虛擬實驗室在生物實驗教學中的應(yīng)用

【摘要】虛擬實驗室仿真學習環(huán)境有助于緩解實驗資源與教學需求之間的矛盾，解決學生多，實驗設(shè)備少，鍛煉機會少等問題。本文重點介紹虛擬實驗室在教學中的應(yīng)用、虛擬實驗室融入生物實驗教學的方法以及虛擬實驗室效果的評價。

【關(guān)鍵詞】實驗教學 生物實驗 虛擬實驗室

【基金項目】廣州市教育局2016年青少年科技教育項目“玻璃溫室種植有機蔬菜”科技實踐活動。

【中圖分類號】G633.91 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）24-0105-02

生物是一門十分注重實驗的學科，除了要求學生掌握扎實的基礎(chǔ)理論知識，更要把實驗和理論結(jié)合，培養(yǎng)學生的觀察力、思維力和動手能力（林鳳屏等，2016）。但實際的教學過程中由于實驗課時、試劑、儀器設(shè)備價格昂貴等條件的限制，許多實驗無法開設(shè)，學生對一些理論知識的掌握理解得不透徹。虛擬實驗室是指由網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等生成的一類適于進行虛擬實驗的軟件，包括實驗環(huán)境、儀器設(shè)備、實驗對象以及實驗資源等內(nèi)容（葉步偉， 馬德俊， 2016；）。生物實驗教學中引入虛擬仿真實驗技術(shù)，將器材、試劑等實驗室元素生成一種特殊的立體環(huán)境，不僅加深了學生對實驗原理和實驗方法的感性認識，而且提高了學生的學習興趣，培養(yǎng)了學生學習興趣、創(chuàng)造力及豐富的想象力，彌補了傳統(tǒng)實驗教學中的缺點同時彌補傳統(tǒng)化學實驗的不足，減少實驗室廢棄物排放對環(huán)境的污染和節(jié)省學校的實驗經(jīng)費（王偉和陳輝2007；蔡丁友，2013）。

1.虛擬實驗室在教學中的應(yīng)用（Potkonjak et al.， 2016）

與實體實驗室不同，虛擬實驗室可以使學生提前熟悉了解實驗原理、掌握實驗過程和操作步驟、了解實驗過程中可能出現(xiàn)的問題和解決方法（李彩虹等2013；張麗娟等2015），因此在應(yīng)用于實驗教學中必然具有不同的特點，如何利用虛擬實驗室開展實驗教學至關(guān)重要。

1.1虛擬實驗室可以開設(shè)更多實驗項目。傳統(tǒng)實驗室由于儀器設(shè)備、實驗課時和場地等諸多因素的限制，許多實驗項目無法開設(shè)。在虛擬實驗室里，儀器即軟件，可以根據(jù)需要隨意開發(fā)。由于儀器缺乏無法開設(shè)的實驗項目，可利用虛擬實驗室進行仿真，同樣能達到學生對相關(guān)知識的掌握。有了虛擬實驗室，學生實驗不受時間和空間的限制，能夠更自由地依據(jù)個人的時間、學習進度和掌握程度進行自主安排實驗，增強了學生自主學習能力，加大了實驗的靈活性。

1.2虛擬實驗室提高了學生對實體實驗室的利用率。學生進入開放實驗室之前，首先利用虛擬實驗室進行實驗設(shè)計、分析和驗證，熟悉儀器設(shè)備的使用等，在進入開放實驗室后才會有目的的進行實驗。學生可以利用虛擬實驗室的一些輔助功能進行實驗預約，提交電子實驗報告，還可以和實驗指導教師進行在線互動。將虛擬實驗室和開放實驗室有機結(jié)合在一起，可以調(diào)動學生主動學習的興趣，提高實驗室的利用率和實驗效率。

1.3虛擬實驗室應(yīng)用于學生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。利用虛擬實驗室，可以對學生學習過程中所提出的各種假設(shè)模型進行模擬，通過虛擬系統(tǒng)便可直觀地觀察到這一假設(shè)所產(chǎn)生的結(jié)果或效果。例如，利用虛擬技術(shù)，學生還可以進行溫室效應(yīng)等方面探索性的學習，從而研究出二氧化碳對全球氣候的影響規(guī)律。因此，利用虛擬實驗室進行探索學習，有利于激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

2.虛擬實驗室融入生物實驗教學的方法

在生物學實驗教學中，選擇適合于教材內(nèi)容和學生認知特點的實驗方法是至關(guān)重要的。從生物學實驗的內(nèi)容來看，主要有形態(tài)解剖實驗、分類實驗和生理實驗三種。從實驗的類型上劃分，可分為學生分組實驗、教師演示實驗和實習三種，而其中學生分組實驗所占的比例最大。根據(jù)生物學實驗教學內(nèi)容的特點，可將學生分組實驗分為驗證式實驗、同步式實驗和探索式實驗三種類型。

2.1 虛擬實驗室在驗證式實驗課教學中的應(yīng)用

驗證式實驗是形態(tài)和現(xiàn)象的觀察為主，例如： “觀察根尖的結(jié)構(gòu)”、“觀察葉片的結(jié)構(gòu)”等實驗，這類實驗所需要的基礎(chǔ)知識多、觀察操作要求高、實驗的內(nèi)容比較復雜。將實驗的各個操作步驟、關(guān)鍵點等制成不同的環(huán)節(jié)，學生在虛擬操作中通過選擇來完成實驗的虛擬操作。其基本的程序是：學生運用虛擬實驗室軟件進行預習和復習→學生動手實驗→驗證知識。

2.2 虛擬實驗室在同步式實驗課教學中的應(yīng)用

這類實驗課講課與實驗操作同步或交替進行，它一般編排在有關(guān)課文之中或之后，所需的基礎(chǔ)知識較多，并且實驗的內(nèi)容與講述的理論知識關(guān)系相當密切，學生需要通過實驗獲得一定的感性認識之后，才能將觀察結(jié)果上升為理性認識。如：“觀察種子的結(jié)構(gòu)”、“觀察葉芽的構(gòu)造”、“觀察花的結(jié)構(gòu)”、“觀察水螅”、“觀察蚯蚓”、“解剖青蛙”和“解剖鯽魚”等。

因此，此類實驗課教學程序的設(shè)計以及教學內(nèi)容的合理組織尤為重要，是實驗課成敗的關(guān)鍵。首先，教師應(yīng)精心設(shè)計好本節(jié)課的教程，做到手段多樣而不繁瑣，內(nèi)容豐富而不雜亂，即：通過虛擬實驗室將實驗的觀察、操作等環(huán)節(jié)給學生演示，穿插于講述、理解、思考與總結(jié)之中，并力求兩者銜接自然而合理，做到教學思路清晰，知識脈絡(luò)一目了然，符合初中學生從感性到理性的認知規(guī)律。

2.3 虛擬實驗室在探索式實驗課教學中的應(yīng)用

探索式實驗能充分體現(xiàn)啟發(fā)式教學思想，是實踐論在教學中的實際體現(xiàn)，它充分利用學生對新奇事物進行探索、調(diào)查、研究的心理，由教師向?qū)W生提出課題和實驗方法，學生積極主動地去操作、觀察、思考和得出結(jié)論。這類實驗一般編排于相關(guān)課文之前，所需要的基礎(chǔ)知識不多，實驗方法通過學生自己閱讀就能掌握，如：“綠葉在光下制造淀粉”和“脊蛙反射實驗”。其教學程序是：虛擬實驗室預習實驗→實體實驗室正式實驗→討論分析→獲得結(jié)論。通過虛擬實驗室預習實驗，讓學生對將要操作的實驗有充分的了解，提高實際操作中的實驗效率，對實際結(jié)果與設(shè)計的實驗結(jié)果有出入的，可引導學生對結(jié)果進行討論，了解實驗結(jié)果的各種影響因素（蔡丁友， 2013）。在探討對實驗結(jié)果影響的因素過程中，有可能積累一些以往忽略了的問題，將這些問題反饋于虛擬仿真實驗的設(shè)計之中，可使其設(shè)計逐步得到完善。

總之，虛擬仿真實驗在生物學實驗中的應(yīng)用可以主要分為2個步驟。第一步可將各個實驗的從實驗準備開始、依次將實驗操作的各個步驟做成虛擬演示實驗。這部分可作為實驗教學實踐中的補充，學生可根據(jù)需要調(diào)取演示實驗自主學習，然后再運用于實際操作中。第二部是將驗證性試驗、形態(tài)和現(xiàn)象的觀察結(jié)合起來制成虛擬仿真實驗。將實驗的各個操作步驟、關(guān)鍵點等制成不同的環(huán)節(jié)，學生在虛擬操作中同過選擇來完成實驗的虛擬操作，形態(tài)和現(xiàn)象的觀察作為實驗結(jié)果以圖像的方式自動生成，最后學生選擇實驗的結(jié)論。總之，將虛擬實驗室融入課堂可以通過在課堂教學實際的展示以及課后讓學生進行自主學習的方式。

3.虛擬實驗室實驗效果的評價

虛擬實驗室采用的擬物化設(shè)計，更好地將實驗室儀器進行虛擬化，從而模擬真實實驗的過程，在操作過程中也同樣遵循實際實驗的流程與步驟，重點是注意實驗的細節(jié)。虛擬仿真實驗的應(yīng)用前景要依靠其在實際應(yīng)用中的效果來決定，教學實踐的虛擬仿真實驗效果的評價指標應(yīng)該主要是看教學效果和實驗效果。教學效果的觀察可用隨機對照實驗進行觀察，將學生進行隨機分組，設(shè)為運用虛擬仿真實驗組和不運用虛擬仿真實驗組進行對比觀察，設(shè)計各種指標進行對比。實驗效果的評價可根據(jù)虛擬實驗與實際實驗的相關(guān)性來判斷。唐富山等（2015）研究發(fā)現(xiàn)開展虛擬實驗教學后，學生實驗成績和理論考試成績與以往年級相比，均有不同幅度的提高。劉慧萍等（2014）通過問卷調(diào)査發(fā)現(xiàn)學生對虛擬仿真實驗容易接受，也喜歡這種新的教學手段。

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作者簡介：

李丹（1981.09—），山東省定陶縣人，博士研究生，研究方向生物學教育。