虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)在高中生物學(xué)實驗項目化學(xué)習(xí)中的應(yīng)用

摘要：虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)是一項全新的實用技術(shù)。在高中生物學(xué)實驗項目化學(xué)習(xí)中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能解決知識過于抽象、難以理解的問題。本文從兩者結(jié)合的可行性分析，以及相關(guān)教學(xué)資源的設(shè)計出發(fā)，以“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的動態(tài)變化”為例，探索如何將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在高中生物實驗項目化學(xué)習(xí)中，以期為教育工作者提供新思路。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實技術(shù)；高中生物學(xué)；實驗教學(xué)；項目化學(xué)習(xí)

文章編號：1003-7586（2024）05-0055-03 中圖分類號：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

教育部等多部委聯(lián)合印發(fā)的《教師教育振興行動計劃（2018-2022年）》指出，要充分利用虛擬現(xiàn)實等新技術(shù)，推進(jìn)教師教育信息化教學(xué)服務(wù)平臺建設(shè)和應(yīng)用，推動以自主、合作、探究為主要特征的教學(xué)方式變革。

虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)是一項全新的實用技術(shù)，具有沉浸感、可視化和交互性。在高中生物學(xué)實驗項目化學(xué)習(xí)中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)能解決某些知識過于抽象、難以理解的問題，進(jìn)而促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

1虛擬現(xiàn)實技術(shù)與高中生物學(xué)實驗項目化學(xué)習(xí)結(jié)合的可行性分析

1.1虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢

1.1.1沉浸感和可視化

虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠創(chuàng)造出逼真的虛擬環(huán)境，可以讓學(xué)生沉浸在歷史和未來，對虛擬場景的各種刺激產(chǎn)生共鳴。例如，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以模擬實際實驗室的環(huán)境和實驗操作，使學(xué)生利用能夠相應(yīng)設(shè)備在虛擬環(huán)境中進(jìn)行實驗，體驗真實的實驗過程，提高實驗操作技能，同時避免了潛在實驗風(fēng)險，降低了實驗成本。虛擬現(xiàn)實技術(shù)還能夠?qū)⒊橄蟮母拍詈蛿?shù)據(jù)可視化，使學(xué)生由觀察者變?yōu)閰⑴c者直接參與實驗，能夠更直觀地理解和處理信息。

1.1.2交互性和實時性

虛擬現(xiàn)實技術(shù)鼓勵學(xué)生通過手勢、語音和控制器等方式與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互。這種交互性能夠給學(xué)生提供更多的自由度和創(chuàng)造空間，進(jìn)而激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。這種技術(shù)還能夠?qū)崟r呈現(xiàn)學(xué)生的動作并及時反饋，使學(xué)生能夠了解自己的操作和決策的結(jié)果，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)和思考。

1.1.3跨越時空限制

虛擬現(xiàn)實技術(shù)通過場景設(shè)置，能夠讓學(xué)生在虛擬世界中跨越時間和空間的限制，體驗和參與遠(yuǎn)距離的活動和事件。例如，通過切換場景，學(xué)生能在一節(jié)課中參與多個實驗，或者在場景中體驗持續(xù)時間較長的實驗及結(jié)果。

1.2高中生物學(xué)實驗項目化學(xué)習(xí)的目標(biāo)設(shè)定

項目化學(xué)習(xí)（Project-Based Learning，PBL）是一種動態(tài)的學(xué)習(xí)方法，學(xué)生通過主動探索現(xiàn)實世界的問題和挑戰(zhàn)過程獲得更高層次的知識和技能。項目化學(xué)習(xí)具有自身的優(yōu)勢和特點，它適合應(yīng)用在高中生物學(xué)實驗教學(xué)中。

在目標(biāo)設(shè)定方面，高中生物學(xué)實驗項目化學(xué)習(xí)以核心概念為基礎(chǔ)，教師需要明確教學(xué)的重難點，并在此基礎(chǔ)上積極推進(jìn)學(xué)生由表層學(xué)習(xí)到深層學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)變，由重結(jié)果到重過程的轉(zhuǎn)變，以及由單向思維到多元思維的變革。

1.3兩者結(jié)合的可行性分析

美國教育學(xué)學(xué)者埃德加·戴爾（Edgar Dale）的“學(xué)習(xí)金字塔”理論認(rèn)為，學(xué)生對于學(xué)習(xí)情境的參與度越高，記憶就越牢固，借助體驗習(xí)得的知識經(jīng)驗效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)教學(xué)培訓(xùn)方式（文字符號、錄音廣播、靜態(tài)圖片等）。

在常規(guī)實驗項目化學(xué)習(xí)中，面對生物學(xué)實驗中微觀抽象的生物結(jié)構(gòu)和復(fù)雜動態(tài)的生理過程，學(xué)生容易停留在表層學(xué)習(xí)。而與虛擬現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合后，學(xué)生在完成項目化學(xué)習(xí)時會沉浸其中，積極參與，不斷探索，進(jìn)行深層學(xué)習(xí)。學(xué)生借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠“真聽、真看、真感覺”，獲取并運(yùn)用良好的知識結(jié)構(gòu)，加深對實驗過程的認(rèn)識，而不只關(guān)注實驗結(jié)果，這更有利于學(xué)生對抽象概念的理解和多元思維的形成。

2高中生物學(xué)實驗項目化學(xué)習(xí)中虛擬現(xiàn)實技術(shù)教學(xué)資源的設(shè)計

2.1設(shè)計要求

項目設(shè)計是高中生物學(xué)實驗項目化學(xué)習(xí)實施的前提。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以為高中生物學(xué)實驗項目化學(xué)習(xí)提供相關(guān)技術(shù)支持，但不是所有實驗都適用。首先，教師要根據(jù)學(xué)科程標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)內(nèi)容篩選適合使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的生物學(xué)實驗，再設(shè)計腳本（提供多種可能性），與虛擬現(xiàn)實技術(shù)團(tuán)隊反復(fù)溝通、反饋、修改。其次，在腳本確定后，虛擬現(xiàn)實技術(shù)團(tuán)隊完成腳本的開發(fā)與測試，制作出適配高中的虛擬教學(xué)資源，并確保其正常運(yùn)行。最后，教師應(yīng)在實驗前試用，測試各種可能性，確保學(xué)生接觸到科學(xué)、有效的教學(xué)資源。

2.2設(shè)計框架

本文在項目化學(xué)習(xí)模式構(gòu)建過程中，參考其他基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的項目化教學(xué)模式，并考慮到高中生物學(xué)實驗的特殊性，構(gòu)建了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的高中生物學(xué)實驗項目化學(xué)習(xí)的模式框架（見圖1）。

2.3反饋與評價

學(xué)生在完成高中生物學(xué)實驗項目化學(xué)習(xí)時，教師需要對項目的完成情況進(jìn)行評價，以獲得豐富的評價信息，為后續(xù)項目的優(yōu)化提供信息支持。項目化學(xué)習(xí)主要采用過程性評價，觀察學(xué)生在完成實驗項目時的實驗操作、問題解決、團(tuán)隊協(xié)作等具體表現(xiàn)，進(jìn)行有依據(jù)的評價。同時，教師也可以請學(xué)生參與評價，進(jìn)行自評、互評等活動，促進(jìn)學(xué)生全方位成長。

3虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高中生物學(xué)實驗項目化學(xué)習(xí)中的實踐案例

《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出，組織以探究為特點的主動學(xué)習(xí)是落實生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵。本文以“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的動態(tài)變化”為例，探索虛擬現(xiàn)實技術(shù)是如何在高中生物實驗項目化學(xué)習(xí)中應(yīng)用的。

3.1項目設(shè)計

“酵母菌及種群數(shù)量增長”的相關(guān)知識一直是高中生學(xué)習(xí)的重難點。因為酵母菌體積小，較為微觀，難以觀察，所以選擇運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)行二次探究，加深學(xué)生對酵母菌和種群數(shù)量增長的認(rèn)知，掌握測定種群數(shù)量的方法，提升概括與歸納的科學(xué)思維能力。

3.2項目實施

3.2.1情境引入

教師利用圖片和文字，展示科技前沿研究成果，沉浸式引入：我國科學(xué)家利用化學(xué)物質(zhì)合成了四條人工設(shè)計的釀酒酵母染色體，標(biāo)志著人類向“再造生命”又邁進(jìn)一大步，作為模式生物的酵母菌為科學(xué)家探索生命的奧秘做了很大的貢獻(xiàn)。

3.2.2問題解決

教師展示兩個錐形瓶，分別裝有四天前開始培養(yǎng)的酵母菌液和當(dāng)天剛開始培養(yǎng)的酵母菌液。學(xué)生發(fā)現(xiàn)培養(yǎng)液的渾濁程度不一樣，猜測可能是酵母菌代謝產(chǎn)物增多引起的，也可能是酵母菌的數(shù)量增多引起的。

教師引導(dǎo)學(xué)生分析：酵母菌的代謝產(chǎn)物是酒精、CO2、水等，這些產(chǎn)物都溶于培養(yǎng)液，不影響液體的透明程度。進(jìn)而明確這節(jié)實驗課的目的是再次探究酵母菌數(shù)量是否會隨著培養(yǎng)時間延長而增加及其增長規(guī)律。

3.2.3實踐探究

教師帶領(lǐng)學(xué)生回顧實驗原理，剖析實驗原理的深層含義，并回憶傳統(tǒng)的“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的動態(tài)變化”實驗是如何開展的。學(xué)生回答這個實驗需要七天時間，每天固定時間計數(shù)，耗時很長且效率不高。教師繼續(xù)追問如何提高實驗效率？由此將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入實驗教學(xué)。

3.2.4沉浸學(xué)習(xí)

教師引導(dǎo)學(xué)生打開電腦軟件，帶上虛擬現(xiàn)實頭盔，拿好虛擬現(xiàn)實手柄，按照軟件上的實驗操作提示進(jìn)行酵母菌培養(yǎng)操作，并在實驗單上記錄實驗要點（見圖2）。學(xué)生用虛擬現(xiàn)實技術(shù)更好地掌握實驗步驟，學(xué)會血細(xì)胞計數(shù)板（見圖3）的使用方法，留下了深刻的印象。教師在學(xué)生體驗實驗的過程中要提醒實驗注意點。學(xué)生可以事先設(shè)計好表格，記錄好數(shù)據(jù)后，根據(jù)表中的數(shù)據(jù)，畫出相應(yīng)的坐標(biāo)圖。

3.2.5交互創(chuàng)作

在實驗過程中，沉浸式體驗激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情思維的活躍。學(xué)生開始思考：pH值和溫度如何影響種群數(shù)量？利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)快速地體驗了實驗，在實際實驗過程中能否對該實驗進(jìn)行改進(jìn)，從而在一天內(nèi)完成七組數(shù)據(jù)的統(tǒng)計？

3.2項目評價

在實驗過程中，教師觀察學(xué)生在完成實驗項目時的實驗操作、問題解決、團(tuán)隊協(xié)作等具體表現(xiàn)，進(jìn)行有依據(jù)的評價并做好記錄。還可以通過小組互評BTS/18wuDulqgC+4JIpazQ==的方式對項目進(jìn)行有效評價，促進(jìn)教學(xué)資源的完善和教學(xué)質(zhì)量的全面提升。

4教學(xué)反思

“搛究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的動態(tài)變化”實驗設(shè)計有助于開展以探究為目的的主動學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的提升。

本實驗將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與項目化學(xué)習(xí)相結(jié)合，打破空間和時間的限制，讓學(xué)生在一節(jié)課的時間內(nèi)沉浸式體驗實驗的全過程。在整個實驗過程中，教師針對性地構(gòu)建虛擬情境，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行探究，進(jìn)一步加深了學(xué)生對酵母菌和種群數(shù)量增長的認(rèn)知，提升了概括與歸納的科學(xué)思維能力。

教育工作者可以與虛擬現(xiàn)實的技術(shù)人員深度合作，開發(fā)更多的資源，并充分運(yùn)用于高中生物學(xué)實驗中，推動高中生物學(xué)實驗項目化學(xué)習(xí)的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高中生物學(xué)實驗項目化學(xué)習(xí)中的應(yīng)用，不僅革新了教學(xué)模式，提升了學(xué)習(xí)效果，還為學(xué)生提供了更為廣闊的學(xué)習(xí)空間和可能性。未來隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷成熟和教育理念的深入發(fā)展，筆者期待這一技術(shù)在能夠生物學(xué)教育中發(fā)揮更大的作用，從而推動學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新精神的發(fā)展。