003-7586（2024）05-0055-03 中图分类号：G633.91 文献标识码：B

教育部等多部委联合印发的《教师教育振兴行动计划（2018-2022年）》指出，要充分利用虚拟现实等新技术，推进教师教育信息化教学服务平台建设和应用，推动以自主、合作、探究为主要特征的教学方式变革。

虚拟现实（VR）技术是一项全新的实用技术，具有沉浸感、可视化和交互性。在高中生物学实验项目化学习中，虚拟现实技术能解决某些知识过于抽象、难以理解的问题，进而促进学生生物学学科核心素养的培养。

1虚拟现实技术与高中生物学实验项目化学习结合的可行性分析

1.1虚拟现实技术的优势

1.1.1沉浸感和可视化

虚拟现实技术能够创造出逼真的虚拟环境，可以让学生沉浸在历史和未来，对虚拟场景的各种刺激产生共鸣。例如，虚拟现实技术可以模拟实际实验室的环境和实验操作，使学生利用能够相应设备在虚拟环境中进行实验，体验真实的实验过程，提高实验操作技能，同时避免了潜在实验风险，降低了实验成本。虚拟现实技术还能够将抽象的概念和数据可视化，使学生由观察者变为参与者直接参与实验，能够更直观地理解和处理信息。

1.1.2交互性和实时性

虚拟现实技术鼓励学生通过手势、语音和控制器等方式与虚拟环境进行交互。这种交互性能够给学生提供更多的自由度和创造空间，进而激发学习热情。这种技术还能够实时呈现学生的动作并及时反馈，使学生能够了解自己的操作和决策的结果，促进学生深度学习和思考。

1.1.3跨越时空限制

虚拟现实技术通过场景设置，能够让学生在虚拟世界中跨越时间和空间的限制，体验和参与远距离的活动和事件。例如，通过切换场景，学生能在一节课中参与多个实验，或者在场景中体验持续时间较长的实验及结果。

1.2高中生物学实验项目化学习的目标设定

项目化学习（Project-Based Learning，PBL）是一种动态的学习方法，学生通过主动探索现实世界的问题和挑战过程获得更高层次的知识和技能。项目化学习具有自身的优势和特点，它适合应用在高中生物学实验教学中。

在目标设定方面，高中生物学实验项目化学习以核心概念为基础，教师需要明确教学的重难点，并在此基础上积极推进学生由表层学习到深层学习的转变，由重结果到重过程的转变，以及由单向思维到多元思维的变革。

1.3两者结合的可行性分析

美国教育学学者埃德加·戴尔（Edgar Dale）的“学习金字塔”理论认为，学生对于学习情境的参与度越高，记忆就越牢固，借助体验习得的知识经验效率远高于传统教学培训方式（文字符号、录音广播、静态图片等）。

在常规实验项目化学习中，面对生物学实验中微观抽象的生物结构和复杂动态的生理过程，学生容易停留在表层学习。而与虚拟现实技术结合后，学生在完成项目化学习时会沉浸其中，积极参与，不断探索，进行深层学习。学生借助虚拟现实技术能够“真听、真看、真感觉”，获取并运用良好的知识结构，加深对实验过程的认识，而不只关注实验结果，这更有利于学生对抽象概念的理解和多元思维的形成。

2高中生物学实验项目化学习中虚拟现实技术教学资源的设计

2.1设计要求

项目设计是高中生物学实验项目化学习实施的前提。虚拟现实技术可以为高中生物学实验项目化学习提供相关技术支持，但不是所有实验都适用。首先，教师要根据学科程标准和教学内容筛选适合使用虚拟现实技术的生物学实验，再设计脚本（提供多种可能性），与虚拟现实技术团队反复沟通、反馈、修改。其次，在脚本确定后，虚拟现实技术团队完成脚本的开发与测试，制作出适配高中的虚拟教学资源，并确保其正常运行。最后，教师应在实验前试用，测试各种可能性，确保学生接触到科学、有效的教学资源。

2.2设计框架

本文在项目化学习模式构建过程中，参考其他基于虚拟现实技术的项目化教学模式，并考虑到高中生物学实验的特殊性，构建了基于虚拟现实技术的高中生物学实验项目化学习的模式框架（见图1）。

2.3反馈与评价

学生在完成高中生物学实验项目化学习时，教师需要对项目的完成情况进行评价，以获得丰富的评价信息，为后续项目的优化提供信息支持。项目化学习主要采用过程性评价，观察学生在完成实验项目时的实验操作、问题解决、团队协作等具体表现，进行有依据的评价。同时，教师也可以请学生参与评价，进行自评、互评等活动，促进学生全方位成长。

3虚拟现实技术在高中生物学实验项目化学习中的实践案例

《普通高中生物课程标准（2017年版2020年修订）》指出，组织以探究为特点的主动学习是落实生物学学科核心素养的关键。本文以“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”为例，探索虚拟现实技术是如何在高中生物实验项目化学习中应用的。

3.1项目设计

“酵母菌及种群数量增长”的相关知识一直是高中生学习的重难点。因为酵母菌体积小，较为微观，难以观察，所以选择运用虚拟现实技术进行二次探究，加深学生对酵母菌和种群数量增长的认知，掌握测定种群数量的方法，提升概括与归纳的科学思维能力。

3.2项目实施

3.2.1情境引入

教师利用图片和文字，展示科技前沿研究成果，沉浸式引入：我国科学家利用化学物质合成了四条人工设计的酿酒酵母染色体，标志着人类向“再造生命”又迈进一大步，作为模式生物的酵母菌为科学家探索生命的奥秘做了很大的贡献。

3.2.2问题解决

教师展示两个锥形瓶，分别装有四天前开始培养的酵母菌液和当天刚开始培养的酵母菌液。学生发现培养液的浑浊程度不一样，猜测可能是酵母菌代谢产物增多引起的，也可能是酵母菌的数量增多引起的。

教师引导学生分析：酵母菌的代谢产物是酒精、CO2、水等，这些产物都溶于培养液，不影响液体的透明程度。进而明确这节实验课的目的是再次探究酵母菌数量是否会随着培养时间延长而增加及其增长规律。

3.2.3实践探究

教师带领学生回顾实验原理，剖析实验原理的深层含义，并回忆传统的“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”实验是如何开展的。学生回答这个实验需要七天时间，每天固定时间计数，耗时很长且效率不高。教师继续追问如何提高实验效率？由此将虚拟现实技术引入实验教学。

3.2.4沉浸学习

教师引导学生打开电脑软件，带上虚拟现实头盔，拿好虚拟现实手柄，按照软件上的实验操作提示进行酵母菌培养操作，并在实验单上记录实验要点（见图2）。学生用虚拟现实技术更好地掌握实验步骤，学会血细胞计数板（见图3）的使用方法，留下了深刻的印象。教师在学生体验实验的过程中要提醒实验注意点。学生可以事先设计好表格，记录好数据后，根据表中的数据，画出相应的坐标图。

3.2.5交互创作

在实验过程中，沉浸式体验激发了学生的学习热情思维的活跃。学生开始思考：pH值和温度如何影响种群数量？利用虚拟现实技术快速地体验了实验，在实际实验过程中能否对该实验进行改进，从而在一天内完成七组数据的统计？

3.2项目评价

在实验过程中，教师观察学生在完成实验项目时的实验操作、问题解决、团队协作等具体表现，进行有依据的评价并做好记录。还可以通过小组互评BTS/18wuDulqgC+4JIpazQ==的方式对项目进行有效评价，促进教学资源的完善和教学质量的全面提升。

4教学反思

“搛究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”实验设计有助于开展以探究为目的的主动学习，促进学生生物学学科核心素养的提升。

本实验将虚拟现实技术与项目化学习相结合，打破空间和时间的限制，让学生在一节课的时间内沉浸式体验实验的全过程。在整个实验过程中，教师针对性地构建虚拟情境，引导学生进行探究，进一步加深了学生对酵母菌和种群数量增长的认知，提升了概括与归纳的科学思维能力。

教育工作者可以与虚拟现实的技术人员深度合作，开发更多的资源，并充分运用于高中生物学实验中，推动高中生物学实验项目化学习的发展。虚拟现实技术在高中生物学实验项目化学习中的应用，不仅革新了教学模式，提升了学习效果，还为学生提供了更为广阔的学习空间和可能性。未来随着虚拟现实技术的不断成熟和教育理念的深入发展，笔者期待这一技术在能够生物学教育中发挥更大的作用，从而推动学生科学素养和创新精神的发展。