虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

（湖南科技大學(xué) 湖南 湘潭 411201）

生物課是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、集理論與實(shí)踐于一體的課程，無(wú)論是理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，還是實(shí)踐能力的培養(yǎng)，都離不開(kāi)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。傳統(tǒng)的生物教學(xué)，理論知識(shí)的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能完全做到同步，在很大程度上降低了學(xué)生生物學(xué)習(xí)的效率，不利于學(xué)生科學(xué)思維和探究能力的培養(yǎng)。中學(xué)班級(jí)人數(shù)較多，實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量少，且精密儀器缺乏，實(shí)驗(yàn)試劑可能存在有毒性、易污染等問(wèn)題，難以保證每位學(xué)生都能參與實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的安全性也難以保證，因此，學(xué)生對(duì)DNA分子、蛋白質(zhì)分子等微觀知識(shí)，難以真正理解與掌握。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺陷，提高生物教學(xué)質(zhì)量。

《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要（2010—2020年）》明確提出：“加強(qiáng)優(yōu)質(zhì)教育資源開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源體系建設(shè)，開(kāi)發(fā)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)課程。建立數(shù)字圖書館和虛擬實(shí)驗(yàn)室。建立開(kāi)放靈活的教育資源公共服務(wù)平臺(tái)，促進(jìn)優(yōu)質(zhì)教育資源普及共享。”教育部頒布的《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》明確提出：“學(xué)?？沙浞掷枚嗝襟w、互聯(lián)網(wǎng)及無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)?！盵1]因此，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也越來(lái)越多地應(yīng)用于基礎(chǔ)教育，使學(xué)校教學(xué)質(zhì)量有顯著提升。如華中師范大學(xué)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心結(jié)合多年野外實(shí)習(xí)的教學(xué)成果，重現(xiàn)了神農(nóng)架在不同季節(jié)、不同路線的野外環(huán)境和動(dòng)植物實(shí)景，滿足學(xué)生動(dòng)植物實(shí)習(xí)需要[2]。北航附中首次使用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)加試的考試。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)（NOBOOK）的簡(jiǎn)單介紹

NOBOOK虛擬仿真實(shí)驗(yàn)（簡(jiǎn)稱NB虛擬實(shí)驗(yàn)）平臺(tái)是由北京樂(lè)步教育科技有限公司于2014年打造的一款教學(xué)軟件，其網(wǎng)址是https：//www.nobook.com/，集小學(xué)科學(xué)、中學(xué)物理、化學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)于一體，可在不同的設(shè)備上展示內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用3D技術(shù)，將實(shí)驗(yàn)材料和儀器高度仿真，利用鼠標(biāo)即可完成實(shí)驗(yàn)操作并迅速觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的教學(xué)軟件。

二、案例分析

“DNA是主要的遺傳物質(zhì)”是人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《生物》必修二第3章的教學(xué)內(nèi)容，本節(jié)一共包括三個(gè)實(shí)驗(yàn)，分別是肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)、艾弗里證明DNA是遺傳物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)、T2噬菌體侵染大腸桿菌的實(shí)驗(yàn)。

（一）利用虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的操作說(shuō)明

第一步：打開(kāi)百度，點(diǎn)擊搜索NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；

第二步：進(jìn)入NB實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)的首頁(yè)，點(diǎn)擊NB生物實(shí)驗(yàn)；

第三步：點(diǎn)擊在線使用，選擇高中生物，點(diǎn)擊必修二，選擇肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)；

第四步：了解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、材料用具、討論要點(diǎn)之后，點(diǎn)擊右下角的開(kāi)始實(shí)驗(yàn)即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)；

第五步：將鼠標(biāo)放在帶有黃色標(biāo)志的圓圈上，并通過(guò)鼠標(biāo)拖動(dòng)針管將其注射到小鼠體內(nèi)，重復(fù)以上步驟三次，則完成這一實(shí)驗(yàn)過(guò)程。其中，黃色圓圈表示R型活細(xì)菌、粉色圓圈表示S型活細(xì)菌、含有線條的粉色圓圈表示加熱殺死的S型細(xì)菌。

第六步：完成上述步驟，即可觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（二）艾弗里證明DNA是遺傳物質(zhì)

教師活動(dòng)：教師在講解DNA是遺傳物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)具體操作之前，引導(dǎo)學(xué)生說(shuō)出做實(shí)驗(yàn)所需要的實(shí)驗(yàn)材料及儀器。

提出問(wèn)題：此實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)思想、實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)論分別是什么？

學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)和合作探究階段，已初步掌握此實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)思想、實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)論。學(xué)生回答實(shí)驗(yàn)結(jié)論并在黑板上畫出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。

教師活動(dòng)：教師對(duì)學(xué)生解答進(jìn)行補(bǔ)充及講解。并通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)向?qū)W生展示整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)與了解。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：DNA才是使R型細(xì)菌產(chǎn)生穩(wěn)定遺傳變化的物質(zhì)。

（三）T2噬菌體侵染大腸桿菌的實(shí)驗(yàn)

教師活動(dòng)：在學(xué)生展示完模擬實(shí)驗(yàn)之后，教師借助NB虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)讓學(xué)生更加清楚地了解T2噬菌體侵染大腸桿菌實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

提出問(wèn)題：T2噬菌體侵染大腸桿菌實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)過(guò)程分別是什么?

學(xué)生活動(dòng)：學(xué)生合作探究并運(yùn)用教師準(zhǔn)備的教具進(jìn)行模擬。

設(shè)計(jì)意圖：通過(guò)合作探究利用道具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的模擬，可以有效加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解；在借助NB虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還原的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，可以幫助學(xué)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)存在的不足，進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)此實(shí)驗(yàn)知識(shí)的掌握。

實(shí)驗(yàn)結(jié)論：DNA是遺傳物質(zhì)。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)與不足

（一）虛擬實(shí)驗(yàn)在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

1.克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的操作復(fù)雜、時(shí)間長(zhǎng)等弊端，提高生物教學(xué)質(zhì)量

教師對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)重要性的忽視、學(xué)校購(gòu)買實(shí)驗(yàn)器材、試劑、材料等資金的不足、生物課時(shí)少等原因，導(dǎo)致生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能有效開(kāi)展。虛擬實(shí)驗(yàn)可以有效克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的弊端，提高生物教學(xué)質(zhì)量，主要體現(xiàn)在以下三點(diǎn)：第一，虛擬實(shí)驗(yàn)的操作較簡(jiǎn)單，教師和學(xué)生僅需通過(guò)控制計(jì)算機(jī)、鼠標(biāo)等即可完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程；第二，虛擬實(shí)驗(yàn)可減少部分生物實(shí)驗(yàn)等待的時(shí)間。如在“探究酵母細(xì)胞呼吸的方式”實(shí)驗(yàn)中，需要將連接好的裝置間歇性通氣1h，在30℃環(huán)境下培養(yǎng)10h，觀察現(xiàn)象；而在虛擬實(shí)驗(yàn)中僅需要1min即可完成?！暗蜏卣T導(dǎo)植物染色體數(shù)目的變化”實(shí)驗(yàn)，需要在洋蔥長(zhǎng)出1cm左右的不定根時(shí)，將整個(gè)裝置放入冰箱的低溫室內(nèi)（4℃），誘導(dǎo)培養(yǎng)36h。第三，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)在操作的過(guò)程中安全系數(shù)更高。如“植物的組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)”需要在無(wú)菌的環(huán)境中完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。在操作過(guò)程中，學(xué)生需要用酒精擦拭雙手以達(dá)到無(wú)菌的狀態(tài)，需要在酒精燈的旁邊取植物的一小塊組織放入培養(yǎng)液中進(jìn)行培養(yǎng)。在操作過(guò)程中，稍有不慎就會(huì)打翻酒精燈，發(fā)生實(shí)驗(yàn)事故。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)在操作過(guò)程中更具有安全性，風(fēng)險(xiǎn)小。

2.優(yōu)化教學(xué)資源，提高生物教學(xué)質(zhì)量

高中生物的實(shí)驗(yàn)教育由于資金、場(chǎng)地、課時(shí)的限制，不能有效進(jìn)行；因此，虛擬實(shí)驗(yàn)可以利用自身的優(yōu)勢(shì)優(yōu)化教學(xué)資源，主要包括以下三個(gè)方面：

第一，生物實(shí)驗(yàn)儀器方面：我國(guó)的許多中學(xué)，生物實(shí)驗(yàn)儀器配備不完善，如噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)需要用的離心儀器實(shí)驗(yàn)室沒(méi)有配備。

第二，課時(shí)安排方面：首先，我國(guó)教育仍然是應(yīng)試教育，許多高中為了保證學(xué)校的升學(xué)率及提高學(xué)生的高考成績(jī)，減少了生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間。其次，學(xué)生人數(shù)和課時(shí)安排等因素，也影響了生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

第三，有利于縮小城鄉(xiāng)之間教育資源的差距。鄉(xiāng)鎮(zhèn)學(xué)校與城市學(xué)校之間的教育資源存在著較大的差距。

與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)則可以很好地解決上述問(wèn)題。虛擬實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間、地點(diǎn)等條件的限制。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)，有手機(jī)、平板、電腦、電子交互式白板等電子設(shè)備，學(xué)生可隨時(shí)隨地在線學(xué)習(xí)；教師也可根據(jù)學(xué)生在線學(xué)習(xí)的情況及時(shí)為學(xué)生答疑解惑。

3.建構(gòu)模型教學(xué)，提高生物教學(xué)質(zhì)量

模型是一種對(duì)某個(gè)實(shí)際問(wèn)題或客觀事物、規(guī)律進(jìn)行抽象后的形式化表達(dá)方式。而生物模型是一種將生物學(xué)研究原型的一些次要的、非本質(zhì)聯(lián)系舍去，形象簡(jiǎn)約地表現(xiàn)生物原型或突出反映原型的主要特征和聯(lián)系的理想物質(zhì)、過(guò)程或假想結(jié)構(gòu)[3]。對(duì)生物學(xué)教學(xué)而言，物理模型、數(shù)學(xué)模型、概念模型、圖示圖表模型已成為生物學(xué)課堂上的主要模型[4]。如表1所示。

教師可以結(jié)合教學(xué)內(nèi)容，以虛擬實(shí)驗(yàn)為載體，構(gòu)建不同的教學(xué)模型，以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解，提高生物學(xué)教學(xué)質(zhì)量。

（二）虛擬實(shí)驗(yàn)在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足

任何事物都有兩面性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建立也不例外。我國(guó)虛擬實(shí)驗(yàn)的研究起步較晚，近幾年才有了一定的建設(shè)與發(fā)展。

表1 生物課堂上的主要模型

1.虛擬實(shí)驗(yàn)的建立需要大量的資金支持

在我國(guó)，小部分高校建立了相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室，但還需要進(jìn)一步完善；而大部分高校和中學(xué)沒(méi)有建立相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室。

2.虛擬實(shí)驗(yàn)在一定程度上制約了學(xué)生的動(dòng)手能力

與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)只需簡(jiǎn)單的電腦、手機(jī)等電子產(chǎn)品操作，根據(jù)軟件中的相應(yīng)提示完成實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。而部分學(xué)生并不會(huì)仔細(xì)閱讀、思考軟件中給出的相關(guān)步驟。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)過(guò)程按照既定的步驟一一展現(xiàn)出來(lái)，基本不會(huì)出現(xiàn)誤差，不利于學(xué)生辯證思維的培養(yǎng)。對(duì)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，虛擬實(shí)驗(yàn)缺乏實(shí)踐動(dòng)手操作，生物教學(xué)不能完全依賴這個(gè)軟件。對(duì)于可以在現(xiàn)實(shí)中開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)，應(yīng)盡量讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和具體步驟，以提升學(xué)生的動(dòng)手能力。

四、注意使用事項(xiàng)

（一）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇

高中生物實(shí)驗(yàn)的類型有探究類、演示類、觀察類、動(dòng)手操作類，并不是所有的實(shí)驗(yàn)都適用于教學(xué)。如在顯微鏡的實(shí)驗(yàn)中，虛擬實(shí)驗(yàn)則表現(xiàn)出其不足之處，不能很好地調(diào)節(jié)顯微鏡的粗準(zhǔn)焦螺旋和細(xì)準(zhǔn)焦螺旋；因此，虛擬實(shí)驗(yàn)要契合實(shí)驗(yàn)類型及教學(xué)內(nèi)容。

（二）使用要點(diǎn)的講解

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要特別注意的要點(diǎn)，虛擬實(shí)驗(yàn)未做詳細(xì)講解。如配制斐林試劑時(shí)，A液與B液必須反應(yīng)完全后再加入待測(cè)樣品里，而且必須是現(xiàn)用現(xiàn)配。教師應(yīng)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)中沒(méi)有提及的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)講解。

（三）時(shí)間與進(jìn)度的控制

教師和學(xué)生對(duì)軟件掌握要熟練。如NB虛擬實(shí)驗(yàn)仿真軟件中的每個(gè)實(shí)驗(yàn)大概用時(shí)在1min—5min，結(jié)合教師對(duì)實(shí)驗(yàn)的講解，約在15min—20min；因此，教師和學(xué)生課前應(yīng)對(duì)此軟件熟練掌握，以免影響教學(xué)進(jìn)度。

五、結(jié)語(yǔ)

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是為教師量身打造的一款教學(xué)平臺(tái)，其驗(yàn)證性、仿真性和交互性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是我們教學(xué)改革長(zhǎng)期努力的方向，也是課程發(fā)展的新趨勢(shì)[5]。如何選擇合適的教學(xué)內(nèi)容，將虛擬實(shí)驗(yàn)更好地應(yīng)用于教學(xué)中，進(jìn)行有效問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)等問(wèn)題，是我們廣大教育工作者進(jìn)行探索改進(jìn)的挑戰(zhàn)所在。