虛擬實驗室在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用實踐淺析

摘 要：實驗探究是學(xué)習(xí)生物的重要方法，它可以充分展示出生物變化的過程，揭示生命活動的規(guī)律，教師應(yīng)注重生物實驗的設(shè)計和開發(fā)。虛擬實驗室以先進的信息技術(shù)為基礎(chǔ)，具有高效、精確、智能化等特點。高中生物教學(xué)中虛擬實驗室的創(chuàng)建和應(yīng)用，能夠為學(xué)生提供一個仿真學(xué)習(xí)的環(huán)境，不僅能夠有效解決傳統(tǒng)實驗中遇到的各種難題，還為高中生物教育的創(chuàng)新實踐提供了一條全新路徑?；诖?，文章淺析虛擬實驗室在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用實踐，以期為課程改革的深入發(fā)展提供一定理論借鑒。

關(guān)鍵詞：實驗探究；虛擬實驗室；高中生物教學(xué)；創(chuàng)建和應(yīng)用

生物是一門十分重要的自然學(xué)科，主要通過研究生物的性質(zhì)和功能，闡明生命活動的發(fā)展規(guī)律。實驗是檢驗、證實理論的一種學(xué)習(xí)活動形式，它能夠培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、實踐能力和創(chuàng)新能力，幫助學(xué)生樹立起大膽質(zhì)疑與實事求是的科學(xué)精神。但傳統(tǒng)的高中生物實驗教學(xué)尚不完善，受教學(xué)時長、實驗設(shè)備短缺、實驗材料不易獲取等條件的限制，學(xué)生的生物實驗需求并不能得到很好地滿足?！镀胀ǜ咧猩镎n程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱新課標(biāo)）提出：“信息技術(shù)為生物課堂提供了視頻、模擬實驗等豐富的教學(xué)資源，教師應(yīng)充分利用信息技術(shù)，開展多種形式的教學(xué)活動?！庇缮峡芍?，新課標(biāo)倡導(dǎo)育人方式的轉(zhuǎn)變，旨在通過信息技術(shù)資源的開發(fā)和運用，減少實驗活動對耗材及場地的依賴。因此，教師應(yīng)遵循課標(biāo)理念，對當(dāng)前的實驗教學(xué)作出改進與創(chuàng)新，以扭轉(zhuǎn)“知識本位”的課程現(xiàn)狀，全面提高高中生物教學(xué)的有效性。

一、高中生物教學(xué)應(yīng)用虛擬實驗室的意義

虛擬實驗室是運用信息技術(shù)構(gòu)建而成的一種數(shù)字化、仿真化的實驗操作系統(tǒng)，它能夠為使用者提供一個開放式的應(yīng)用環(huán)境，并且具有過程可視化、利用率高、易維護等優(yōu)點，最早被用于科學(xué)研究工作中。進入21世紀(jì)后，隨著虛擬技術(shù)的進一步發(fā)展，人們將虛擬實驗室引入教育領(lǐng)域，大量應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的教學(xué)和實驗中。虛擬實驗室創(chuàng)建出了數(shù)字化的實驗環(huán)境，能夠?qū)嶒炂鞑?、藥品進行高度模擬和仿真，學(xué)生控制鼠標(biāo)、鍵盤等終端設(shè)備，就能用模擬材料開展實驗，還能將整個實驗過程以可視化的方式呈現(xiàn)出來，并產(chǎn)生一系列的實驗結(jié)果[1]。

對生物這門學(xué)科而言，實驗是學(xué)生開展學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)，通過具體的生物實驗，可以充分展示各種生物現(xiàn)象，更好地揭示生物的原理和規(guī)律。尤其是高中生物教材中的實驗，其依據(jù)新課標(biāo)編寫而成，其中的知識豐富、類型典型，在學(xué)業(yè)要求上，不僅突出基礎(chǔ)知識和基本技能，還全面滲透核心素養(yǎng)培養(yǎng)的相關(guān)內(nèi)容，要求通過具體的實驗課程，鍛煉和提高學(xué)生的觀察、分析、動手等能力。但是，現(xiàn)實的生物實驗受諸多不利因素的影響，比如藥品短缺、課時不足、學(xué)生動手能力弱等，導(dǎo)致其成為高中生物教學(xué)的薄弱環(huán)節(jié)。這就需要教師作出改進，統(tǒng)整優(yōu)質(zhì)的教育資源，不斷完善實驗教學(xué)。

將虛擬實驗室引入高中生物實驗課程中，能夠充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)輔助教學(xué)的功能：學(xué)生通過多媒體設(shè)備可以反復(fù)觀看實驗過程，了解、熟悉實驗所用到的器材和藥品，提高對實驗原理和方法的認識程度；另外，學(xué)生在多媒體設(shè)備上就能開展實驗，既實現(xiàn)了操作的簡化，還能獲得豐富的視覺、聽覺等感官體驗，有助于將抽象的生物理論知識形象化地表現(xiàn)出來，因此。虛擬實驗室蘊含的新技術(shù)、新方法和新思維為高中生物教學(xué)注入了新力量，它促發(fā)了教育機理、教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變，能夠極大改善高中生物的教育質(zhì)量[2]。

二、虛擬實驗室的主要特征

（一）仿真性

仿真性指虛擬實驗室對場景和真實實驗的模擬具有較高的相似度，在高中生物實驗課程中，這種仿真性通常表現(xiàn)在以下幾個方面。第一，實驗環(huán)境。虛擬實驗室可以高度還原現(xiàn)實的生物實驗環(huán)境，包括實驗室設(shè)備、儀器、生物樣本、反應(yīng)條件等，能夠讓學(xué)生獲得沉浸式的學(xué)習(xí)體驗；第二，實驗操作。虛擬實驗室能夠真實還原生物實驗的各種過程，如樣本處理、儀器使用、數(shù)據(jù)分析等。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進行模擬操作，有助于應(yīng)用能力的提高；第三，實驗原理。虛擬實驗室可以模擬復(fù)雜的生物系統(tǒng)和生物反應(yīng)，有助于學(xué)生深入理解生物作用的原理，并對可能出現(xiàn)的結(jié)果作出預(yù)判?？傊?，虛擬實驗室具有高度仿真的優(yōu)點，學(xué)生只需要在應(yīng)用界面上進行操作就能完成實驗，節(jié)約了大量的實驗器材和藥品，降低了實驗成本，使得很多復(fù)雜實驗的實施成為可能。

（二）交互性

交互性是虛擬實驗室所具有的一種特殊功能，學(xué)生進行操作時，不僅能夠獲取數(shù)據(jù)庫中的各種信息，還能與教師、其他學(xué)生乃至平臺本身產(chǎn)生多向交流和互動[3]。多種思維相互碰撞下，能夠促進學(xué)生產(chǎn)生出更多的創(chuàng)意和想法。首先，虛擬實驗室具備直觀的操作界面和多種操作模式，如鼠標(biāo)點擊、鍵盤輸入、觸屏控制、語音識別等。學(xué)生可以根據(jù)自身喜好，選擇適宜的控制方式，對實驗進程進行有效管控；其次，在傳統(tǒng)實驗中，教師的指導(dǎo)與學(xué)生的操作大多不同步，容易出現(xiàn)學(xué)生操作失誤導(dǎo)致實驗失敗的現(xiàn)象，而虛擬實驗以網(wǎng)絡(luò)作為信息的載體，師生之間便于實時交流，任何問題都能得到快速反饋與解決，顯著提高了實驗的成功率；最后，虛擬實驗室支持多人在線使用，學(xué)生在虛擬環(huán)境中能夠得到他人的協(xié)作。這種協(xié)作通常以實時聊天、共享結(jié)果、共同進行操作等方式實現(xiàn)，極大地提高了生物實驗的效率。

（三）靈活性

虛擬實驗室在設(shè)計、開發(fā)上遵循“面向?qū)ο蟆钡睦砟睿攸c突出學(xué)生在應(yīng)用中的主導(dǎo)地位，其在空間、時間、對象、操作上變得十分靈活，學(xué)生能夠根據(jù)實際學(xué)習(xí)需求自主調(diào)整實驗，其靈活性主要表現(xiàn)在以下幾個方面。第一，當(dāng)實驗結(jié)果不理想時，學(xué)生只需要在操作終端改變因變量的數(shù)值，就能清楚觀察到生物反應(yīng)所發(fā)生的變化，并得到新的實驗結(jié)果；第二，虛擬實驗室的靈活性也表現(xiàn)在運用時機上，教師可以根據(jù)實驗的特點，在預(yù)習(xí)、實操、復(fù)習(xí)或評價等不同階段，隨時調(diào)用或向?qū)W生展示相關(guān)信息；第三，虛擬實驗室開通遠程共享功能后，學(xué)生便能根據(jù)自身的特長、學(xué)習(xí)進度，隨時隨地開展個性化的實驗，這樣就能充分掌握學(xué)習(xí)主動權(quán)，大大提高學(xué)習(xí)效率。因此，虛擬實驗室的應(yīng)用不僅能夠適應(yīng)現(xiàn)代學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和生活節(jié)奏，還調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、自主性。

三、虛擬實驗室在高中生物實驗教學(xué)中的應(yīng)用策略案例

人教版高中生物教材一共收錄了29個實驗，這些實驗十分經(jīng)典，是不同歷史時期的學(xué)者們在生命科學(xué)上取得的重大發(fā)現(xiàn)和突破，深入地揭示出生命活動的奧秘，直接推動了生命科學(xué)的發(fā)展。學(xué)生在虛擬實驗室中完成這些實驗，不僅能夠加深對生物概念、原理和規(guī)律的理解，還能領(lǐng)悟科學(xué)家是如何提出問題、尋找依據(jù)、不斷深入解決問題的，并在來龍去脈的追根溯源中探清生物知識的本質(zhì)[4]。

教師組織學(xué)生用虛擬實驗室開展實驗時，應(yīng)從實際學(xué)情出發(fā)，在控制好時間和難度的前提下，設(shè)計多元、豐富的實驗方案，發(fā)揮信息技術(shù)在補教上的功能，促進學(xué)生對生物知識形成多維、深刻的理解。本文以人教版高中生物必修1第五單元的實驗“探究酵母菌細胞呼吸的方式”為例，探討虛擬實驗室在高中生物實驗中的應(yīng)用。

（一）實驗內(nèi)容分析

“探究酵母菌細胞呼吸的方式”是《細胞呼吸的原理和應(yīng)用》小節(jié)中的重要實驗。從內(nèi)容上看，本節(jié)用物質(zhì)與能量觀分析了細胞呼吸將有機物中的能量轉(zhuǎn)化為可利用能量的過程，對自然界中ATP的主要來源作出了解釋，并為下一節(jié)“光合作用”的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。新課標(biāo)也提出：通過實驗活動達成對“細胞的生存需要能量和營養(yǎng)物”這一概念的理解。以上述內(nèi)容為依據(jù)，設(shè)計“探究酵母菌細胞呼吸的方式”虛擬實驗，促發(fā)學(xué)生的感性認識，幫助他們克服學(xué)習(xí)生物微觀結(jié)構(gòu)的困難，加深對生物知識的理解。

另一方面，“探究酵母菌細胞呼吸的方式”屬于綜合性實驗，教材中雖然提供了一個較為完善的參考方案，但在實際操作過程中，通常面臨以下問題：1.培養(yǎng)和通氣時間過長；2.裝置氣密性不足；3.有氧呼吸、無氧呼吸起始時間判定不準(zhǔn)確；4.對二氧化碳和酒精的生成量、產(chǎn)熱情況只能做定性判斷，不能進行定量比較。由此可見，傳統(tǒng)的實驗操作難以獲得較好的效果，而通過虛擬實驗的方式，不僅能夠有效解決上述問題，還能創(chuàng)造出良好的仿真環(huán)境，帶給學(xué)生全新的學(xué)習(xí)體驗，并激發(fā)他們學(xué)習(xí)生物、探究生物的熱情。

（二）教學(xué)目標(biāo)設(shè)計

教材和新課標(biāo)是實施大單元教學(xué)的基礎(chǔ)性資源，教師應(yīng)深入研讀把握課程要素，并挖掘其中的教育點，提煉出準(zhǔn)確的教學(xué)目標(biāo)：1.通過虛擬實驗，幫助學(xué)生深入理解細胞呼吸的概念，了解它為細胞提供能量和物質(zhì)的方式，促進學(xué)生建構(gòu)起細胞呼吸的基本知識框架。2.酵母菌既可以進行有氧呼吸也可以進行無氧呼吸，引導(dǎo)學(xué)生探究酵母菌在不同條件下的呼吸方式，理解有氧呼吸和無氧呼吸的區(qū)別。3.指導(dǎo)學(xué)生在仿真環(huán)境中進行實驗操作，培養(yǎng)學(xué)生的操作能力，并通過調(diào)整實驗條件、觀察實驗現(xiàn)象等方式，提升學(xué)生的操作熟練度和自信心。4.通過虛擬實驗的操作、分析等過程，促進學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握科學(xué)探究的基本方法，包括如何控制變量、觀察記錄、數(shù)據(jù)分析和得出結(jié)論等。這些技能對于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和實驗?zāi)芰χ陵P(guān)重要。綜上，在虛擬實驗的開展過程中，目標(biāo)表明了實驗的發(fā)展、前進方向，它提示學(xué)生應(yīng)從何種角度去思考問題，應(yīng)運用何種方法來達成目標(biāo)。同時，目標(biāo)還具有“反饋”的功能，它可以指正學(xué)生的操作行為，并直接促成實驗結(jié)果的產(chǎn)生[5]。

（三）完成實驗任務(wù)

教師應(yīng)將教學(xué)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為具體的實驗任務(wù)，并督促學(xué)生在虛擬環(huán)境中完成：

1.實驗器材準(zhǔn)備。準(zhǔn)備實驗所需的器材，比如酵母菌培養(yǎng)液、試管、培養(yǎng)箱、檢測裝置等。

2.培養(yǎng)酵母菌。用葡萄糖溶液和酵母菌制備培養(yǎng)液，并將制成的酵母菌培養(yǎng)液分為觀察組和對照組，觀察組用于有氧呼吸，對照組用于無氧呼吸。

3.探究有氧呼吸。為觀察組提供充足的氧氣，如設(shè)置氧氣供應(yīng)設(shè)備，確保酵母菌進行有氧呼吸，觀察并檢測有氧呼吸的產(chǎn)物。

4.探究無氧呼吸。為對照組創(chuàng)造無氧環(huán)境，如使用密封的試管或培養(yǎng)箱，確保酵母菌進行無氧呼吸，觀察并檢測無氧呼吸的產(chǎn)物。

5.數(shù)據(jù)分析。記錄兩組實驗產(chǎn)生二氧化碳的量并進行比較，理解酵母菌在有氧和無氧環(huán)境下呼吸方式的差異。

6.得出結(jié)論。根據(jù)數(shù)據(jù)比較的結(jié)果，得出酵母菌細胞呼吸方式的結(jié)論。

（四）反思和總結(jié)

虛擬實驗結(jié)束后，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生回顧整個實驗過程，用已掌握的生物知識對實驗結(jié)果作出解釋，并探討實驗中可能存在的誤差，嘗試作出改進和優(yōu)化：1.虛擬實驗室能夠模擬真實的實驗環(huán)境和過程，但仍存在一定的局限性，虛擬環(huán)境無法完全還原真實實驗中的微生物培養(yǎng)條件，觀察到的現(xiàn)象、結(jié)果可能與實際實驗存在一定差異。所以在設(shè)置相關(guān)參數(shù)時，應(yīng)盡量參考真實數(shù)據(jù)，如酵母菌培養(yǎng)數(shù)據(jù)、氧氣濃度變化數(shù)據(jù)等，實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的優(yōu)化，得出更為準(zhǔn)確的結(jié)果。2.探討虛擬實驗中實驗失敗的情況，如藥品污染、操作不當(dāng)、設(shè)備故障等，讓學(xué)生了解實驗過程能夠?qū)Y(jié)果造成何種影響，教授學(xué)生如何處理這些情況，學(xué)生在真實實驗時遇到類似問題便能從容應(yīng)對。3.鼓勵學(xué)生進行個性化的實驗設(shè)計，圍繞方案和學(xué)生開展討論并不斷完善，讓學(xué)生充分體會生物學(xué)習(xí)與信息技術(shù)結(jié)合的益處。

結(jié)束語

虛擬實驗室是信息時代的特有產(chǎn)物，它將知識、活動融合到媒體之中，能夠帶給學(xué)生多個層次的感官體驗。現(xiàn)階段虛擬實驗室在高中生物教學(xué)中已得到廣泛應(yīng)用，教師在先進的軟硬件輔助下，開發(fā)出了全新的實驗教學(xué)形態(tài)，打破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的時空局限，為學(xué)生打造出了全新、高效的智能化學(xué)習(xí)環(huán)境，增加了教學(xué)的互動性、合作性、生成性，有利于學(xué)生發(fā)揮自身的主觀意識，將個體的已有經(jīng)驗和思維活動投射到具體的學(xué)習(xí)任務(wù)中。因此，教師應(yīng)對虛擬實驗室的應(yīng)用做進一步研究、開發(fā)，充分發(fā)揮數(shù)字資源和數(shù)字技術(shù)輔助教學(xué)的功能，為學(xué)生搭建起高中生物實驗的新平臺，以此促進學(xué)生核心素養(yǎng)的全面發(fā)展和提高。

參考文獻

[1]江晶.高中生物虛擬實驗教學(xué)創(chuàng)新研究[J].成才.2022（12）：15-17.

[2]何苗，豐蓉，婁志義，等.虛擬仿真實驗教學(xué)的現(xiàn)狀及展望[J].中學(xué)生物教學(xué).2023（8）：16-18.

[3]何鵬;杜串串.虛擬仿真實驗在高中生物選修課實驗中的應(yīng)用[J]甘肅教育研究.2023（6）：115-117.

[4]何連慶.虛擬仿真實驗在高中生物實驗中有效應(yīng)用路徑探究[J].教學(xué)管理與教育研究.2023，8（1）：84-86.

[5]李慶林.虛擬仿真實驗在高中生物實驗教學(xué)中的應(yīng)用[J].學(xué)周刊.2022（33）：54-56.

本文系2023年度福建省南平市浦城縣基礎(chǔ)教育課程教學(xué)研究課題《探索基于虛擬實驗室在中學(xué)生物實踐教學(xué)的創(chuàng)新模式》（立項批準(zhǔn)號PJXKT2023-069）的成果。