虛擬實驗室在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用探究

摘 要：虛擬實驗室是一種基于Web技術(shù)、VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的開放式網(wǎng)絡(luò)化虛擬實驗教學(xué)系統(tǒng)，是現(xiàn)有各種教學(xué)實驗室的數(shù)字化和虛擬化。教師將虛擬實驗室運用于高中生物教學(xué)中，能夠突破傳統(tǒng)的教學(xué)手段和模式，有效提高教學(xué)效率和教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬實驗室;高中生物;應(yīng)用策略

中圖分類號：G43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2095-624X（2021）12-0059-02

引 言

高中生物是一門嚴謹?shù)膶W(xué)科，其理論知識和實踐操作知識都比較多。在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，受教育經(jīng)費、師資力量、安全問題等因素的制約，學(xué)生無法深入學(xué)習(xí)生物知識。為有效突破這一教學(xué)瓶頸，教師可以通過虛擬實驗室的教學(xué)模式對學(xué)生進行教學(xué)引導(dǎo)，從而使學(xué)生的生物核心素養(yǎng)得到有效提升。

一、虛擬實驗教學(xué)

通常來講，動物細胞培養(yǎng)實驗指的是將動物器官或組織上的細胞通過特定方式進行剝離，并在體外對其生長環(huán)境進行模擬，然后對其進行培養(yǎng)的過程。動物細胞的培養(yǎng)需要較為多元的硬件設(shè)施進行支撐，如化學(xué)性質(zhì)層面的血清、激素、生長因子、培養(yǎng)液，以及物理層面的環(huán)境和設(shè)備等;此外，還需要較為體系化的細胞培養(yǎng)設(shè)備條件進行支持，包括無菌的操作、培養(yǎng)、檢測、保存條件等。因此，受外界因素的干擾，教師很難有效將動物細胞培養(yǎng)實驗給學(xué)生進行整體性呈現(xiàn)，這阻礙了學(xué)生對這類知識的學(xué)習(xí)。而虛擬實驗指的是利用信息技術(shù)對實驗過程進行真實再現(xiàn)，從而確保實驗過程的整體性和完善性，進而使學(xué)生對這類知識進行系統(tǒng)化認知。所以，將動物細胞培養(yǎng)實驗與信息技術(shù)進行完美融合，可以有效突破生物實驗的難點問題。

隨著信息技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是仿真技術(shù)及數(shù)字建模技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬實驗室教學(xué)模式被廣泛應(yīng)用于高中生物教學(xué)中。在高中生物課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，實驗教學(xué)的作用在于將理論基礎(chǔ)與實踐操作進行連接，而這一過程也可以有效培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[1]。具體來說，虛擬實驗通過技術(shù)手段模擬現(xiàn)實中的生物實驗現(xiàn)象和過程，并對實驗過程進行真實再現(xiàn)。學(xué)生在這一形象逼真的實驗環(huán)境中，能系統(tǒng)化地分析整體的實驗設(shè)計、操作、結(jié)果等。這能消除傳統(tǒng)實驗教學(xué)過程中的弊端，完善實驗教學(xué)內(nèi)容，從而有效提高學(xué)生的實驗創(chuàng)新能力。

以“動物細胞培養(yǎng)”為例，動物細胞培養(yǎng)指的是將動物機體中的相關(guān)組織進行抽取，并將其進行分散，使其成為單個細胞，并在適宜的環(huán)境中對其進行培養(yǎng)，使其可以增殖和生長。但是，傳統(tǒng)層面的動物細胞培養(yǎng)實驗需要定期更換培養(yǎng)液，而且需要加入一定的抗生素，稍一疏忽就會影響實驗的準確性。而虛擬實驗教學(xué)在高中生物教學(xué)中的運用，則有效解決了這一問題，虛擬實驗教學(xué)通過高尖端的設(shè)備和儀器可以使學(xué)生觀察到動物胚胎的碎化、分散、細胞分裂、增殖等過程，從而使學(xué)生對動物細胞的整個生長、增殖過程有更為清晰的認知。

二、虛擬解剖教學(xué)

在高中生物課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，教師可以通過虛擬實驗室對學(xué)生進行解剖知識的講解，這樣可以使生物實驗教學(xué)突破傳統(tǒng)實驗弊端，使學(xué)生通過虛擬技術(shù)，客觀真實地了解生物解剖教學(xué)的全過程。這種將生物實驗的每個步驟都進行細化呈現(xiàn)的虛擬實驗教學(xué)情境，能使學(xué)生真正對生物形成細化認知。

以“動物細胞培養(yǎng)”為例，對于雜交瘤細胞的培養(yǎng)過程來說，融合后的脾細胞和骨髓瘤細胞在HAT培養(yǎng)液中會出現(xiàn)陸續(xù)死亡的現(xiàn)象。而這一過程中，少數(shù)分散的細胞及單個細胞均不宜成活，因此，為促使其成活，則需要加入相應(yīng)的其他飼養(yǎng)細胞，通常會選擇小白鼠的腹腔巨噬細胞進行實驗。傳統(tǒng)實驗通常會將小白鼠的腹部朝上在解剖臺上進行固定，然后暴露出小白鼠的腹膜，并將RPMI-1640不完全培養(yǎng)液在小白鼠體內(nèi)進行注射，然后利用培養(yǎng)液懸浮并混勻沉淀細胞，最后在96孔培養(yǎng)板內(nèi)加入細胞懸液。由于本解剖必須確保全程無菌操作，因此，為確保實驗的完整性，教師可以引導(dǎo)學(xué)生通過虛擬實驗室對本實驗過程進行觀察。其原理在于通過三維重建及MRI掃描，構(gòu)建虛擬系統(tǒng)。教師可以通過虛擬手術(shù)刀，對小白鼠進行層層解剖，讓學(xué)生可以清晰地看到教師用虛擬鑷子將小白鼠腹部的皮膚提起，并用剪刀剪了一個小口。當(dāng)小白鼠的腹膜暴露后，教師又換了一把虛擬剪刀，在腹膜上剪出一個小口等，這樣會使學(xué)生對小白鼠的解剖過程形成清晰的認知。直到教師通過虛擬手術(shù)刀一步步將小白鼠解剖，并利用虛擬容器將小白鼠的內(nèi)臟碎塊裝入勻漿器中，并進行虛擬研磨，學(xué)生會看到大塊的組織塊都已經(jīng)逐步下沉。這時，教師可以將上層的細胞進行吸取，并在50ml離心管中進行移入，并加入分散細胞、單個細胞、培養(yǎng)液并將其混勻，以此制成動物細胞培養(yǎng)液。在此基礎(chǔ)上，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)懸液中的細胞會貼附于瓶壁上，這就是細胞貼壁現(xiàn)象。教師可以通過虛擬實驗室，引導(dǎo)學(xué)生觀察細胞貼壁后不同時段的情況，并做好相關(guān)記錄，以此加深學(xué)生對相關(guān)知識的認知。

三、虛擬VR技術(shù)

虛擬VR技術(shù)又叫虛擬現(xiàn)實技術(shù)，它是一種以信息技術(shù)為支撐的技術(shù)模式，利用計算機模擬現(xiàn)實環(huán)境，并對真實的場景進行構(gòu)建。在虛擬技術(shù)中，學(xué)生可以與計算機進行人機交互，進而在虛擬的場景中感受到真實情景，包括聽覺、視覺、觸覺、嗅覺的高度仿真。因此，這種虛擬VR技術(shù)也具有高度的交互性、構(gòu)想性和沉浸性。結(jié)合高中生物教學(xué)來說，VR技術(shù)的運用，可以使學(xué)生通過對實驗真實場景的體驗，對生物知識形成一個系統(tǒng)化的認知。

以“動物細胞培養(yǎng)”為例，傳統(tǒng)層面的細胞培養(yǎng)實驗對外在條件有較多的要求，具體包括需要有氣體、滲透壓、酸度、溫度、生長表面等對其進行支撐，但是，在實際的實驗過程中，很難保證其規(guī)范性。此外，對于不同的實驗類型，其血清的種類及營養(yǎng)液的配置的比例也較難掌握。而利用虛擬實驗技術(shù)可以對實驗過程進行完善，從而有效突破這一難題。具體來說，VR技術(shù)可以使學(xué)生通過數(shù)字化模式，進入虛擬仿真場景中，如同自己在做這一實驗，從而對動物細胞的培養(yǎng)過程形成一個完整的認知。這可以增強學(xué)生的真實體驗感受，使學(xué)生的生物綜合素養(yǎng)形成質(zhì)的升華。比如，學(xué)生通過虛擬操作，在構(gòu)建的場景中取下一塊動物組織，并將其分散為單個的細胞后，在適宜的培養(yǎng)基中進行放置，以此確保細胞可以進行增殖和生長。同時，在進行VR虛擬實驗的過程中，學(xué)生應(yīng)注意觀察運用幼齡動物的器官或者動物的胚胎組織進行實驗，與運用成年動物的器官會存在何種差異，以便對細胞的分裂增殖能力形成一個高效認知。實際上，只有提取幼齡動物或者胚胎中的動物細胞，才可以確保實驗的準確性。其原理在于上述動物細胞具有較強的分裂增殖能力，更利于學(xué)生進行實驗觀察和學(xué)習(xí)。學(xué)生可以通過VR虛擬實驗，感受提取細胞的過程，觀察細胞分裂增殖的過程，從而提升自身的生物感知能力、操作能力和體驗?zāi)芰Α?/p>

四、虛擬切片教學(xué)

生物虛擬實驗室指的是利用信息技術(shù)，對各種軟件資源進行研發(fā)，并在此基礎(chǔ)上，對信息進行發(fā)布、加工、提取、研究、分析和整理。其在生物教學(xué)中的運用，可以使學(xué)生對生命的起源、遺傳、發(fā)育和進化本質(zhì)有一個深度的認知。具體來說，在高中生物實驗課堂教學(xué)環(huán)節(jié)，教師可以通過虛擬實驗室的模式，對學(xué)生進行動物細胞培養(yǎng)切片教學(xué)引導(dǎo)。傳統(tǒng)層面的細胞組織切片在實際教學(xué)環(huán)節(jié)的應(yīng)用，有不易儲存、數(shù)據(jù)信息龐大、不便查找、容易損壞等弊端，因此，不利于學(xué)生對這部分知識進行認知。而虛擬切片系統(tǒng)可以將組織切片轉(zhuǎn)變?yōu)槲淖謭D形信息，也可以將具有典型代表的組織切片信息以不同類目和章節(jié)進行分庫式存儲，以此建立與之相互呼應(yīng)的虛擬切片系統(tǒng)。虛擬切片系統(tǒng)具有擴展性強、易保存、無損耗、便利查找的優(yōu)勢，可以使不同實驗室之間進行合作，實現(xiàn)生物教學(xué)資源的共享。

以“動物細胞培養(yǎng)”為例，在進行本實驗的過程中，教師可以利用虛擬技術(shù)將幼齡個體的組織或器官，以及動物胚胎做成動物細胞培養(yǎng)材料。這是因為細胞生命力較為旺盛，且具有分化程度低、分裂能力強的特點，所以較為適合進行實驗教學(xué)。由于動物細胞與植物細胞有所區(qū)別，它不會像植物細胞那樣發(fā)育成新的個體，只會使細胞數(shù)目增多。此外，動物細胞的培養(yǎng)條件需要無毒、無菌的環(huán)境，并且還應(yīng)確保其溫度應(yīng)在36.5±0.35℃，并以CO2對培養(yǎng)液的pH進行維持。同時，對于10代以內(nèi)的細胞來說，通常需要以冷凍的方式進行保存。所以，這是一個較為復(fù)雜的過程，而且任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)的意外都有可能對實驗結(jié)果造成破壞。因此，教師可以將動物細胞培養(yǎng)以切片的形式在虛擬實驗室進行分類保存，這樣學(xué)生可以隨時在系統(tǒng)目錄中對不同的動物細胞培養(yǎng)知識進行搜索，從而為以后的生物學(xué)習(xí)奠定堅實的基礎(chǔ)。

結(jié)? ? 語

綜上所述，虛擬實驗室在高中生物課堂教學(xué)中的應(yīng)用，突破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的瓶頸，為學(xué)生提供了一種直觀、便利、可操作性強的生物課程學(xué)習(xí)平臺，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，便于學(xué)生對知識的內(nèi)化吸收。虛擬實驗教學(xué)作為傳統(tǒng)生物教學(xué)的補充，為生物課堂教學(xué)注入了全新活力，雖然目前仍舊存在一定的不足，但是隨著信息技術(shù)的進一步發(fā)展，勢必會在生物教學(xué)領(lǐng)域拓展出一片全新的天地。

[參考文獻]

王澤，趙昀彤，金海濤，等.虛擬實驗室在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用與探索[J].中國教育信息化，2020（10）：34-37.

作者簡介：郭敏（1978.1—），女，山東鄒平人，一級教師，被評為濱州市“教學(xué)工作先進個人”、鄒平市“教學(xué)能手”等。