淺談虛擬實驗在高中生物實驗教學(xué)中的應(yīng)用

羅華

【摘要】虛擬實驗是相對于真實實驗而言的，兩者的主要區(qū)別在于實驗過程中所觸及的對象與事物是否真實，在真實實驗中，實驗工具、實驗材料和實驗試劑等都是真實的、以實物形式呈現(xiàn)給實驗者;但在虛擬實驗中，沒有實物形式的實驗工具、實驗材料和實驗試劑等，實驗者在虛擬實驗中所進行的一系列操作，應(yīng)用的均是虛擬仿真的實驗工具和材料試劑，實驗步驟和結(jié)果也是對真實實驗的仿真和模擬。因此，虛擬實驗是真實實驗的輔助和“虛擬呈現(xiàn)”。

【關(guān)鍵詞】虛擬實驗? ?高中生物? ?實驗教學(xué)? ?應(yīng)用策略

【中圖分類號】G633.91

【文獻標識碼】A

【文章編號】1992-7711（2020）12-070-01

1989年由美國的William Wolf 教授提出并建立虛擬實驗室，短短20幾年，已在國內(nèi)外的教育和訓(xùn)練領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如美國麻省理工學(xué)院1988年創(chuàng)立的微電子在線實驗系統(tǒng)，使得學(xué)生在學(xué)習(xí)有關(guān)顯微的原理知識時倍感輕松;休斯頓大學(xué)建立的“虛擬物理實驗室”，通過允許學(xué)生控制和改變重力的大小、方向以及加速度大小等影響因素，使其更加深刻地理解萬有引力定律;霍華德休斯醫(yī)學(xué)研究所（HHMI）“BioInteractive” 虛擬實驗室（http：//www.hhmi.org/biointeractive/vlabs/index.html），以“教在教學(xué)之前”為理念，是一款集測試、操作和評價于一體的虛擬實驗軟件，在該實驗室中，“轉(zhuǎn)基因蒼蠅虛擬實驗”可以為學(xué)生探索遺傳規(guī)律提供幫助等。

我國對于虛擬實驗的開發(fā)、利用雖然起步較晚，但發(fā)展較快，在教學(xué)等方面也取得了一定的成績，目前已有部分高校初步建立了虛擬實驗室和各類虛擬教學(xué)系統(tǒng)[5]。由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研制的“幾何光學(xué)實驗設(shè)計平臺”突出了物理實驗設(shè)計的思想，不僅將計算機技術(shù)、虛擬實驗技術(shù)和物理實驗教學(xué)結(jié)合到一起，而且將實驗者的操作、實驗設(shè)備、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)指導(dǎo)等有機地融合到了一起;寧陜中學(xué)的“高中生物虛擬實驗室在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)”為教師提供了高中生物實驗的教學(xué)課件和虛擬演示，為學(xué)生提供了理解實驗相關(guān)知識的便利條件;廣州市同實網(wǎng)絡(luò)科技有限公司開發(fā)的“同步實驗室”，把互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到中學(xué)化學(xué)、物理、生物實驗課程中，旨在提高學(xué)生的實驗操作能力和實驗探究能力，并在學(xué)生的虛擬實驗操作過程中及時給予評價。

那么虛擬實驗教學(xué)對我們高中生物教學(xué)有何作用呢？

第一、虛擬實驗教學(xué)有助于學(xué)生由被動聽講轉(zhuǎn)為主動學(xué)習(xí)

由于真實的實驗需要采用具體材料、儀器進行實驗，既需要大量的實驗材料，也會損壞實驗儀器，因此，在具體教學(xué)中通常會走傳統(tǒng)的生物實驗教學(xué)模式，即學(xué)生預(yù)習(xí)，教師現(xiàn)場講解實驗原理、實驗步驟、操作方法等，學(xué)生在整個實驗講解過程只能機械記憶、而很少深入思考結(jié)論是如何得來的，缺乏學(xué)習(xí)的主動性和積極性。利用虛虛擬實驗教學(xué)，學(xué)生可以身臨其境般地操作虛擬儀器，操作結(jié)果可以通過儀表顯示反饋給學(xué)生，有效地解決了實驗條件與實驗效果之間的矛盾。

第二、虛擬實驗教學(xué)安全、高效，同時降低了教育成本

生物實驗中有些涉及到放射性物質(zhì)或有毒物質(zhì)的部分，有些實驗是不能讓學(xué)生做的。虛擬實驗的一大優(yōu)點在于其絕對的安全性，不會因操作失誤而導(dǎo)致人身事故。

虛擬實驗省去了真實實驗時許多簡單勞動，如實驗器材準備等，讓實驗者可以集中精力研究實驗對象本身的特性和規(guī)律。同時，虛擬實驗通過提供良好的在線幫助和學(xué)習(xí)功能，可幫助實驗者迅速掌握實驗研究內(nèi)容和達到實驗研究的具體目標和要求，從而提高了學(xué)習(xí)和探究效率。

在生物實驗教學(xué)中，許多昂貴的實驗器材，由于受價格的限制而無法普及，有些實驗因時間持續(xù)很長而無法開設(shè)，利用虛擬實驗教學(xué)既不消耗器材，也不受場地等外界條件的限制，可使教育成本大大降低。

如何在教學(xué)中進行虛擬實驗教學(xué)？

第一步：創(chuàng)設(shè)情境，激趣目標

生物實驗教學(xué)的核心解決問題，學(xué)習(xí)活動是圍繞問題展開的。根據(jù)教學(xué)目的和教學(xué)目標，精心設(shè)計來源于現(xiàn)實生活中的、與本節(jié)課內(nèi)容有關(guān)的問題，激發(fā)學(xué)生的興趣，讓學(xué)生意識到所學(xué)的內(nèi)容并不是空洞的，而是與實際生活有緊密聯(lián)系的。

第二步：設(shè)計實驗，自主探究

在問題的激發(fā)下，鼓勵學(xué)生動手設(shè)計實驗探究，這是實驗教學(xué)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。首先根據(jù)實驗?zāi)康?、實驗材料和實驗步驟，幫助學(xué)生擬定合理的研究計劃，選擇恰當?shù)姆椒?。如果條件允許，鼓勵學(xué)生動手實踐，體驗真實實驗過程;對于設(shè)備不足的實驗，則將學(xué)生分成小組，以小組演示實驗為主;若有些實驗學(xué)校條件無法完成，則采用虛擬實驗的方式。教師提供一定的條件或者必要的資料，有學(xué)生自己動手去實驗或者虛擬演示，以尋求問題的答案，提出某些假設(shè)。教師起到組織者的角色，指導(dǎo)和規(guī)范學(xué)生的探索過程。

第三步：合作展示，體驗成功

在自主探究中培養(yǎng)學(xué)生尋求合作的團隊精神，經(jīng)過實驗探究過程，學(xué)生要把自己的實驗過程或者查閱的資料進行總結(jié)梳理，得出自己的結(jié)論和解釋，不同的團隊或者學(xué)生可以就統(tǒng)一問題提出不同的見解和看法。通過教師的評價學(xué)生互評，促進學(xué)生間的交流，拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)知識，以完整的探究結(jié)果體現(xiàn)“我能行”，使學(xué)生在合作展示環(huán)節(jié)體驗成功樂。

第四步：當堂鞏固，完成目標

設(shè)計合理習(xí)題，對學(xué)生所學(xué)知識進行當堂檢測，及時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，并進一步發(fā)現(xiàn)并解決學(xué)生在學(xué)習(xí)后存在的問題，同時來評定教學(xué)內(nèi)容是否完成，教學(xué)目標十分達到。

第五步：總結(jié)提升，升華知識

師生互動，談?wù)劚竟?jié)課都學(xué)到了什么，共同回顧、歸納本節(jié)課的知識點。在這一環(huán)節(jié)中，教師把散落在學(xué)生頭腦中的知識，用精煉的語言歸納出來，使教學(xué)目標得到落實。學(xué)生間通過交流“學(xué)到了什么”，是為了從情感上引導(dǎo)學(xué)生，總結(jié)本節(jié)課的內(nèi)容同時也是對本節(jié)課的升華。

虛擬實驗教學(xué)的有效模式堅持“能實不虛”的原則，以真實實驗為主，虛擬實驗為輔，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，發(fā)揮“學(xué)生主體”和“教師主導(dǎo)”地位，充分體現(xiàn)了新課改的精神和理念。