虛擬實驗在初中生物學(xué)實驗教學(xué)中的運用

金鑫

摘 要 根據(jù)《義務(wù)教育生物課課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》的實施建議“有條件的學(xué)校還可以適當(dāng)引入多媒體技術(shù)進行虛擬實驗”，介紹了虛擬實驗的產(chǎn)生、概念以及虛擬實驗在初中生物實驗教學(xué)中的運用實例及作用。

關(guān)鍵詞 虛擬實驗 生物實驗教學(xué)

中圖分類號 G633.91 文獻標(biāo)識碼 B

為了保護生物的多樣性，培養(yǎng)學(xué)生熱愛生命、熱愛自然的情感，在生物新課標(biāo)教材中，大量的解剖實驗已經(jīng)被刪除，《義務(wù)教育生物課課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版)》更提倡實驗設(shè)計多樣化，建議“有條件的學(xué)校還可以適當(dāng)引入多媒體技術(shù)進行虛擬實驗”。但在教學(xué)實踐中，一線教師對虛擬實驗還不甚了解。下面對虛擬實驗在生物實驗教學(xué)中的運用做個簡單介紹。

1 虛擬實驗的概念

虛擬實驗是指利用多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)，學(xué)習(xí)者通過鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器以及力矩球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)眼鏡等輸入、輸出設(shè)備操作虛擬環(huán)境中的實驗儀器，模擬實驗過程，觀察實驗現(xiàn)象，探索實驗規(guī)律的實驗。簡單地說，虛擬實驗是用多媒體的手段對真實實驗進行再現(xiàn)或模擬，再由學(xué)生進行觀看或參與操作的一種實驗方式。虛擬實驗用到的相關(guān)技術(shù)見圖1。

我國的生物虛擬實驗還處于起步階段，首家中學(xué)虛擬科學(xué)實驗室于2002年9月建成，其中也安裝了生物學(xué)科的實驗軟件和傳感器。此網(wǎng)站中也介紹了很多生物虛擬實驗室的網(wǎng)址。但是總體來說，我國對虛擬實驗室和虛擬實驗的研究還停留在探索階段，其實踐和應(yīng)用局限在部分高校的有限的范圍，虛擬實驗的數(shù)量有限，在教學(xué)中真正發(fā)揮作用的更是少量，初中生物教學(xué)中需要的相關(guān)實驗幾乎是空白。現(xiàn)在在中學(xué)教學(xué)中少量使用的所謂虛擬實驗，多數(shù)以課件形式出現(xiàn)，交互性少，以模擬演示方式存在，還不能稱之為真正意義上的虛擬實驗，但已經(jīng)可以在教學(xué)中發(fā)揮獨特的作用。

2 虛擬實驗在實驗教學(xué)中的運用

虛擬實驗用在實驗教學(xué)中的運用包括以下幾方面：（1） 用于真實實驗前的指導(dǎo)。在實驗前，對實驗的原理、過程、現(xiàn)象做一些介紹，以便于對教學(xué)內(nèi)容的理解，便于真實實驗的開展。（2） 用于講解教學(xué)內(nèi)容。在課堂上講解內(nèi)容時，為了說明一些現(xiàn)象，需要用虛擬實驗來展示，進而有助于講解教學(xué)內(nèi)容。這些教學(xué)內(nèi)容可以是通過真實實驗來演示的，也可能是一些宏觀、微觀、危險的、無法通過真實實驗來演示的，這時，通過虛擬實驗來講解實驗現(xiàn)象是一個十分可行的方法。（3） 用于課后復(fù)習(xí)。在復(fù)習(xí)過程中，學(xué)生還會遇到很多問題。其中就有很多關(guān)系到實驗的，這時候再去實驗室做實驗已不大可能，利用虛擬實驗可以便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)。下面介紹兩個可以方便使用的虛擬實驗課件，通過截圖演示。

2.1 “魚鰭的作用”（適用于人教版八年級上冊第4頁“魚鰭在游泳中的作用”）

課件來自網(wǎng)絡(luò)，選取部分操作與說明見圖2。

通過菜單操作，學(xué)生可以很清晰地觀看魚鰭的各種作用。此課件可以在學(xué)生只做了“活體魚”進行模擬實驗后進一步探究。

2.2 “輸血與血型”（適用于人教版七年級下冊76頁“輸血與血型”）

課件來自網(wǎng)絡(luò)，操作與說明如下列系列截圖。

（1） 救護車送來三位病人，他們失血過多，需要輸血。醫(yī)生提示：操作者的工作是測定他們的血型，并且給他們輸血。操作者隨意用鼠標(biāo)點擊一個病人，將此病人送入病房（圖3）。

（2） 病房護士要求操作者先正確測定病人的血型，然后輸血。如果你操作順序錯誤，如沒有測定病人的血型，想直接輸血，就會出現(xiàn)下列提示，修正你的做法。

（3） 當(dāng)操作者使用鼠標(biāo)點擊注射器，從病人裸露的胳膊上抽血并與三種血型抗體試劑混合后，操作者可以通過小圖來查看A、B、C三個試管發(fā)生的情況，以判斷病人的血型（圖5）。

（4） 然后參考血袋中的用血說明，決定給病人輸何種血型的血液（圖6）。

（5） 當(dāng)操作者給病人所輸?shù)难桥c病人的血型不符合的，病房護士就會提醒你修正。如果操作者的操作是正確的，病房護士就會提醒你再嘗試輸其他血袋里的血。沒有血液可輸時，就可以帶下一位病人了。

（6） 點擊其他病人，重復(fù)以上的操作，直到把正確的血液輸完為止。

這一課件，雖然不是典型的虛擬實驗課件，但是指導(dǎo)語言是中文，背景、情景設(shè)計逼真。當(dāng)操作者操作正確時，病人的臉色立即變得紅潤；錯誤時，病人的臉色青紫，渾身顫抖、青筋暴露，非常有現(xiàn)場感。其他像抽血、輸血，與醫(yī)院醫(yī)生的真實操作非常相似，設(shè)計科學(xué)。課件設(shè)計有三個病人，當(dāng)學(xué)生在學(xué)習(xí)時，第一個病人還容易判斷錯誤，到第三個病人時，已經(jīng)基本掌握血型的判定和輸血的知識，這種設(shè)計很符合學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知規(guī)律。課件畫面醒目、易操作、不枯燥，易于使用，是個很不錯的虛擬實驗課件。

我國的生物虛擬實驗室大部分是非交互式的，即學(xué)生可以在網(wǎng)上了解實驗內(nèi)容、觀看動畫或視頻形式的實驗演示過程，但無法自己動手操作。這樣學(xué)生不能獲得直接的感性認(rèn)識，不利于實驗技能的培養(yǎng)和知識的鞏固。學(xué)校應(yīng)該大力發(fā)展交互式的虛擬實驗室，讓學(xué)生不僅可以觀看，還可以動用輸入設(shè)備對實驗過程進行實際操作。

3 虛擬實驗在實驗教學(xué)中的作用

3.1 用于學(xué)生熟悉實驗原理、方法和實驗操作過程

新課程改革以后，為了提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)，初中生物實驗內(nèi)容明顯增多，相對地，由于教學(xué)課時沒有增加，甚至還有減少，例如七年級上學(xué)期的周課時從3節(jié)減少到2節(jié)，這就造成教學(xué)課時的明顯不足，這也是部分學(xué)校不能開齊所有實驗課的客觀原因之一。在教學(xué)實踐中，部分教師為了在有限的實驗課時間內(nèi)完成實驗，常?？s短講解和示范操作的實驗環(huán)節(jié)，但這常常會造成部分學(xué)生在實驗前對實驗原理理解不透，直接影響實驗過程，拖延實驗時間，影響實驗效果。如果教師在開展真實實驗前，可以通過展示虛擬實驗來講解實驗原理、實驗方法、實驗步驟，讓學(xué)生能充分了解實驗的進程，就可以增加學(xué)生對實驗的了解，以保證學(xué)生有較多的操作時間。如果學(xué)生能夠在開展真實實驗前，親手操作虛擬實驗課件，學(xué)生不必?fù)?dān)心損壞儀器，甚至發(fā)生事故，在正式實驗時就能熟悉操作過程，減少操作失誤，從而更加激發(fā)學(xué)生對實驗的學(xué)習(xí)興趣。

另外，虛擬實驗課件具有無限量復(fù)制特性，學(xué)生可以根據(jù)自己的需求，隨時選擇時間完成實驗，并可根據(jù)需要“真實”地觀察實驗現(xiàn)象、操作實驗儀器。這對于課前預(yù)習(xí)實驗，充分搞清實驗原理、實驗過程和儀器設(shè)備的使用，建立實驗前的直觀認(rèn)識有極大的好處，客觀上實現(xiàn)了實驗室空間和時間上的延伸。

3.2 促進學(xué)生由被動學(xué)習(xí)變主動學(xué)習(xí)，提高創(chuàng)新實踐能力

真實實驗利用真實材料、儀器做實驗，往往因為要消耗實驗材料，損耗實驗器材，教師本著節(jié)約資源的考慮，在有限的實驗時間內(nèi)，對學(xué)生使用實驗材料的數(shù)量和操作儀器的次數(shù)往往加以限制。而一些花費時間較長的實驗，如探究“酸雨對生物的影響”，由于實驗所需周期較長，在課堂教學(xué)時間內(nèi)難于完成，學(xué)生即使觀看了有關(guān)圖片，但是單憑教師的語言描述和講解，學(xué)生沒有參與感。通過虛擬實驗，不僅可以重復(fù)實驗、縮短實驗時間，學(xué)生還可以參與其中，在一遍遍地嘗試中，學(xué)生不僅可以溫故知新，在深刻理解實驗原理的基礎(chǔ)上，還可以嘗試提出新的實驗方法和設(shè)想，有利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。這樣學(xué)生變成了學(xué)習(xí)的主體、知識的主動構(gòu)建者。

在虛擬實驗過程中，學(xué)生甚至還可以根據(jù)自己的興趣自主選擇實驗內(nèi)容、自己決定實驗時間和進度，自己發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，可以按照自己的想法大膽嘗試，或者在網(wǎng)上協(xié)同實驗室里與他人交流、合作，共同完成一項科學(xué)探索，從而加深對知識的理解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，增強創(chuàng)新能力。

3.3 幫助學(xué)生完成一些難以開展的實驗，進一步培養(yǎng)學(xué)生的探究精神

虛擬實驗在教學(xué)中有著真實實驗所不具有的某些功能，能完成真實實驗難以完成或無法完成的實驗。例如，一些花費昂貴的實驗，學(xué)校需要拿出不少的費用投到實驗上來，條件達不到的學(xué)校就沒法開設(shè)，虛擬實驗就可以彌補這個遺憾，節(jié)約資源和經(jīng)費。對于一些危險的、不太好實施的實驗，用虛擬實驗去實施，既可以省去很多的實驗費用，使許多實驗成本過高而難于開出或無法一人一組開出的實驗順利開出，又增加了學(xué)生的實驗機會，提高了實驗教學(xué)的質(zhì)量。虛擬實驗利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)仿真或虛構(gòu)某些情境，供學(xué)生觀察與操縱其中的對象，使他們可以獲得體驗或有所發(fā)現(xiàn)。例如，最經(jīng)典的虛擬青蛙解剖實驗可以幫助少年兒童利用生動、直觀的形象有效地激發(fā)聯(lián)想，喚醒長期記憶中的有關(guān)知識、經(jīng)驗和表象，從而使學(xué)生能利用自己原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的有關(guān)知識與經(jīng)驗去同化當(dāng)前學(xué)習(xí)到的新知識，賦予新知識以某種新意義，在溫故知新的過程中培養(yǎng)學(xué)生的探究精神。

虛擬實驗還可以讓學(xué)生在模擬的情境中進行探索，去發(fā)現(xiàn)隱藏在其中的奧秘，讓學(xué)生像科學(xué)家一樣研究，體驗科學(xué)研究的過程和樂趣，對培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)、創(chuàng)新精神和提高科學(xué)素養(yǎng)有很重要的促進作用。在虛擬實驗中，虛擬實驗室采取人機交互的方式實施實驗，使學(xué)生就像置身于真實的實驗環(huán)境中，具有智能性、仿真性、形象性和趣味性，充分調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造力，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

虛擬實驗是對真實實驗的模擬或再現(xiàn)，通過虛擬實驗可以輔助真實實驗的實施以及教學(xué)的進行。但是，在學(xué)校實驗條件允許的條件下，能開展真實實驗的還是要開展真實實驗。不能因為虛擬實驗技術(shù)的發(fā)展而忽視真實實驗。只有通過真實實驗，才能逐步提高學(xué)生的動手操作能力。而在有條件的學(xué)校，也要提倡充分開發(fā)虛擬實驗，使其成為教學(xué)的重要組成部分。因為，即使是交互性不強的虛擬實驗，也形象、生動、直觀，在展現(xiàn)實驗現(xiàn)象時具有強大的表現(xiàn)力。