虛擬實驗在中學(xué)生物教學(xué)中的應(yīng)用

【摘 要】本文論述虛擬實驗在中學(xué)生物教學(xué)中應(yīng)用，認(rèn)為虛擬實驗可以應(yīng)用在難度與危險系數(shù)較大的生物實驗中，或應(yīng)用在真實實驗前的指導(dǎo)、生物課的理論學(xué)習(xí)，以及課后復(fù)習(xí)環(huán)節(jié)中，提出利用虛擬實驗幫助學(xué)生理解實驗原理，了解操作方法與過程;利用虛擬實驗重復(fù)實驗與開展個性化學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性與創(chuàng)新操作能力;利用虛擬實驗輔助學(xué)生完成難度大的實驗，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力;利用虛擬實驗為學(xué)生創(chuàng)設(shè)更大自主探究的空間，培養(yǎng)學(xué)生的合作學(xué)習(xí)精神。

【關(guān)鍵詞】中學(xué)生物 虛擬實驗 生物實驗 實驗原理 自主探究

【中圖分類號】G ?【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2019）03B-0146-02

生物實驗教學(xué)是中學(xué)生物教學(xué)的重要組成部分。生物教學(xué)中涉及許多生物解剖實驗，以及一些難度與危險系數(shù)較大的實驗。但是，為了培養(yǎng)學(xué)生熱愛大自然、愛護生物的積極情感，保障學(xué)生的實驗安全，生物新課標(biāo)背景下的生物新教材已經(jīng)刪除了部分實驗。可是，如果學(xué)生不進(jìn)行實驗就不可能深入地了解生物知識，所以生物新課標(biāo)倡導(dǎo)生物實驗的多樣化，建議有條件的學(xué)校可以通過多媒體開展生物虛擬實驗。在目前的中學(xué)生物教學(xué)中，部分教師對于虛擬實驗還沒有深入的了解，影響了生物教學(xué)有效性的提高。因此，如何通過虛擬實驗提高中學(xué)生物教學(xué)的有效性，是擺在中學(xué)生物教學(xué)面前的重要課題。

一、虛擬實驗在生物教學(xué)中的應(yīng)用范圍

虛擬實驗室是一種模擬實驗，以現(xiàn)代信息技術(shù)為支撐，學(xué)生除了可以運用計算機進(jìn)行模擬實驗外，還可以運用數(shù)據(jù)手套、力矩球、數(shù)據(jù)眼鏡等設(shè)備，在信息技術(shù)創(chuàng)設(shè)的虛擬環(huán)境下進(jìn)行輸入與輸出操作。學(xué)生在虛擬實驗中，通過動手、觀察，了解、掌握生物知識，完成生物知識的建構(gòu)。也就是說，學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，通過多媒體等信息技術(shù)手段，再現(xiàn)真實的實驗過程，在這個過程中，學(xué)生可以親手操作，近距離觀察。生物實驗室需要有比較完備的實驗軟件及傳感器，在虛擬實驗中，不是單純地運用多媒體課件，而是通過比較完備的設(shè)施及模擬實驗系統(tǒng)使虛擬實驗具有交互性，不單是教師的演示實驗，更重要的是發(fā)揮學(xué)生主體作用，讓虛擬實驗教學(xué)發(fā)揮獨特的作用。

虛擬實驗主要在中學(xué)生物教學(xué)的以下環(huán)節(jié)中應(yīng)用：第一，在難度與危險系數(shù)較大的生物實驗中應(yīng)用。在中學(xué)生物教學(xué)中會遇到許多由于安全、生物保護等客觀原因不能用實物做實驗的問題，虛擬實驗正好可以突破這些客觀因素的限制，填補生物實驗的空白。第二，應(yīng)用在真實實驗前的指導(dǎo)。為了保障真實實驗的有效進(jìn)行，提高真實實驗的效率，在實驗前教師可以引領(lǐng)學(xué)生開展虛擬實驗，在虛擬實驗中，學(xué)生可以初步了解實驗原理，搞清楚實驗步驟，以及實驗中需要注意的問題，為進(jìn)行真實實驗打好基礎(chǔ)。第三，應(yīng)用在生物課的理論學(xué)習(xí)中。教師在講解生物知識點時，為了更深入地說明問題，可以運用虛擬實驗，給學(xué)生更直觀形象的展示，讓學(xué)生更深入地理解知識。也就是說，在講解的過程中，可能會涉及一些危險的、微觀的、宏觀的知識內(nèi)容，無法通過真實實驗來實現(xiàn)，在這種情況下，虛擬實驗就發(fā)揮了其應(yīng)有的作用。第四，應(yīng)用在生物課后復(fù)習(xí)的環(huán)節(jié)中。因為學(xué)生在生物復(fù)習(xí)過程中必然會產(chǎn)生許多的疑問，這時候進(jìn)行真實實驗極不便捷，甚至也沒有必要。虛擬實驗室具有便捷性，在復(fù)習(xí)中學(xué)生完全可以運用虛擬實驗室解決疑難問題，完成對知識的理解與鞏固。

二、虛擬實驗在中學(xué)生物實驗教學(xué)中的具體應(yīng)用

（一）利用虛擬實驗幫助學(xué)生理解實驗原理，了解操作方法與過程。在新課改背景下，中學(xué)生物教學(xué)的重點是培養(yǎng)學(xué)生的生物綜合素養(yǎng)，生物實驗的內(nèi)容也隨之增多。但是，由于生物課時沒有相應(yīng)增多，加之各學(xué)科整體課程教學(xué)的需要，生物課時還有所減少，導(dǎo)致中學(xué)生物教學(xué)課時緊張，影響了開齊開全實驗課要求的落實。部分教師為了完成教學(xué)計劃，通常用短暫的實驗示范設(shè)計實驗環(huán)節(jié)，造成學(xué)生對生物知識點理解不透徹，對生物實驗原理理解不全面，反而延長了實驗時間，學(xué)生學(xué)習(xí)的效果并不理想。

如果生物學(xué)科任課教師在開展真實的實驗之前，運用虛擬實驗的形式指導(dǎo)學(xué)生，學(xué)生就會對真實實驗要做哪些準(zhǔn)備、經(jīng)過哪些環(huán)節(jié)、實驗中有哪些注意事項、實驗原理等有一個較全面的了解，這樣在進(jìn)行真實實驗時，學(xué)生可以直奔主題，節(jié)省老師講解組織的時間，把大量的時間用在實驗操作上，學(xué)生實驗起來也就得心應(yīng)手，不會出現(xiàn)儀器損壞現(xiàn)象，避免操作失誤與實驗事故。例如，在傳統(tǒng)的生物實驗中，往往是先由教師操作演示顯微鏡如何使用，再由學(xué)生進(jìn)行實際操作，由于學(xué)生對顯微鏡的操作十分生疏，教師在演示操作時，學(xué)生的注意力大多集中在顯微鏡上面，從而沒有認(rèn)真聽講與理解教師所講解的注意事項，導(dǎo)致實驗效果不是很理想，甚至發(fā)生損壞玻片標(biāo)本或者顯微鏡鏡頭的問題。但是在實驗之前運用虛擬實驗指導(dǎo)學(xué)生，就可以避免發(fā)生以上問題。學(xué)生在虛擬實驗中已經(jīng)有所準(zhǔn)備，就可以在真實實驗中反復(fù)操作與訓(xùn)練，達(dá)到熟練的程度。這樣學(xué)生通過虛擬實驗與真實實驗兩個過程，能夠更加深刻地理解實驗原理。此外，學(xué)生可以在學(xué)習(xí)中隨時運用虛擬實驗的課件，根據(jù)自己學(xué)習(xí)中的疑點與難點進(jìn)行自主虛擬實驗，這不僅使學(xué)生在課前預(yù)習(xí)中對實驗原理有所理解，而且使他們了解到實驗中要用到哪些儀器與設(shè)備，了解儀器設(shè)備的性能及使用方法，對真實實驗產(chǎn)生直觀認(rèn)識，從而拓展生物實驗的時間與空間。

（二）利用虛擬實驗重復(fù)實驗與開展個性化學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性與創(chuàng)新操作能力。真實的生物實驗固然有其優(yōu)點與長處，但是在實驗中要用到真實的儀器與設(shè)備，要消耗實驗材料，所以真實實驗必然要考慮到節(jié)約利用實驗資源的問題，教師也會對學(xué)生運用實驗材料的次數(shù)進(jìn)行限制。并且，在生物實驗教學(xué)中，存在著一些用時較長的實驗，需要學(xué)生花費較長的時間去探究并總結(jié)規(guī)律，如進(jìn)行“酸雨對生物的影響”的真實實驗，由于時間較長，在課堂上不可能完成。學(xué)生在課堂上通過觀察相關(guān)圖片，聽教師的語言描述，但是由于沒有親手操作的機會，難以收到理想的實驗教學(xué)效果。虛擬實驗具有可復(fù)制性與便捷性的特點，學(xué)生可以重復(fù)實驗，即使周期很長的實驗，學(xué)生通過虛擬實驗也可以在短時間內(nèi)完成，這不僅克服了真實實驗受次數(shù)限制的弊端，而且也體現(xiàn)了學(xué)生的主體學(xué)習(xí)地位。同時，在虛擬生物實驗中，學(xué)生可以根據(jù)自己的學(xué)習(xí)計劃，對自己感興趣的問題進(jìn)行隨時實驗，在實驗過程中可以產(chǎn)生新的問題，再通過實驗使問題得以解決。學(xué)生通過復(fù)習(xí)舊知，建構(gòu)新知，提出新的實驗方案，提出自己的設(shè)想與意見，可以促使創(chuàng)新思維能力的發(fā)展，形成個性化學(xué)習(xí)。此外，學(xué)生在虛擬實驗中也可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互動，交流探究學(xué)習(xí)中產(chǎn)生的問題，使問題得以解決，這樣就可以傾聽別人的學(xué)習(xí)意見，集眾家智慧，不斷改善自己的學(xué)習(xí)，產(chǎn)生新的想法，在合作學(xué)習(xí)中加深對知識的理解，從而產(chǎn)生學(xué)習(xí)的主動性，促進(jìn)創(chuàng)新能力的形成。

（三）利用虛擬實驗輔助學(xué)生完成難度大的實驗，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力。虛擬實驗與真實實驗相比具有自身獨特的優(yōu)勢。一些實驗難度太大，或者根本無法完成的實驗，都可以通過虛擬實驗來完成，從而輔助學(xué)生更好地完成知識的建構(gòu)。如生物實驗教學(xué)中有些實驗材料與器材非常昂貴，而學(xué)校的經(jīng)費比較緊張，難以在這些實驗上進(jìn)行投入，條件不具備的學(xué)校就很難開展此類實驗，而虛擬實驗可以填補因為花費高而無法開展生物實驗的缺憾，達(dá)到節(jié)約資源與經(jīng)費的目的。例如生物實驗教學(xué)中的“探究植物光合作用”的實驗，需要數(shù)量不少的天竺葵，每個班級就需要 20 余盆，一個年級就需要上百盆的天竺葵。一旦學(xué)生在實驗中出現(xiàn)操作不當(dāng)?shù)膯栴}，就會造成巨大的損失，浪費經(jīng)費。而引入虛擬實驗后，這個問題就可以得到很好的解決。

虛擬實驗以現(xiàn)代信息技術(shù)為依托，運用信息技術(shù)手段創(chuàng)設(shè)情境，學(xué)生可以置身于逼真的環(huán)境中操作生物對象，學(xué)生在這種情境中體驗，發(fā)現(xiàn)問題，產(chǎn)生疑問，激發(fā)探究欲望。如在進(jìn)行解剖青蛙的虛擬實驗中，學(xué)生可以在逼真的情境中觀察到直觀生動的形象，從而產(chǎn)生想象，結(jié)合生活經(jīng)驗激活對知識的記憶，從而從舊知出發(fā)，不斷與新知產(chǎn)生聯(lián)系，學(xué)生溫故知新，最終完成知識的建構(gòu)。虛假實驗室為學(xué)生的探索提供了廣闊的空間，學(xué)生在實驗中可以發(fā)現(xiàn)生物奧秘，跟科學(xué)家一樣進(jìn)行探索，在研究過程中體驗收獲的快樂，體味發(fā)現(xiàn)與探究的樂趣。這對于學(xué)生培養(yǎng)創(chuàng)新精神、形成探索能力具有十分重要的促進(jìn)作用。學(xué)生在虛擬實驗室中的主要實驗方式是人機交互式對話與操作，實驗過程具有很強的智能性，同時也特別適合中學(xué)學(xué)生的探究特點，實驗過程富有形象性與趣味性，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生樂于在實驗中發(fā)現(xiàn)問題，提出問題，進(jìn)而進(jìn)行自主或者合作探究，有效培養(yǎng)了學(xué)生的探究精神與科學(xué)態(tài)度。

（四）利用虛擬實驗為學(xué)生創(chuàng)設(shè)更大自主探究的空間，培養(yǎng)學(xué)生的合作學(xué)習(xí)精神。虛擬實驗室依靠信息技術(shù)，將逼真的虛擬實驗生動地展現(xiàn)在學(xué)生面前，可以有效吸引學(xué)生的注意力，刺激學(xué)生的感官。當(dāng)學(xué)生進(jìn)入虛擬實驗系統(tǒng)時，就可以自主在電腦上學(xué)習(xí)生物實驗原理，總結(jié)生物規(guī)律。如果學(xué)生操作不正確，系統(tǒng)會給出有關(guān)操作的正確做法，提示接下來的實驗操作。在這種實驗環(huán)境下，學(xué)生是以小組為單位進(jìn)行探究的，每個小組一臺電腦，成員之間進(jìn)行明確分工。如學(xué)生甲負(fù)責(zé)材料的整理，學(xué)生乙負(fù)責(zé)試劑的調(diào)制，學(xué)生丙負(fù)責(zé)進(jìn)行操作，整體任務(wù)由小組合作完成，在實驗過程中小組成員需要進(jìn)行密切合作，遇到問題一起探究，有利于促進(jìn)學(xué)生合作學(xué)習(xí)精神的形成。并且，虛擬實驗室的虛擬實驗系統(tǒng)會對一些實驗細(xì)節(jié)進(jìn)行放大處理，學(xué)生可以全方位進(jìn)行觀察，然后再進(jìn)行實際的練習(xí)，實驗成功率會大大提高。

在中學(xué)生物教學(xué)中運用虛擬實驗室教學(xué)，可以幫助學(xué)生理解實驗原理，清晰實驗步驟，提高實驗技巧，從而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，培養(yǎng)科學(xué)精神，幫助學(xué)生完成一些難度高、危險系數(shù)大的實驗，提高學(xué)生的探究能力。虛擬實驗還可以促進(jìn)學(xué)生的合作學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的合作能力。因此，教師在教學(xué)中要注重根據(jù)生物教學(xué)及中學(xué)學(xué)生的特點，科學(xué)設(shè)計虛擬實驗環(huán)節(jié)，提高學(xué)生的生物綜合素養(yǎng)。

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[2]林鳳屏，黃 飛，陳必鏈.虛擬實驗室在生物教學(xué)中的應(yīng)用與研究[J].實驗室科學(xué)，2016（2）

【作者簡介】任飛航（1981— ），男，廣西興業(yè)人，興業(yè)縣第一中學(xué)教師，中學(xué)二級教師。

（責(zé)編 江月陽）