基于虛擬實驗技術(shù)的新課改背景下生物實驗教學(xué)的有效途徑

【摘要】新課改不斷深化的背景下，要求學(xué)生具有自主探究能力與高階思維能力。相關(guān)研究表明，利用數(shù)字信息技術(shù)可以構(gòu)建合適的實驗環(huán)境從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率，并在現(xiàn)實的實踐教學(xué)中得到了印證。隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬實驗越來越多地被應(yīng)用到生物實驗的教學(xué)中，既可以把抽象知識具體化，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式多樣性，還能為學(xué)生提供一個更加生動有趣的學(xué)習(xí)環(huán)境，提高學(xué)習(xí)主動性。本文對高中生物實驗教學(xué)中，虛擬實驗的優(yōu)勢以及設(shè)計策略做了簡要說明，并給出了相關(guān)的案例分析，相信其在未來的生物教學(xué)工具中具有十分重要的地位。

【關(guān)鍵詞】虛擬實驗技術(shù) ?新課改 ?高中生物 ?教學(xué)實踐

【中圖分類號】G633.91 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2020）23-0040-02

在新課改環(huán)境下，教師不再是既定教學(xué)規(guī)則的執(zhí)行者，而是教育教學(xué)的決策者。這就要求教師要及時更新教育觀念，推動學(xué)生由被動的、接受性的學(xué)習(xí)向主動的、探究性的學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)展、自我選擇。數(shù)字信息技術(shù)的發(fā)展，不僅更新了教育技術(shù)，更促進(jìn)了教學(xué)結(jié)構(gòu)模式的改進(jìn)[1]，在教育部頒布的《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》中更是明確提出要加強(qiáng)和完善生物教學(xué)，充分利用多媒體、互聯(lián)網(wǎng)及無線通信技術(shù)打破學(xué)生的思維束縛，實現(xiàn)學(xué)生的主動探究性學(xué)習(xí)。而實驗作為人們理解和認(rèn)識生物學(xué)的重要手段，在基礎(chǔ)教學(xué)階段，是生物教學(xué)中不可缺少的重要組成部分。它有助于對學(xué)生觀察能力、理解能力、動手操作能力、創(chuàng)造能力以及思維能力的培養(yǎng)。如何將數(shù)字信息技術(shù)融入到生物實驗教學(xué)中，是教育者們一直關(guān)注的重點。

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，虛擬實驗這一重要工具出現(xiàn)了，并在物理、化學(xué)、醫(yī)學(xué)和生物等領(lǐng)域有著重要應(yīng)用。在生物學(xué)中，國外出現(xiàn)過“虛擬青蛙解剖實驗”、“轉(zhuǎn)基因蒼蠅虛擬實驗”、“細(xì)菌鑒定虛擬實驗”、“免疫學(xué)虛擬實驗”等，這些虛擬實驗均為實驗者提供基本的實驗步驟和學(xué)習(xí)目標(biāo)，并且在實驗操作過程中，實驗步驟都有文字解說，來幫助學(xué)生更好地理解。在國內(nèi)，寧陜中學(xué)的“高中生物虛擬實驗室在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)”[2]為教師提供了高中生物實驗的教學(xué)課件和虛擬演示;臺灣“國中生物學(xué)習(xí)網(wǎng)站——快樂營”中的“生物實驗室”為學(xué)生模擬動植物的培養(yǎng)環(huán)境;中國農(nóng)業(yè)大學(xué)開發(fā)的“網(wǎng)上虛擬土壤作物系統(tǒng)實驗室”[3]模擬了植物的生長狀況。目前國內(nèi)應(yīng)用于教學(xué)的虛擬實驗主要以教學(xué)大綱為導(dǎo)向，融合教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)指導(dǎo)，以演示型課件為主，來幫助學(xué)生加深對生物組織結(jié)構(gòu)的理解，但是交互的水平不高，顯然不能夠滿足對學(xué)生自主探究能力與高階思維能力培養(yǎng)的需求。因此，筆者試圖從三個方面淺談對于高中生物實驗教學(xué)，如何合理利用并設(shè)計虛擬實驗來達(dá)到新課改背景下對學(xué)生的要求。

一、根據(jù)實驗偏重點選擇虛擬實驗類型

在高中生物課程中，實驗教學(xué)是重要的構(gòu)成部分，能夠提升學(xué)生的實際操作能力，知識的綜合運用能力，以及自主探究能力，在掌握實驗原理、操作技能的基礎(chǔ)上更好更全面地認(rèn)識和理解生物科學(xué)，對于學(xué)生學(xué)習(xí)生物來說有著積極作用。生物實驗有的以觀察實驗現(xiàn)象為主、有的以驗證結(jié)論為主、有的以理解生物概念和實驗原理為主，因此，明確實驗?zāi)繕?biāo)并根據(jù)偏重點來選擇合適的虛擬實驗類型進(jìn)行教學(xué)才能事半功倍。例如在學(xué)習(xí)“細(xì)胞生活的環(huán)境”這一節(jié)中，需要學(xué)生掌握的是細(xì)胞外液的成分、細(xì)胞外液的理化性質(zhì)、細(xì)胞與外界環(huán)境如何進(jìn)行物質(zhì)交換等內(nèi)容，這些生物概念大多比較抽象難以理解，借助演示型虛擬實驗便可以有效解決這一問題。通過多媒體動畫動態(tài)演示組織液、血漿和淋巴的物質(zhì)交換。引導(dǎo)學(xué)生注意觀察血漿與組織液之間的物質(zhì)交換方向、組織液與淋巴之間的物質(zhì)交換方向、淋巴與血漿之間物質(zhì)交換方向。揭示細(xì)胞外液是一個有機(jī)的整體，從而使學(xué)生逐步深入理解內(nèi)環(huán)境的概念，解決學(xué)習(xí)困惑。再如“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)”中的顏色反應(yīng)實驗，學(xué)生需要識別和區(qū)分用于可溶性還原糖、脂肪、蛋白質(zhì)鑒定的試劑及產(chǎn)生的特定顏色，掌握鑒定上述化合物的基本方法，學(xué)會描述實驗現(xiàn)象，掌握NaOH溶液和CuSO4溶液的使用方法。這類實驗中，由于化學(xué)試劑的使用，會對學(xué)生的安全性構(gòu)成一定程度的威脅，搭建操作型虛擬實驗平臺，能讓學(xué)生通過電腦終端自主完成實驗步驟，模擬系統(tǒng)就可以根據(jù)選擇的試劑與化合物來產(chǎn)生特定的顏色反應(yīng)，既節(jié)約實驗時間與實驗成本，還可以避免錯誤使用化學(xué)藥劑產(chǎn)生的不安全因素。由此可以看出，依據(jù)實驗偏重點來合理選擇虛擬實驗的類型，可以大大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效率，真正體現(xiàn)出新課改老師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體的教學(xué)規(guī)律。

二、虛擬仿真模型的有效結(jié)合

當(dāng)前高中生物實驗課堂由于多種因素影響，在推行實驗科學(xué)的力度上和效果上都不十分理想。特別是在復(fù)雜生物組織三維結(jié)構(gòu)觀察、植物生長過程的探究等方面，傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｊ綗o法滿足學(xué)習(xí)要求，而虛擬仿真實驗的出現(xiàn)，為解決這一難題提供了可能。虛擬仿真實驗[4]依托虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實驗環(huán)境和實驗對象，使學(xué)生在虛擬環(huán)境中自主探究學(xué)習(xí)，具有開放性、廣域性、交互性和實時性，是數(shù)字信息技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域的重要產(chǎn)物。特別是三維仿真技術(shù)的出現(xiàn)，極大程度地滿足了學(xué)生對生物系統(tǒng)構(gòu)造認(rèn)識與分析的需求，目前該技術(shù)已經(jīng)成功用于不同領(lǐng)域，例如醫(yī)療行業(yè)中各種器官的精確模型;土木行業(yè)中不同建筑物的內(nèi)部展示;影視業(yè)中人物特效的實現(xiàn)等等。專業(yè)的軟件如3DStudioMax等，可以出現(xiàn)在高中生物的課堂，教師可以下載所需的三維模型，對其進(jìn)行放大、縮小及動畫設(shè)置，增強(qiáng)生物教學(xué)的形象性與趣味性。此外，還可以將傳統(tǒng)課堂中不易實現(xiàn)的實驗，以虛擬仿真的形式向?qū)W生展示，例如在探究“基因的本質(zhì)”中，DNA的結(jié)構(gòu)和復(fù)制過程微觀且抽象，學(xué)生即使制作出DNA物理模型，也難以在不斷犯錯和糾正過程中，準(zhǔn)確模擬整個復(fù)制過程。但是借助虛擬仿真實驗，學(xué)生可以通過計算機(jī)對DNA分子的復(fù)制過程進(jìn)行手動模擬與分析，從而打破固有的思維模式，主動發(fā)現(xiàn)并糾正DNA復(fù)制過程中常見的問題，充分理解DNA復(fù)制過程并構(gòu)建與完善DNA復(fù)制模型。再如“觀察根尖分生組織細(xì)胞的有絲分裂”實驗中，首先要培養(yǎng)3-4天的根尖，這些準(zhǔn)備工作學(xué)生幾乎沒有時間與精力去完成，只能交由教師完成。而且最佳實驗時間是上午10點到下午2點，學(xué)生只能分批次進(jìn)行實驗，無法讓全部學(xué)生觀察到良好效果。虛擬實驗則可以克服這一難題，它通過電腦終端將實驗的動態(tài)過程展現(xiàn)給學(xué)生，而且學(xué)生可以參與其中，比如壓片時，學(xué)生施加的壓力可以借由壓力傳感器上傳到系統(tǒng)，判斷壓力是否合適，還會三維動畫顯示不同壓力下根尖細(xì)胞發(fā)生的變化，從而加深對實驗條件的理解，這種手腦并用的實驗過程可以大大提高生物實驗教學(xué)的效率。因此虛擬仿真實驗在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用是提高教學(xué)效果的必然選擇，不僅有利于提高生物教與學(xué)的質(zhì)量和效果，還能夠保障實驗設(shè)備和教師的安全，更重要的是給學(xué)生的實驗過程增加了許多樂趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

三、復(fù)雜實驗的虛擬化設(shè)計

高中生物中有一些實驗結(jié)論或原理無法讓學(xué)生通過真實實驗來探究，這類實驗通常步驟復(fù)雜且涉及許多高深的生物學(xué)知識，但是隨著數(shù)字信息技術(shù)的不斷發(fā)展，可以做到復(fù)雜實驗的自主虛擬化設(shè)計。例如遺傳定律的推導(dǎo)和應(yīng)用一直以來都是高中生物學(xué)習(xí)的難點，關(guān)于“孟德爾實驗”學(xué)生很難重現(xiàn)，但是根據(jù)基本定律結(jié)合數(shù)字信息技術(shù)可以自行設(shè)計虛擬孟德爾實驗[5]，讓學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行自主探究和結(jié)果分析，從而歸納相應(yīng)的遺傳定律。在復(fù)雜實驗虛擬化設(shè)計的過程中，要全面考慮學(xué)生的接受程度，在不同實驗步驟嚴(yán)格把控通關(guān)條件，如只有正確自主完成前一步驟才能繼續(xù)后續(xù)操作，讓學(xué)生通過人機(jī)對話和虛擬操作逐漸形成有關(guān)概念，并在不斷糾正錯誤完善操作的過程中，對生物實驗達(dá)到較深層次的理解。再如“綠葉中色素的提取和分離”的實驗重點及難點是，對實驗原理的理解以及對葉綠體中色素的提取，傳統(tǒng)實驗耗時耗力而且難以達(dá)到最佳效果，因此可以將該實驗進(jìn)行虛擬化設(shè)計，以“東師理想生物虛擬實驗平臺”為例，主要包括“實驗實施”、“實驗基礎(chǔ)”及“實驗總結(jié)”三個模塊。用“實驗設(shè)計”來培養(yǎng)學(xué)生統(tǒng)觀整體的思維習(xí)慣，引導(dǎo)學(xué)生逐步填寫實驗的設(shè)計方案，并且要對實驗的結(jié)果做出假設(shè)和預(yù)期;用“實驗操作”來驗證學(xué)生的設(shè)計方案，通過系統(tǒng)提示來實現(xiàn)學(xué)生對于科學(xué)操作過程的了解和掌握。在此過程中，將三種原理分別加以闡述，為學(xué)生提供一般性的原理知識，并培養(yǎng)學(xué)生總結(jié)和思考的實驗習(xí)慣，并通過模擬小測的方式來考查學(xué)生對于葉綠體中色素種類及其顏色對應(yīng)的掌握情況。諸如此類的復(fù)雜實驗虛擬化設(shè)計，可以極大程度地節(jié)約實驗成本，幫助學(xué)生更好地理解實驗內(nèi)容與總結(jié)規(guī)律。

虛擬實驗技術(shù)在高中生物實驗教學(xué)中的應(yīng)用，不僅為原本平淡無奇的傳統(tǒng)生物實驗課堂帶來了生機(jī)與活力，更重要的是可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，響應(yīng)新課改背景下學(xué)生主動、探究性學(xué)習(xí)的目標(biāo)。作為數(shù)字信息時代的教師，更要與時俱進(jìn)不斷創(chuàng)新，大膽實踐，為培育學(xué)生貢獻(xiàn)自己最大的一份力量。

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[5]肖建富，陳章和.“虛擬孟德爾遺傳實驗”的設(shè)計與應(yīng)用[J].中學(xué)生物教學(xué)，2006（Z1）.

作者簡介：

張慧（1986.12-），女，山東臨沂人，中學(xué)一級教師，研究方向：高中生物教學(xué)。