虛擬實驗融入高中生物學(xué)實驗教學(xué)的研究

【摘" 要】 虛擬實驗作為近年來新興的一種輔助實驗教學(xué)手段，展現(xiàn)出了重要的教學(xué)應(yīng)用價值。文章以基于虛擬實驗技術(shù)開發(fā)的NOBOOK虛擬實驗軟件為例，深入分析了制約高中生物學(xué)實驗開展的主要因素，結(jié)合NOBOOK虛擬實驗軟件的獨特優(yōu)勢，進一步提出了將該軟件應(yīng)用于高中生物學(xué)實驗教學(xué)中的具體實施策略，涵蓋課前預(yù)習(xí)、課上教學(xué)、課后復(fù)習(xí)以及課程評價等各個環(huán)節(jié)，旨在通過科技與生物學(xué)知識的深度融合，為高中生物學(xué)實驗教學(xué)模式的創(chuàng)新提供有益的參考。

【關(guān)鍵詞】 虛擬實驗；NOBOOK；高中生物學(xué)實驗；實驗教學(xué)

生物學(xué)作為一門以實驗為基礎(chǔ)的自然學(xué)科，實驗教學(xué)在其教學(xué)體系中占據(jù)著舉足輕重的地位。然而，受限于課時緊張、實驗條件不足等因素，部分學(xué)校的生物學(xué)實驗教學(xué)逐漸演變?yōu)椤爸v授-聽講”或“演示-觀看”的模式，甚至直接縮減實驗課時，這無疑對學(xué)生的核心素養(yǎng)培養(yǎng)構(gòu)成了阻礙。為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，國家層面出臺了一系列政策，高度重視實驗教學(xué)的開展，并特別關(guān)注了虛擬實驗技術(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，實驗設(shè)計應(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)，積極探索虛擬實驗的應(yīng)用。此外，教育部在2019年頒布的《關(guān)于加強和改進中小學(xué)實驗教學(xué)的意見》（教基〔2019〕16號）也倡導(dǎo)，對操作難度大、實施條件苛刻的實驗，可通過虛擬技術(shù)等手段進行呈現(xiàn)，以幫助學(xué)生構(gòu)建起更加完整的知識體系。因此，將虛擬實驗技術(shù)融入高中生物學(xué)實驗教學(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虛擬實驗軟件的安裝與運用

北京樂步科技有限公司于2014年成功研發(fā)出NOBOOK虛擬實驗軟件，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)容進行了細(xì)致劃分，形成了多個子軟件，能夠全面覆蓋國內(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，還兼容移動端，用戶既可通過官方網(wǎng)站進行在線操作，也可在Android、iOS、Windows等系統(tǒng)上下載后隨時隨地使用，極大地突破了網(wǎng)絡(luò)和硬件的限制。更值得一提的是，NOBOOK虛擬實驗軟件操作簡便，僅需通過鼠標(biāo)點擊和移動即可完成實驗，對使用者的計算機操作水平要求極低。

軟件首頁集成了3D資源、顯微鏡觀察、視頻教程、探究實驗、互動課件以及學(xué)案等豐富的學(xué)習(xí)資源，每個虛擬實驗?zāi)K均設(shè)計得完整且直觀，既便于教師在課堂上進行實驗演示，也便于學(xué)生進行課前預(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、實驗預(yù)覽等可視化功能，以及知識點專題、學(xué)案、班級作業(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虛擬實驗軟件的優(yōu)點

首先，NOBOOK虛擬實驗軟件能夠營造出身臨其境的學(xué)習(xí)環(huán)境，促使學(xué)生主動與虛擬實驗中的對象進行交互，迅速獲取實驗結(jié)果，進而掌握新知識并鞏固和拓展自身的知識體系。其次，NOBOOK虛擬實驗軟件打破了時間和空間的束縛，有效解決了實驗周期長、成本高、存在安全隱患等問題。同時，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)對新人教版高中生物學(xué)教材中制約實驗開展的主要因素進行深入剖析，并結(jié)合虛擬實驗技術(shù)的顯著優(yōu)勢，通過具體實例（如表1所示）闡述了如何將NOBOOK虛擬實驗軟件有效融入實驗教學(xué)內(nèi)容之中。

三、虛擬實驗軟件融入實驗教學(xué)的實施策略

虛擬實驗雖非實體，但其融入實驗教學(xué)并非旨在完全取代真實實驗，而是為了實現(xiàn)實驗教學(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)最適合融入虛擬實驗。結(jié)合實驗內(nèi)容與學(xué)生的實際情況，教師可在課前、課中、課后三個教學(xué)環(huán)節(jié)中靈活選擇虛擬實驗的融入時機，并形成有效的評價體系，助力學(xué)生實現(xiàn)從知識感知、知識形成到知識遷移的逐步深化。

（一）課前預(yù)習(xí)融入虛擬實驗，夯實基礎(chǔ)知識根基

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式往往依賴于學(xué)生自主預(yù)習(xí)教材內(nèi)容，隨后在實驗室進行真實實驗。然而，在實驗過程中，學(xué)生常因?qū)嶒炇以噭x器的好奇，以及教材實驗步驟與實際操作間的差異而感到困惑，導(dǎo)致實驗操作不當(dāng)，甚至擾亂課堂秩序，影響實驗成功率。為改變這一現(xiàn)狀，教師可將NOBOOK虛擬實驗軟件應(yīng)用于課前預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)，提前發(fā)布實驗預(yù)習(xí)任務(wù)，并實時跟蹤學(xué)生預(yù)習(xí)進度。這種以虛擬實驗為預(yù)習(xí)載體的方式，不僅使實驗內(nèi)容更加生動有趣，還能幫助學(xué)生積累更多基礎(chǔ)知識。例如，在“檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質(zhì)”實驗中，步驟煩瑣且細(xì)節(jié)眾多。通過虛擬實驗軟件預(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、選擇淺色或無色實驗材料以避免干擾等關(guān)鍵細(xì)節(jié)，為課堂上的真實實驗做好充分準(zhǔn)備，從而提高實驗成功率，避免時間和材料的浪費。

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

針對實驗條件有限或時間安排緊張的學(xué)校，虛擬實驗可作為課堂教學(xué)的重要補充。以“菊花的組織培養(yǎng)”實驗為例，該實驗對無菌處理要求極高，且需配備超凈工作臺等昂貴設(shè)備，實驗周期長達30天，成功率較低。因此，部分學(xué)校尤其是農(nóng)村學(xué)校可能選擇跳過真實實驗，采用傳統(tǒng)講授方式進行教學(xué)，但教學(xué)效果往往不盡如人意。此時，借助NOBOOK虛擬實驗軟件，教師可在課堂上完整展示該實驗過程，解決實驗耗時長、條件限制多等問題。虛擬實驗提供的逼真實驗情境，有助于學(xué)生更好地構(gòu)建生物知識體系。

此外，探究類實驗對培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維、主動探究能力和知識深化具有重要意義，但在現(xiàn)實中往往開展率不高、效果不理想。以“探究pH對過氧化氫酶的影響”實驗為例，傳統(tǒng)教學(xué)中，教師常將其作為定性實驗進行探究，實驗步驟煩瑣且設(shè)計梯度有限，學(xué)生常用模糊詞語描述實驗結(jié)果，難以準(zhǔn)確判斷。同時，實驗中使用的強酸強堿試劑具有腐蝕性，存在安全隱患。而NOBOOK虛擬實驗軟件中的“探究pH對過氧化氫酶的影響（創(chuàng)新）”實驗，則利用生活中常見材料進行創(chuàng)新設(shè)計，通過注射器活塞移動位置直觀展示各pH值對酶活性的影響程度，實現(xiàn)了從定性到定量的轉(zhuǎn)變。學(xué)生可記錄刻度移動數(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)生還可回顧虛擬實驗過程進行真實實驗，提高成功率并減少安全隱患。甚至可基于虛擬實驗重新設(shè)計實驗方案進行探究，進一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和探究能力。

（三）虛擬實驗技術(shù)融入課后復(fù)習(xí)，助力知識內(nèi)化與鞏固

高中生物學(xué)實驗知識體系龐大，學(xué)生在復(fù)習(xí)過程中難免會有所遺漏，特別是那些細(xì)微而關(guān)鍵的知識點。以“紙層析法分離綠葉中的色素實驗”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（選項包括“藍綠色”“黃綠色”“橙黃色”“黃色”），這實則是對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調(diào)觀察和比較色素帶寬度的必要性，許多學(xué)生在實驗觀察時往往忽略了這一細(xì)節(jié)，而習(xí)題解答時又無法重新進行實驗驗證。此時，NOBOOK虛擬實驗軟件便成了學(xué)生的得力助手，他們再次操作并直觀呈現(xiàn)實驗結(jié)果，從而加深對實驗原理及流程的理解，有效填補知識空白，提升生物學(xué)成績及學(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)，實時跟蹤學(xué)生完成情況，使學(xué)習(xí)更加直觀且高效。對基礎(chǔ)相對薄弱的學(xué)生而言，虛擬實驗軟件的重復(fù)操作功能尤為寶貴，它不僅能鍛煉學(xué)生的抽象思維，還能促進知識的舉一反三、觸類旁通，加速知識內(nèi)化過程，成為提升成績的有效途徑。如此一來，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與主動性也將得到顯著提升。

（四）虛擬實驗技術(shù)輔助實驗課程評價，促進“教”與“學(xué)”的全面發(fā)展

實驗課程評價作為實驗教學(xué)不可或缺的一環(huán)，對推動教師“教”與學(xué)生“學(xué)”的雙重進步具有重要意義。教師可借助NOBOOK虛擬實驗軟件實施多元化評價體系，如發(fā)布實驗操作任務(wù)、構(gòu)建實驗評價量表，從學(xué)生對待實驗的態(tài)度、實驗操作技能、團隊協(xié)作能力等多個維度進行綜合評定；同時，布置實驗報告或作業(yè)、建立生物學(xué)習(xí)成長檔案袋，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)虛擬實驗技術(shù)融入實驗教學(xué)過程中可能遇到的問題與挑戰(zhàn)，進而及時做出有效調(diào)整與優(yōu)化，確保虛擬實驗技術(shù)與實驗教學(xué)的融合達到最佳狀態(tài)。

四、拓寬虛擬實驗適用性廣度與深度，加速教育信息化進程

盡管虛擬實驗在某些方面展現(xiàn)出相較于真實實驗的優(yōu)勢，但其仍無法完全替代真實實驗的地位。當(dāng)前市場上的虛擬實驗產(chǎn)品普遍面臨兩大核心挑戰(zhàn)：一方面，那些沉浸感強、逼真度高、功能繁復(fù)且強大的虛擬實驗產(chǎn)品，如基于VR技術(shù)的產(chǎn)品，能夠為用戶提供視覺、聽覺等多維度的極致體驗。然而，這類產(chǎn)品往往價格高昂，后期維修成本也頗為可觀，對大多數(shù)用戶而言具有不小的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。因此，它們更多地出現(xiàn)在高等院?；蜓芯繖C構(gòu)中，僅有極少數(shù)基礎(chǔ)教育單位有能力購置這些尖端、高科技的虛擬實驗產(chǎn)品。另一方面，市場上亦存在價格親民、獲取便捷、操作簡便的虛擬實驗產(chǎn)品，NOBOOK虛擬實驗軟件便是其中的佼佼者。這類產(chǎn)品以其低廉的購買價格和維修成本，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)揮虛擬實驗的教學(xué)潛力。

為了最大化虛擬實驗與教育教學(xué)的結(jié)合效果，教育單位與虛擬實驗技術(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)積極引進適合的虛擬實驗產(chǎn)品，并鼓勵教師探索虛擬實驗的創(chuàng)新教學(xué)模式，以提升教學(xué)效率。同時，他們還需及時向技術(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，不斷對產(chǎn)品進行完善和優(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、更加貼合教學(xué)需求的虛擬實驗產(chǎn)品，從而拓寬其市場應(yīng)用范圍，深化其應(yīng)用深度，為教育信息化的發(fā)展貢獻力量。

五、結(jié)語

NOBOOK虛擬實驗軟件具有不受時空限制、可重復(fù)操作實驗、實驗操作安全、學(xué)習(xí)資源豐富等優(yōu)點，能夠融入整個實驗教學(xué)過程中，從而填補傳統(tǒng)實驗的許多不足。但該軟件存在實驗方案的自主設(shè)計性不強、沒有觸覺感受等問題，還需要進一步完善。虛擬實驗不完全等同于真實實驗，教師在實際教學(xué)中仍應(yīng)該以真實實驗為主體，虛擬實驗作為補充，將虛擬實驗技術(shù)恰當(dāng)?shù)厝谌雽嶒灲虒W(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)實驗教學(xué)效果躍升到更高的水平。

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