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        虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

        2021-04-24 04:40:24
        現(xiàn)代交際 2021年5期
        關(guān)鍵詞:教學(xué)質(zhì)量實(shí)驗(yàn)教學(xué)生物

        (湖南科技大學(xué) 湖南 湘潭 411201)

        生物課是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、集理論與實(shí)踐于一體的課程,無(wú)論是理論知識(shí)的學(xué)習(xí),還是實(shí)踐能力的培養(yǎng),都離不開實(shí)驗(yàn)教學(xué)。傳統(tǒng)的生物教學(xué),理論知識(shí)的教學(xué)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能完全做到同步,在很大程度上降低了學(xué)生生物學(xué)習(xí)的效率,不利于學(xué)生科學(xué)思維和探究能力的培養(yǎng)。中學(xué)班級(jí)人數(shù)較多,實(shí)驗(yàn)儀器數(shù)量少,且精密儀器缺乏,實(shí)驗(yàn)試劑可能存在有毒性、易污染等問(wèn)題,難以保證每位學(xué)生都能參與實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)的安全性也難以保證,因此,學(xué)生對(duì)DNA分子、蛋白質(zhì)分子等微觀知識(shí),難以真正理解與掌握。而虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)缺陷,提高生物教學(xué)質(zhì)量。

        《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020年)》明確提出:“加強(qiáng)優(yōu)質(zhì)教育資源開發(fā)與應(yīng)用,加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)教學(xué)資源體系建設(shè),開發(fā)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)課程。建立數(shù)字圖書館和虛擬實(shí)驗(yàn)室。建立開放靈活的教育資源公共服務(wù)平臺(tái),促進(jìn)優(yōu)質(zhì)教育資源普及共享。”教育部頒布的《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》明確提出:“學(xué)??沙浞掷枚嗝襟w、互聯(lián)網(wǎng)及無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)?!盵1]因此,虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也越來(lái)越多地應(yīng)用于基礎(chǔ)教育,使學(xué)校教學(xué)質(zhì)量有顯著提升。如華中師范大學(xué)生物學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心結(jié)合多年野外實(shí)習(xí)的教學(xué)成果,重現(xiàn)了神農(nóng)架在不同季節(jié)、不同路線的野外環(huán)境和動(dòng)植物實(shí)景,滿足學(xué)生動(dòng)植物實(shí)習(xí)需要[2]。北航附中首次使用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)加試的考試。

        一、虛擬實(shí)驗(yàn)(NOBOOK)的簡(jiǎn)單介紹

        NOBOOK虛擬仿真實(shí)驗(yàn)(簡(jiǎn)稱NB虛擬實(shí)驗(yàn))平臺(tái)是由北京樂步教育科技有限公司于2014年打造的一款教學(xué)軟件,其網(wǎng)址是https://www.nobook.com/,集小學(xué)科學(xué)、中學(xué)物理、化學(xué)、生物實(shí)驗(yàn)于一體,可在不同的設(shè)備上展示內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用3D技術(shù),將實(shí)驗(yàn)材料和儀器高度仿真,利用鼠標(biāo)即可完成實(shí)驗(yàn)操作并迅速觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果的教學(xué)軟件。

        二、案例分析

        “DNA是主要的遺傳物質(zhì)”是人教版普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書《生物》必修二第3章的教學(xué)內(nèi)容,本節(jié)一共包括三個(gè)實(shí)驗(yàn),分別是肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)、艾弗里證明DNA是遺傳物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)、T2噬菌體侵染大腸桿菌的實(shí)驗(yàn)。

        (一)利用虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行肺炎雙球菌的轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn)的操作說(shuō)明

        第一步:打開百度,點(diǎn)擊搜索NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái);

        第二步:進(jìn)入NB實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)的首頁(yè),點(diǎn)擊NB生物實(shí)驗(yàn);

        第三步:點(diǎn)擊在線使用,選擇高中生物,點(diǎn)擊必修二,選擇肺炎雙球菌轉(zhuǎn)化實(shí)驗(yàn);

        第四步:了解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹⒉牧嫌镁?、討論要點(diǎn)之后,點(diǎn)擊右下角的開始實(shí)驗(yàn)即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué);

        第五步:將鼠標(biāo)放在帶有黃色標(biāo)志的圓圈上,并通過(guò)鼠標(biāo)拖動(dòng)針管將其注射到小鼠體內(nèi),重復(fù)以上步驟三次,則完成這一實(shí)驗(yàn)過(guò)程。其中,黃色圓圈表示R型活細(xì)菌、粉色圓圈表示S型活細(xì)菌、含有線條的粉色圓圈表示加熱殺死的S型細(xì)菌。

        第六步:完成上述步驟,即可觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

        (二)艾弗里證明DNA是遺傳物質(zhì)

        教師活動(dòng):教師在講解DNA是遺傳物質(zhì)的實(shí)驗(yàn)具體操作之前,引導(dǎo)學(xué)生說(shuō)出做實(shí)驗(yàn)所需要的實(shí)驗(yàn)材料及儀器。

        提出問(wèn)題:此實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)思想、實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)論分別是什么?

        學(xué)生活動(dòng):學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)和合作探究階段,已初步掌握此實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)思想、實(shí)驗(yàn)過(guò)程及實(shí)驗(yàn)結(jié)論。學(xué)生回答實(shí)驗(yàn)結(jié)論并在黑板上畫出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。

        教師活動(dòng):教師對(duì)學(xué)生解答進(jìn)行補(bǔ)充及講解。并通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)向?qū)W生展示整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程,加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)與了解。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)論:DNA才是使R型細(xì)菌產(chǎn)生穩(wěn)定遺傳變化的物質(zhì)。

        (三)T2噬菌體侵染大腸桿菌的實(shí)驗(yàn)

        教師活動(dòng):在學(xué)生展示完模擬實(shí)驗(yàn)之后,教師借助NB虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)讓學(xué)生更加清楚地了解T2噬菌體侵染大腸桿菌實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

        提出問(wèn)題:T2噬菌體侵染大腸桿菌實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)過(guò)程分別是什么?

        學(xué)生活動(dòng):學(xué)生合作探究并運(yùn)用教師準(zhǔn)備的教具進(jìn)行模擬。

        設(shè)計(jì)意圖:通過(guò)合作探究利用道具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的模擬,可以有效加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解;在借助NB虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還原的實(shí)驗(yàn)過(guò)程,可以幫助學(xué)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)模擬實(shí)驗(yàn)存在的不足,進(jìn)一步加深學(xué)生對(duì)此實(shí)驗(yàn)知識(shí)的掌握。

        實(shí)驗(yàn)結(jié)論:DNA是遺傳物質(zhì)。

        三、虛擬實(shí)驗(yàn)在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)與不足

        (一)虛擬實(shí)驗(yàn)在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

        1.克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的操作復(fù)雜、時(shí)間長(zhǎng)等弊端,提高生物教學(xué)質(zhì)量

        教師對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)重要性的忽視、學(xué)校購(gòu)買實(shí)驗(yàn)器材、試劑、材料等資金的不足、生物課時(shí)少等原因,導(dǎo)致生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能有效開展。虛擬實(shí)驗(yàn)可以有效克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的弊端,提高生物教學(xué)質(zhì)量,主要體現(xiàn)在以下三點(diǎn):第一,虛擬實(shí)驗(yàn)的操作較簡(jiǎn)單,教師和學(xué)生僅需通過(guò)控制計(jì)算機(jī)、鼠標(biāo)等即可完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程;第二,虛擬實(shí)驗(yàn)可減少部分生物實(shí)驗(yàn)等待的時(shí)間。如在“探究酵母細(xì)胞呼吸的方式”實(shí)驗(yàn)中,需要將連接好的裝置間歇性通氣1h,在30℃環(huán)境下培養(yǎng)10h,觀察現(xiàn)象;而在虛擬實(shí)驗(yàn)中僅需要1min即可完成。“低溫誘導(dǎo)植物染色體數(shù)目的變化”實(shí)驗(yàn),需要在洋蔥長(zhǎng)出1cm左右的不定根時(shí),將整個(gè)裝置放入冰箱的低溫室內(nèi)(4℃),誘導(dǎo)培養(yǎng)36h。第三,與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比,虛擬實(shí)驗(yàn)在操作的過(guò)程中安全系數(shù)更高。如“植物的組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)”需要在無(wú)菌的環(huán)境中完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。在操作過(guò)程中,學(xué)生需要用酒精擦拭雙手以達(dá)到無(wú)菌的狀態(tài),需要在酒精燈的旁邊取植物的一小塊組織放入培養(yǎng)液中進(jìn)行培養(yǎng)。在操作過(guò)程中,稍有不慎就會(huì)打翻酒精燈,發(fā)生實(shí)驗(yàn)事故。因此,虛擬實(shí)驗(yàn)在操作過(guò)程中更具有安全性,風(fēng)險(xiǎn)小。

        2.優(yōu)化教學(xué)資源,提高生物教學(xué)質(zhì)量

        高中生物的實(shí)驗(yàn)教育由于資金、場(chǎng)地、課時(shí)的限制,不能有效進(jìn)行;因此,虛擬實(shí)驗(yàn)可以利用自身的優(yōu)勢(shì)優(yōu)化教學(xué)資源,主要包括以下三個(gè)方面:

        第一,生物實(shí)驗(yàn)儀器方面:我國(guó)的許多中學(xué),生物實(shí)驗(yàn)儀器配備不完善,如噬菌體侵染細(xì)菌的實(shí)驗(yàn)需要用的離心儀器實(shí)驗(yàn)室沒有配備。

        第二,課時(shí)安排方面:首先,我國(guó)教育仍然是應(yīng)試教育,許多高中為了保證學(xué)校的升學(xué)率及提高學(xué)生的高考成績(jī),減少了生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間。其次,學(xué)生人數(shù)和課時(shí)安排等因素,也影響了生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

        第三,有利于縮小城鄉(xiāng)之間教育資源的差距。鄉(xiāng)鎮(zhèn)學(xué)校與城市學(xué)校之間的教育資源存在著較大的差距。

        與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比,虛擬實(shí)驗(yàn)則可以很好地解決上述問(wèn)題。虛擬實(shí)驗(yàn)不受時(shí)間、地點(diǎn)等條件的限制。通過(guò)互聯(lián)網(wǎng),有手機(jī)、平板、電腦、電子交互式白板等電子設(shè)備,學(xué)生可隨時(shí)隨地在線學(xué)習(xí);教師也可根據(jù)學(xué)生在線學(xué)習(xí)的情況及時(shí)為學(xué)生答疑解惑。

        3.建構(gòu)模型教學(xué),提高生物教學(xué)質(zhì)量

        模型是一種對(duì)某個(gè)實(shí)際問(wèn)題或客觀事物、規(guī)律進(jìn)行抽象后的形式化表達(dá)方式。而生物模型是一種將生物學(xué)研究原型的一些次要的、非本質(zhì)聯(lián)系舍去,形象簡(jiǎn)約地表現(xiàn)生物原型或突出反映原型的主要特征和聯(lián)系的理想物質(zhì)、過(guò)程或假想結(jié)構(gòu)[3]。對(duì)生物學(xué)教學(xué)而言,物理模型、數(shù)學(xué)模型、概念模型、圖示圖表模型已成為生物學(xué)課堂上的主要模型[4]。如表1所示。

        教師可以結(jié)合教學(xué)內(nèi)容,以虛擬實(shí)驗(yàn)為載體,構(gòu)建不同的教學(xué)模型,以加深學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解,提高生物學(xué)教學(xué)質(zhì)量。

        (二)虛擬實(shí)驗(yàn)在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足

        任何事物都有兩面性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的建立也不例外。我國(guó)虛擬實(shí)驗(yàn)的研究起步較晚,近幾年才有了一定的建設(shè)與發(fā)展。

        表1 生物課堂上的主要模型

        1.虛擬實(shí)驗(yàn)的建立需要大量的資金支持

        在我國(guó),小部分高校建立了相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室,但還需要進(jìn)一步完善;而大部分高校和中學(xué)沒有建立相應(yīng)的虛擬實(shí)驗(yàn)室。

        2.虛擬實(shí)驗(yàn)在一定程度上制約了學(xué)生的動(dòng)手能力

        與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比,虛擬實(shí)驗(yàn)只需簡(jiǎn)單的電腦、手機(jī)等電子產(chǎn)品操作,根據(jù)軟件中的相應(yīng)提示完成實(shí)驗(yàn)的過(guò)程。而部分學(xué)生并不會(huì)仔細(xì)閱讀、思考軟件中給出的相關(guān)步驟。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比,虛擬實(shí)驗(yàn)將實(shí)驗(yàn)過(guò)程按照既定的步驟一一展現(xiàn)出來(lái),基本不會(huì)出現(xiàn)誤差,不利于學(xué)生辯證思維的培養(yǎng)。對(duì)比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn),虛擬實(shí)驗(yàn)缺乏實(shí)踐動(dòng)手操作,生物教學(xué)不能完全依賴這個(gè)軟件。對(duì)于可以在現(xiàn)實(shí)中開展的實(shí)驗(yàn),應(yīng)盡量讓學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和具體步驟,以提升學(xué)生的動(dòng)手能力。

        四、注意使用事項(xiàng)

        (一)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的選擇

        高中生物實(shí)驗(yàn)的類型有探究類、演示類、觀察類、動(dòng)手操作類,并不是所有的實(shí)驗(yàn)都適用于教學(xué)。如在顯微鏡的實(shí)驗(yàn)中,虛擬實(shí)驗(yàn)則表現(xiàn)出其不足之處,不能很好地調(diào)節(jié)顯微鏡的粗準(zhǔn)焦螺旋和細(xì)準(zhǔn)焦螺旋;因此,虛擬實(shí)驗(yàn)要契合實(shí)驗(yàn)類型及教學(xué)內(nèi)容。

        (二)使用要點(diǎn)的講解

        實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要特別注意的要點(diǎn),虛擬實(shí)驗(yàn)未做詳細(xì)講解。如配制斐林試劑時(shí),A液與B液必須反應(yīng)完全后再加入待測(cè)樣品里,而且必須是現(xiàn)用現(xiàn)配。教師應(yīng)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)中沒有提及的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)講解。

        (三)時(shí)間與進(jìn)度的控制

        教師和學(xué)生對(duì)軟件掌握要熟練。如NB虛擬實(shí)驗(yàn)仿真軟件中的每個(gè)實(shí)驗(yàn)大概用時(shí)在1min—5min,結(jié)合教師對(duì)實(shí)驗(yàn)的講解,約在15min—20min;因此,教師和學(xué)生課前應(yīng)對(duì)此軟件熟練掌握,以免影響教學(xué)進(jìn)度。

        五、結(jié)語(yǔ)

        虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是為教師量身打造的一款教學(xué)平臺(tái),其驗(yàn)證性、仿真性和交互性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式是我們教學(xué)改革長(zhǎng)期努力的方向,也是課程發(fā)展的新趨勢(shì)[5]。如何選擇合適的教學(xué)內(nèi)容,將虛擬實(shí)驗(yàn)更好地應(yīng)用于教學(xué)中,進(jìn)行有效問(wèn)題的實(shí)驗(yàn)教學(xué)等問(wèn)題,是我們廣大教育工作者進(jìn)行探索改進(jìn)的挑戰(zhàn)所在。

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