虛擬實(shí)驗(yàn)融入高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究

【摘" 要】 虛擬實(shí)驗(yàn)作為近年來新興的一種輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，展現(xiàn)出了重要的教學(xué)應(yīng)用價(jià)值。文章以基于虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)開發(fā)的NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)軟件為例，深入分析了制約高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)開展的主要因素，結(jié)合NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步提出了將該軟件應(yīng)用于高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的具體實(shí)施策略，涵蓋課前預(yù)習(xí)、課上教學(xué)、課后復(fù)習(xí)以及課程評(píng)價(jià)等各個(gè)環(huán)節(jié)，旨在通過科技與生物學(xué)知識(shí)的深度融合，為高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的創(chuàng)新提供有益的參考。

【關(guān)鍵詞】 虛擬實(shí)驗(yàn)；NOBOOK；高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

生物學(xué)作為一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在其教學(xué)體系中占據(jù)著舉足輕重的地位。然而，受限于課時(shí)緊張、實(shí)驗(yàn)條件不足等因素，部分學(xué)校的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)逐漸演變?yōu)椤爸v授-聽講”或“演示-觀看”的模式，甚至直接縮減實(shí)驗(yàn)課時(shí)，這無疑對(duì)學(xué)生的核心素養(yǎng)培養(yǎng)構(gòu)成了阻礙。為應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，國(guó)家層面出臺(tái)了一系列政策，高度重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展，并特別關(guān)注了虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)在教學(xué)中的巨大潛力?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020修訂）》明確指出，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)追求多樣化，條件允許的學(xué)校應(yīng)充分利用多媒體、互聯(lián)網(wǎng)及無線通信技術(shù)，積極探索虛擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用。此外，教育部在2019年頒布的《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見》（教基〔2019〕16號(hào)）也倡導(dǎo)，對(duì)操作難度大、實(shí)施條件苛刻的實(shí)驗(yàn)，可通過虛擬技術(shù)等手段進(jìn)行呈現(xiàn)，以幫助學(xué)生構(gòu)建起更加完整的知識(shí)體系。因此，將虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)融入高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅具有廣闊的發(fā)展前景，而且具有深遠(yuǎn)的教學(xué)意義。

一、NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的安裝與運(yùn)用

北京樂步科技有限公司于2014年成功研發(fā)出NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，該軟件根據(jù)小學(xué)科學(xué)以及初、高中物理、化學(xué)、生物等學(xué)科內(nèi)容進(jìn)行了細(xì)致劃分，形成了多個(gè)子軟件，能夠全面覆蓋國(guó)內(nèi)初、高中各主流教材版本的教學(xué)需求。該軟件不僅支持PC端使用，還兼容移動(dòng)端，用戶既可通過官方網(wǎng)站進(jìn)行在線操作，也可在Android、iOS、Windows等系統(tǒng)上下載后隨時(shí)隨地使用，極大地突破了網(wǎng)絡(luò)和硬件的限制。更值得一提的是，NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)軟件操作簡(jiǎn)便，僅需通過鼠標(biāo)點(diǎn)擊和移動(dòng)即可完成實(shí)驗(yàn)，對(duì)使用者的計(jì)算機(jī)操作水平要求極低。

軟件首頁(yè)集成了3D資源、顯微鏡觀察、視頻教程、探究實(shí)驗(yàn)、互動(dòng)課件以及學(xué)案等豐富的學(xué)習(xí)資源，每個(gè)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K均設(shè)計(jì)得完整且直觀，既便于教師在課堂上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)演示，也便于學(xué)生進(jìn)行課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)。此外，軟件的最新版本還新增了章節(jié)索引、教材選擇、實(shí)驗(yàn)預(yù)覽等可視化功能，以及知識(shí)點(diǎn)專題、學(xué)案、班級(jí)作業(yè)、課例集錦等新模塊，這些新增功能不僅提升了學(xué)生學(xué)習(xí)的時(shí)效性和多樣性，也為教師開展教學(xué)提供了更加有力的輔助。

二、NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的優(yōu)點(diǎn)

首先，NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)軟件能夠營(yíng)造出身臨其境的學(xué)習(xí)環(huán)境，促使學(xué)生主動(dòng)與虛擬實(shí)驗(yàn)中的對(duì)象進(jìn)行交互，迅速獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)而掌握新知識(shí)并鞏固和拓展自身的知識(shí)體系。其次，NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)軟件打破了時(shí)間和空間的束縛，有效解決了實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高、存在安全隱患等問題。同時(shí)，它還為學(xué)生提供了豐富多樣的學(xué)習(xí)資源，極大地減輕了教師的教學(xué)壓力。本文現(xiàn)對(duì)新人教版高中生物學(xué)教材中制約實(shí)驗(yàn)開展的主要因素進(jìn)行深入剖析，并結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)，通過具體實(shí)例（如表1所示）闡述了如何將NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)軟件有效融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容之中。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)軟件融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施策略

虛擬實(shí)驗(yàn)雖非實(shí)體，但其融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)并非旨在完全取代真實(shí)實(shí)驗(yàn)，而是為了實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的最優(yōu)化。因此，在教學(xué)過程中，教師應(yīng)深思熟慮，判斷哪一環(huán)節(jié)最適合融入虛擬實(shí)驗(yàn)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與學(xué)生的實(shí)際情況，教師可在課前、課中、課后三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中靈活選擇虛擬實(shí)驗(yàn)的融入時(shí)機(jī)，并形成有效的評(píng)價(jià)體系，助力學(xué)生實(shí)現(xiàn)從知識(shí)感知、知識(shí)形成到知識(shí)遷移的逐步深化。

（一）課前預(yù)習(xí)融入虛擬實(shí)驗(yàn)，夯實(shí)基礎(chǔ)知識(shí)根基

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式往往依賴于學(xué)生自主預(yù)習(xí)教材內(nèi)容，隨后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)。然而，在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生常因?qū)?shí)驗(yàn)室試劑、儀器的好奇，以及教材實(shí)驗(yàn)步驟與實(shí)際操作間的差異而感到困惑，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)操作不當(dāng)，甚至擾亂課堂秩序，影響實(shí)驗(yàn)成功率。為改變這一現(xiàn)狀，教師可將NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)軟件應(yīng)用于課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，提前發(fā)布實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)任務(wù)，并實(shí)時(shí)跟蹤學(xué)生預(yù)習(xí)進(jìn)度。這種以虛擬實(shí)驗(yàn)為預(yù)習(xí)載體的方式，不僅使實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更加生動(dòng)有趣，還能幫助學(xué)生積累更多基礎(chǔ)知識(shí)。例如，在“檢測(cè)生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)”實(shí)驗(yàn)中，步驟煩瑣且細(xì)節(jié)眾多。通過虛擬實(shí)驗(yàn)軟件預(yù)習(xí)，學(xué)生能提前了解斐林試劑的配制需現(xiàn)配現(xiàn)用、選擇淺色或無色實(shí)驗(yàn)材料以避免干擾等關(guān)鍵細(xì)節(jié)，為課堂上的真實(shí)實(shí)驗(yàn)做好充分準(zhǔn)備，從而提高實(shí)驗(yàn)成功率，避免時(shí)間和材料的浪費(fèi)。

（二）課堂教學(xué)融入虛擬實(shí)驗(yàn)，豐富教學(xué)內(nèi)容與形式

針對(duì)實(shí)驗(yàn)條件有限或時(shí)間安排緊張的學(xué)校，虛擬實(shí)驗(yàn)可作為課堂教學(xué)的重要補(bǔ)充。以“菊花的組織培養(yǎng)”實(shí)驗(yàn)為例，該實(shí)驗(yàn)對(duì)無菌處理要求極高，且需配備超凈工作臺(tái)等昂貴設(shè)備，實(shí)驗(yàn)周期長(zhǎng)達(dá)30天，成功率較低。因此，部分學(xué)校尤其是農(nóng)村學(xué)?？赡苓x擇跳過真實(shí)實(shí)驗(yàn)，采用傳統(tǒng)講授方式進(jìn)行教學(xué)，但教學(xué)效果往往不盡如人意。此時(shí)，借助NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，教師可在課堂上完整展示該實(shí)驗(yàn)過程，解決實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)、條件限制多等問題。虛擬實(shí)驗(yàn)提供的逼真實(shí)驗(yàn)情境，有助于學(xué)生更好地構(gòu)建生物知識(shí)體系。

此外，探究類實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、主動(dòng)探究能力和知識(shí)深化具有重要意義，但在現(xiàn)實(shí)中往往開展率不高、效果不理想。以“探究pH對(duì)過氧化氫酶的影響”實(shí)驗(yàn)為例，傳統(tǒng)教學(xué)中，教師常將其作為定性實(shí)驗(yàn)進(jìn)行探究，實(shí)驗(yàn)步驟煩瑣且設(shè)計(jì)梯度有限，學(xué)生常用模糊詞語(yǔ)描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，難以準(zhǔn)確判斷。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)中使用的強(qiáng)酸強(qiáng)堿試劑具有腐蝕性，存在安全隱患。而NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)軟件中的“探究pH對(duì)過氧化氫酶的影響（創(chuàng)新）”實(shí)驗(yàn)，則利用生活中常見材料進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，通過注射器活塞移動(dòng)位置直觀展示各pH值對(duì)酶活性的影響程度，實(shí)現(xiàn)了從定性到定量的轉(zhuǎn)變。學(xué)生可記錄刻度移動(dòng)數(shù)據(jù)并繪制圖表，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型。在條件允許的情況下，學(xué)生還可回顧虛擬實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)，提高成功率并減少安全隱患。甚至可基于虛擬實(shí)驗(yàn)重新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行探究，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和探究能力。

（三）虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)融入課后復(fù)習(xí)，助力知識(shí)內(nèi)化與鞏固

高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)知識(shí)體系龐大，學(xué)生在復(fù)習(xí)過程中難免會(huì)有所遺漏，特別是那些細(xì)微而關(guān)鍵的知識(shí)點(diǎn)。以“紙層析法分離綠葉中的色素實(shí)驗(yàn)”為例，其中一道題目要求學(xué)生判斷濾紙條上最寬色素帶的顏色（選項(xiàng)包括“藍(lán)綠色”“黃綠色”“橙黃色”“黃色”），這實(shí)則是對(duì)綠葉中四種色素含量及其比較的深度考查。由于教材討論部分未明確強(qiáng)調(diào)觀察和比較色素帶寬度的必要性，許多學(xué)生在實(shí)驗(yàn)觀察時(shí)往往忽略了這一細(xì)節(jié)，而習(xí)題解答時(shí)又無法重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。此時(shí)，NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)軟件便成了學(xué)生的得力助手，他們?cè)俅尾僮鞑⒅庇^呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理及流程的理解，有效填補(bǔ)知識(shí)空白，提升生物學(xué)成績(jī)及學(xué)習(xí)積極性。此外，教師還可利用該軟件發(fā)布課后作業(yè)，實(shí)時(shí)跟蹤學(xué)生完成情況，使學(xué)習(xí)更加直觀且高效。對(duì)基礎(chǔ)相對(duì)薄弱的學(xué)生而言，虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的重復(fù)操作功能尤為寶貴，它不僅能鍛煉學(xué)生的抽象思維，還能促進(jìn)知識(shí)的舉一反三、觸類旁通，加速知識(shí)內(nèi)化過程，成為提升成績(jī)的有效途徑。如此一來，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與主動(dòng)性也將得到顯著提升。

（四）虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)課程評(píng)價(jià)，促進(jìn)“教”與“學(xué)”的全面發(fā)展

實(shí)驗(yàn)課程評(píng)價(jià)作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)不可或缺的一環(huán)，對(duì)推動(dòng)教師“教”與學(xué)生“學(xué)”的雙重進(jìn)步具有重要意義。教師可借助NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)軟件實(shí)施多元化評(píng)價(jià)體系，如發(fā)布實(shí)驗(yàn)操作任務(wù)、構(gòu)建實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)量表，從學(xué)生對(duì)待實(shí)驗(yàn)的態(tài)度、實(shí)驗(yàn)操作技能、團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力等多個(gè)維度進(jìn)行綜合評(píng)定；同時(shí)，布置實(shí)驗(yàn)報(bào)告或作業(yè)、建立生物學(xué)習(xí)成長(zhǎng)檔案袋，作為記錄學(xué)生學(xué)習(xí)歷程的寶貴資料。通過這種方式，教師不僅能全面了解學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況，還能間接發(fā)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中可能遇到的問題與挑戰(zhàn)，進(jìn)而及時(shí)做出有效調(diào)整與優(yōu)化，確保虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合達(dá)到最佳狀態(tài)。

四、拓寬虛擬實(shí)驗(yàn)適用性廣度與深度，加速教育信息化進(jìn)程

盡管虛擬實(shí)驗(yàn)在某些方面展現(xiàn)出相較于真實(shí)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，但其仍無法完全替代真實(shí)實(shí)驗(yàn)的地位。當(dāng)前市場(chǎng)上的虛擬實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品普遍面臨兩大核心挑戰(zhàn)：一方面，那些沉浸感強(qiáng)、逼真度高、功能繁復(fù)且強(qiáng)大的虛擬實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品，如基于VR技術(shù)的產(chǎn)品，能夠?yàn)橛脩籼峁┮曈X、聽覺等多維度的極致體驗(yàn)。然而，這類產(chǎn)品往往價(jià)格高昂，后期維修成本也頗為可觀，對(duì)大多數(shù)用戶而言具有不小的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此，它們更多地出現(xiàn)在高等院校或研究機(jī)構(gòu)中，僅有極少數(shù)基礎(chǔ)教育單位有能力購(gòu)置這些尖端、高科技的虛擬實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品。另一方面，市場(chǎng)上亦存在價(jià)格親民、獲取便捷、操作簡(jiǎn)便的虛擬實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品，NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)軟件便是其中的佼佼者。這類產(chǎn)品以其低廉的購(gòu)買價(jià)格和維修成本，更適合在中小學(xué)校中廣泛應(yīng)用。然而，在沉浸感、逼真性、功能完備性等方面，它們顯然難以與VR技術(shù)產(chǎn)品相媲美，這可能導(dǎo)致在教學(xué)過程中部分教學(xué)環(huán)節(jié)的開展受到一定限制，無法充分發(fā)揮虛擬實(shí)驗(yàn)的教學(xué)潛力。

為了最大化虛擬實(shí)驗(yàn)與教育教學(xué)的結(jié)合效果，教育單位與虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)研發(fā)部門之間的緊密交流與合作尤為重要。教育單位應(yīng)積極引進(jìn)適合的虛擬實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品，并鼓勵(lì)教師探索虛擬實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新教學(xué)模式，以提升教學(xué)效率。同時(shí)，他們還需及時(shí)向技術(shù)研發(fā)部門反饋使用效果和意見，為產(chǎn)品的改進(jìn)提供寶貴參考。而技術(shù)研發(fā)部門則應(yīng)積極響應(yīng)一線教師的反饋，不斷對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行完善和優(yōu)化，努力提升研發(fā)水平。通過雙方的共同努力，致力于打造更加先進(jìn)、更加貼合教學(xué)需求的虛擬實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品，從而拓寬其市場(chǎng)應(yīng)用范圍，深化其應(yīng)用深度，為教育信息化的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

五、結(jié)語(yǔ)

NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)軟件具有不受時(shí)空限制、可重復(fù)操作實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)操作安全、學(xué)習(xí)資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，能夠融入整個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，從而填補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的許多不足。但該軟件存在實(shí)驗(yàn)方案的自主設(shè)計(jì)性不強(qiáng)、沒有觸覺感受等問題，還需要進(jìn)一步完善。虛擬實(shí)驗(yàn)不完全等同于真實(shí)實(shí)驗(yàn)，教師在實(shí)際教學(xué)中仍應(yīng)該以真實(shí)實(shí)驗(yàn)為主體，虛擬實(shí)驗(yàn)作為補(bǔ)充，將虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)恰當(dāng)?shù)厝谌雽?shí)驗(yàn)教學(xué)中，無論在哪一教學(xué)環(huán)節(jié)上都得到最優(yōu)化的使用，使生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果躍升到更高的水平。

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