高中生物虛擬實驗教學創(chuàng)新研究

■ 武漢市第二十三中學 江 晶

高中生物虛擬實驗教學是高中生物實驗教學開發(fā)的一種新的教學模式和教學手段，即在教學中通過虛擬實驗平臺創(chuàng)建的虛擬仿真學習環(huán)境，應用的VR、3D等先進技術解決傳統(tǒng)實驗的難題，它具有效率高、精確、快速便捷等特點，對學生有很強的吸引力。開展虛擬實驗教學創(chuàng)新研究，探索更高效的教學手段，不僅有利于教師專業(yè)能力的提升，也能有效培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，提升其高階思維能力和綜合素養(yǎng)。

一、高中生物虛擬實驗教學創(chuàng)新實施的思考

（一）基于高中課堂教學的主動變革

為全面深化課程改革，落實立德樹人根本任務，國家將課程改革視為一個重要抓手和突破口?！督逃?006年工作要點》第32條中就提到要“加強數(shù)字圖書館、數(shù)字博物館和虛擬實驗室等應用工程建設”，可見，國家十分重視信息技術的應用。2019年頒布的《中國教育現(xiàn)代化2035》是我國首次以教育現(xiàn)代化為主題的中長期戰(zhàn)略規(guī)劃，其中明確指出，要“利用現(xiàn)代技術加快推動人才培養(yǎng)模式改革”，中小學各學科也緊跟文件指導思想開始和信息技術緊密聯(lián)系，以不斷改善傳統(tǒng)教學模式，提高教學效率。

（二）基于創(chuàng)新人才培養(yǎng)的責任擔當

新課標（2017）更注重培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和創(chuàng)造性思維，更加注重培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)。然而傳統(tǒng)課堂教學讓大多數(shù)學生的發(fā)散性思維和創(chuàng)造性思維被束縛、被禁錮。缺乏創(chuàng)新思想和創(chuàng)新能力生長的土壤，創(chuàng)造型人才的培養(yǎng)就成了難以實現(xiàn)的空中樓閣。從學生的個體發(fā)展與終身發(fā)展來看，本研究能提高學生的核心素養(yǎng)。

（三）基于學校特色發(fā)展的持續(xù)彰顯

承繼學校“十三五”課題“互聯(lián)網(wǎng)促進高中生深度學習的教學變革研究”的成果，我們致力于將傳統(tǒng)課堂和信息化課堂進行有機結合。2020年上半年，武漢市漢陽區(qū)被中央電教館評為全國智慧教育示范區(qū)，2020年9月遴選12所中小校作為虛擬實驗教學示范校，我校成為漢陽區(qū)虛擬實驗教學高中段的領頭羊。我們于2020年底組建虛擬實驗室，嘗試探索促進學生自主學習的教學新范式、教學策略、教學評價等。我們開展的這些后疫情時代混合式教學的相關研究，彰顯了學?！稗k有品位的學?！钡霓k學理念。

二、高中生物虛擬實驗教學模式的建構

自漢陽區(qū)2020年入選中央電教館虛擬實驗教學示范區(qū)，我們在區(qū)域范圍內(nèi)充分發(fā)揮虛擬實驗的優(yōu)勢，讓實驗教學成為促進學生能力發(fā)展，提升學生核心素養(yǎng)的重要途徑。

為了推動虛擬實驗教學示范基地建設（武漢市第二十三中學、建港中學），扎實推進中央電教館虛擬實驗常態(tài)化教學，我們通過開展區(qū)域虛擬實驗教學實踐交流活動，形成高中虛擬實驗教學模式（見下圖）。

課前，教師錄制或借鑒優(yōu)質的微課資源供學生預習實驗原理，了解操作步驟，意在培養(yǎng)學生預習的習慣，并激發(fā)其探究欲望；學生帶著問題進入課堂，教師于課中創(chuàng)設情境，引導學生分組設計實驗方案，一方面分組開展虛擬實驗探究，分析問題，小組交流討論；另一方面以現(xiàn)實的實驗進一步驗證，小組間開展互評，鍛煉學生的科學思維。課后，完成實驗報告，同時進行線上檢測反饋。對于學生在實驗中的新發(fā)現(xiàn)，教師將其作為生成性問題，鼓勵學生查閱文獻書籍，展開新的思考和研究，引導學生通過延伸拓展不斷提高綜合素養(yǎng)。

三、虛擬實驗教學的實施策略

（一）虛擬實驗與實體實驗相結合

高效的課堂教學從來都是多種教學手段的有機結合。如在2021年中央電教館虛擬實驗應用課例征集活動中獲評創(chuàng)新案例的《鑒定細胞的活性》一課的教學，教師就是應用虛擬實驗與實體實驗相結合的教學方式幫助學生形象地理解其中的知識點，有效突破教學難點的。

教師應用翻轉課堂教學模式在課前安排學生了解實驗原理，復習顯微鏡的操作。課中以學生為主體，注重學生的課堂體驗，充分利用現(xiàn)代化信息技術開展教學活動，課堂節(jié)奏緊湊，環(huán)節(jié)銜接流暢。而且，教師的教學并不拘泥于一個實驗或一個知識點，而是將多個實驗進行整合，引導學生仔細觀察，積極思考：思考如何鑒定細胞的活性，觀察植物細胞是否發(fā)生質壁分離，觀察細胞質是否環(huán)流等，通過觀察與思考，創(chuàng)新解決課堂核心問題。

借助中央電教館虛擬實驗平臺，教師引導學生在虛擬實驗中利用VR設備回顧并熟悉臨時裝片的操作與顯微鏡的使用。之后，輔以真實實驗，讓學生在顯微鏡下進行鑒定操作，鑒定燒杯中黑藻樣品細胞是否存活。實驗結束后，引導學生分析實驗，以問題帶動學生不斷深化思考，如：哪種方法最為簡便且準確性最高？哪種方式對實驗材料的要求較高？這些問題的思考很好地鍛煉了學生的邏輯思維能力。課后，布置課外反饋練習以鞏固新知。

整堂課虛實結合，學生興趣盎然、小組配合默契，在教師的引導下課堂教學取得了預期的效果。在虛實結合的實驗過程中，學生也通過親身體驗掌握了實驗操作要點，明白了關注細節(jié)和規(guī)范操作的重要性。

（二）利用虛擬實施，糾正學生的操作

虛擬實驗不僅能激發(fā)學生的學習興趣，也能彌補傳統(tǒng)實驗中儀器設備精度不夠、實驗周期較長等不足，更能通過虛擬的實驗操作幫助學生清晰地了解整個實驗過程，觀察到明顯的實驗現(xiàn)象等。

以獲2021年中央電教館虛擬實驗應用課例征集活動融合案例的《檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質》一課為例，在整節(jié)課中，教師通過分層遞進的方式引導學生認識虛擬實驗設備及其操作方式，從虛擬實驗教學服務系統(tǒng)中的演示視頻，到3D虛擬實驗和VR虛擬實驗，教師通過不同的虛擬設備演示，調動學生學習的興趣和積極性，引導學生逐步熟練掌握物質鑒定類實驗的一般原理和操作方法。

借助虛擬實驗，能讓學生更準確清晰地觀察到實驗的過程和實驗的結果，如通過虛擬實驗，學生能清楚地觀察到減數(shù)分裂的染色體，并迅速分辨其不同分裂時期的圖像等?？梢哉f，有了虛擬實驗的幫助，學生就能借助其中經(jīng)驗的積累提升真實實驗的操作技術，更好地完成一系列的實驗操作，從而獲得實驗所需的各種數(shù)據(jù)，得出相應的實驗結論。

我校虛擬實驗教學項目由生物學科向其他學科輻射。項目的實施讓更多的老師養(yǎng)成資源意識，學會利用技術為教學服務，通過信息技術與學科的深度融合，提升教學效率。學校要加強虛擬實驗教學的教師團隊建設，每學科至少培養(yǎng)一名種子教師，帶領組內(nèi)教師進行教學實踐。要利用智慧教學研究室平臺，吸引全區(qū)同學科教師深入研討，并向區(qū)域內(nèi)其他學校輻射，擴大影響。

通過不斷探索，我們初步構建了適合高中生物學科特色的虛擬實驗教學模式，實現(xiàn)了教育與技術的深度融合，有效提升了教師的信息化素養(yǎng)，也提高了實驗教學的成效。后期，我們會進一步完善虛擬實驗教學模式，收集試驗數(shù)據(jù)，與未進行試驗教學的班級進行比較，精確建立試驗教學臺賬，穩(wěn)步推進試驗校建設及全面推廣。