王夢倩　崔鴻

摘要： 作為現(xiàn)代信息技術的重要一環(huán)，虛擬仿真技術在教育領域的應用具有重要意義。但目前針對基礎教育特別是義務教育階段的生物學虛擬仿真教學資源開發(fā)仍處于初步探索期。以華中師范大學生命科學學院開發(fā)的“蘭科植物傳粉與保護”虛擬仿真項目為例，研究者提出了相關教學資源的開發(fā)路徑：選擇適切的教學內(nèi)容，分析《義務教育生物學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）中的對應內(nèi)容要求，根據(jù)內(nèi)容需求設計虛擬仿真互動效果，設計評價模塊保障教學質(zhì)量。

關鍵詞：生物學；虛擬仿真技術；教學資源；開發(fā)路徑

隨著教育信息化逐步深入，推進現(xiàn)代信息技術與教學深度融合成為基礎教育階段教學變革的重點之一。虛擬仿真技術是由計算機硬件、軟件和各種傳感器構(gòu)成的三維信息的虛擬世界，用于模擬現(xiàn)實世界的事物和環(huán)境，支持用戶自主操作，使其有親臨其境的感覺，自然地與虛擬環(huán)境交互。將虛擬仿真技術在教學中應用是教育信息化、科技化的具體體現(xiàn)。

生物學是一門依賴于觀察、實驗、調(diào)查等探究方法逐步構(gòu)建的學科，研究動物、植物和微生物的生命物質(zhì)的結(jié)構(gòu)和功能，它們各自發(fā)生和發(fā)展的規(guī)律，生物之間和生物與環(huán)境之間的相互關系。借助虛擬仿真技術，學生可以獲得自主參與探究實踐的機會，充分發(fā)揮主觀能動性。為推動教育信息化建設，教育部近幾年相繼組織遴選國家級虛擬仿真實驗教學中心，評審國家虛擬仿真實驗項目，認定國家虛擬仿真實驗一流本科課程。從教學資源開發(fā)現(xiàn)狀來看，面向高等教育的虛擬仿真教學資源較多，而面向基礎教育階段的資源較少，其中面向生物學開發(fā)的虛擬仿真教學資源少之又少，且質(zhì)量參差不齊。可以說，面向基礎教育的生物學虛擬仿真教學資源開發(fā)仍處于初步探索階段。研發(fā)以學生為中心，以教學內(nèi)容為主導，以實現(xiàn)教師教學目標為目標的虛擬仿真項目，避免虛擬仿真技術過度游戲化和科學知識碎片化是保障生物學數(shù)字化教學的重要一環(huán)。筆者以華中師范大學生命科學學院開發(fā)的“蘭科植物傳粉與保護”虛擬仿真項目為例，分析了生物學虛擬仿真教學資源的開發(fā)路徑，為虛擬仿真教學資源開發(fā)者提供參考，以促進虛擬仿真技術在生物學教學中的應用和發(fā)展。

一、選擇適于開發(fā)教學資源的相關內(nèi)容

盡管生物學教學中存在大量探究實踐活動，但是并非所有內(nèi)容都適于轉(zhuǎn)變成虛擬仿真項目，研發(fā)者應秉持“虛實互補、能實不虛、以虛促實”的原則，根據(jù)實體實驗發(fā)展需要，將虛擬實驗與實體實驗有機結(jié)合，提高實驗整體效果。在劉亞豐等人的研究基礎上，筆者對中小學適于開發(fā)虛擬仿真項目的生物學教學內(nèi)容進行分類。

第一類：借助網(wǎng)絡數(shù)據(jù)庫更有利于開展教學活動的內(nèi)容。例如，在生物形態(tài)結(jié)構(gòu)與分類的教學中，學生可以觀察身邊的生物與非生物，如借助虛擬仿真技術則能夠觀察比較分析計算機存儲的標本庫，數(shù)據(jù)資源更加豐富。此外，教師可使用技術手段將不同動植物以解剖的形式呈現(xiàn)不同層次的結(jié)構(gòu)模型，便于學生開展科學觀察活動。

第二類：微觀層面，需要使用虛擬仿真技術感知變化的內(nèi)容。例如，探究光合作用、呼吸作用、蒸騰作用及其影響因素時，教師借助虛擬仿真技術，可以將這些過程呈現(xiàn)為動態(tài)的動畫或微觀視頻，并結(jié)合互動性的變量控制，讓學生更深入地了解這些過程，理解本質(zhì)。

第三類：理論抽象難以直觀觀察的內(nèi)容。生物學中有許多抽象的概念，如遺傳與進化。它們很難被直接觀察到，卻是生物學研究的基礎。教師借助虛擬仿真技術，可以將這些抽象的理論轉(zhuǎn)化為具有互動性的虛擬仿真項目，讓學生更為直觀地學習生物學知識。例如，在遺傳與進化的虛擬實驗中，學生可以選擇不同的基因型和環(huán)境條件來模擬不同的進化路徑，從而更好地理解遺傳變異和環(huán)境因素共同作用導致生物進化這一原理。

“蘭科植物傳粉與保護”虛擬仿真項目蘊含的教學內(nèi)容便是第一類與第二類的結(jié)合。蘭科植物種類豐富，大部分蘭科植物被列為瀕危物種，是物種保護中的“旗艦”類群，且蘭科植物具有獨特的傳粉特征，種子往往需要在特定的共生真菌環(huán)境下才能生長為成年植株。對于瀕危植物來說，獲取實物標本十分困難，而學生需要到野外觀察傳粉現(xiàn)象。因此，借助虛擬仿真項目，學生可以在虛擬情況下解決這些現(xiàn)實問題，進行更加深入的學習和理解。

二、分析課標中的對應內(nèi)容要求

課標是規(guī)范國家課程實施與發(fā)展的綱領性文件，是編寫教材、實施教學、評估學生學業(yè)質(zhì)量和教師教學質(zhì)量的依據(jù)。分析解讀課標中的相關內(nèi)容，把握教學內(nèi)容之間的關系，對于開發(fā)教學資源具有指導意義。課標將課程內(nèi)容劃分為7個學習主題，即“生物體的結(jié)構(gòu)層次”“生物的多樣性”“生物與環(huán)境”“植物的生活”“人體生理與健康”“遺傳與進化”“生物學與社會·跨學科實踐”，它們之間是相互關聯(lián)、相互支撐的。

“生物體的結(jié)構(gòu)層次”和“生物的多樣性”是生物學的基礎，前者主要關注生命的基本單位和結(jié)構(gòu)，后者則涉及不同種類生物之間的差異和多樣性。這兩個主題相互依存，只有了解了生命的基本單位和結(jié)構(gòu)，才能更好地理解生物的多樣性?！吧锱c環(huán)境”是生物學的重要內(nèi)容之一，它涉及生態(tài)系統(tǒng)的平衡和相互作用，這一主題不僅包括生物對環(huán)境的影響和環(huán)境對生物的作用，而且包括人類活動對環(huán)境的影響。因此，對于這個主題，學生需要結(jié)合其他主題進行探究。“植物的生活”和“人體生理與健康”都是生物學中重要的應用領域，前者主要關注植物的生命過程和適應環(huán)境的能力，后者則涉及人體的結(jié)構(gòu)和功能及保持健康的方法。這兩個主題之間存在一定的聯(lián)系，例如植物可以為人類提供食物、藥物等資源，而人體的健康也受環(huán)境影響?！斑z傳與進化”是生物學的核心內(nèi)容之一，它涉及生命的起源和發(fā)展規(guī)律。這個主題與其他主題同樣存在聯(lián)系，例如通過研究不同種類生物的遺傳特征來了解生物的多樣性；通過對人類基因組的研究來了解人類的進化歷程等。“生物學與社會·跨學科實踐”是生物學與其他學科交叉應用的重要領域，它涉及生物學在生活中的應用和技術發(fā)展。

為此，在設計虛擬仿真項目時，應基于課標把握教學內(nèi)容的本質(zhì)特征?！爸参铩笔橇x務教育階段的重點內(nèi)容，涉及植物的“形態(tài)結(jié)構(gòu)及其功能”“植物與環(huán)境”的相互關系等（見表1）。

為幫助學生達到學業(yè)要求，開發(fā)者可對相關知識進行整合，實現(xiàn)虛擬仿真項目的情境化、一體化設計?！疤m科植物傳粉與保護”虛擬仿真項目含蘭科植物形態(tài)結(jié)構(gòu)、生境選擇、傳粉策略、保護管理4個模塊，涵蓋課標要求的與植物相關的大部分內(nèi)容。形態(tài)結(jié)構(gòu)模塊，學生可以深入了解蘭科植物的花瓣、花蕊、子房等與傳粉相關的植物結(jié)構(gòu)；生境選擇模塊，以云南作為蘭科植物的典型生境代表，深入了解蘭科植物對生境的要求；傳粉策略模塊，學生可以學習蘭科植物如何通過各種傳粉策略進行繁殖；保護管理模塊，學生能認識到保護生物多樣性的重要性，并了解我國豐富的動植物資源及其保護措施。

三、根據(jù)內(nèi)容要求設計虛擬仿真互動效果

虛擬仿真技術以其獨特的優(yōu)勢為學生提供親臨其境的學習體驗。這里所說的體驗不僅僅局限于視覺、聽覺、觸覺方面的體驗，更重要的是讓學生在體驗的過程中經(jīng)過質(zhì)疑、探索、轉(zhuǎn)化、創(chuàng)造，提升對真實世界的認知體驗、具體經(jīng)驗和主動實踐的能力。在分析教學內(nèi)容的具體特征后，教師選擇最恰當?shù)慕虒W手段，并轉(zhuǎn)化為虛擬仿真的互動效果，才能更好地將技術與教學融合。在初中生物學教學過程中，最為核心的三種教學手段是科學觀察、實驗探究和科學調(diào)查，虛擬仿真教學資源也應創(chuàng)設相應的互動效果，由此可將其分為三類。

（一）科學觀察類虛擬仿真教學資源

科學觀察類虛擬仿真教學資源的應用原理是基于虛擬仿真技術，將傳統(tǒng)的實物標本3D數(shù)字化，支持學生在虛擬環(huán)境中觀察生物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、生命活動等，從而更好地理解生物學知識。這類資源適用于生物學基礎知識的普及和深化，特別適用于觀察肉眼難以觀察的微觀結(jié)構(gòu)、高難度實驗等。虛擬環(huán)境中的觀察對象與實際觀察對象相似度高，學生能夠獲得逼真的觀察體驗，且操作簡便，可以自主控制觀察過程，隨時調(diào)整觀察條件，以獲得最佳觀察效果。

（二）實驗探究類虛擬仿真教學資源

生物學作為自然科學中的一門基礎學科，實驗在生物學教學中具有舉足輕重的作用。實驗探究類虛擬仿真教學資源的應用原理是基于虛擬仿真技術，模擬實體實驗過程，支持學生在虛擬環(huán)境中開展實驗探究。設計與開發(fā)實驗探究類虛擬仿真教學資源，可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實驗各操作環(huán)節(jié)。實驗者可以像在真實的環(huán)境中一樣完成各種實驗，實驗效果等價于，甚至優(yōu)于實體實驗效果。這類資源適用于生物學實驗的模擬和深化，特別適用于高難度實驗、危險性實驗等。學生可以在虛擬環(huán)境中放心地實驗。實驗安全性高，結(jié)果準確，不受外部因素影響，因此實驗數(shù)據(jù)具有很好的可靠性。

（三）科學調(diào)查類虛擬仿真教學資源

科學調(diào)查是了解生物種類、生存環(huán)境和外部形態(tài)等常用的研究方法，一般是在自然的過程中，通過實地考察、訪談、問卷和查閱書面材料等方式去搜集反映研究對象的材料。科學調(diào)查耗時長、變量多、數(shù)據(jù)豐富，教師將生物學常見的科學調(diào)查活動轉(zhuǎn)化為虛擬仿真教學資源，有助于學生在與實際調(diào)查過程相近的虛擬環(huán)境中，自主控制調(diào)查過程，隨時調(diào)整調(diào)查條件，以獲得最佳的調(diào)查結(jié)果，而學生在自主操作中發(fā)現(xiàn)、總結(jié)科學規(guī)律，可以更好地理解科學概念背后的現(xiàn)實依據(jù)。

在“蘭科植物傳粉與保護”虛擬仿真項目中，科學觀察和科學調(diào)查是兩個核心環(huán)節(jié)?？茖W觀察類任務：學生對某種特定的蘭科植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)詳細觀察。此外，學生通過對比分析其他蘭科植物的形態(tài)特征，可以更好地理解蘭科植物的分類依據(jù)和識別要點?？茖W調(diào)查類任務：學生深入了解蘭科植物的生境特點，包括生態(tài)環(huán)境、氣候條件、土壤類型等因素。為了幫助學生更好地開展調(diào)查研究，項目開發(fā)者在系統(tǒng)中置入了云南省不同地區(qū)的生境信息。學生可以通過虛擬的實地考察、文獻資料查詢等方式，收集和整理有關蘭科植物生境的信息。

四、設計評價模塊保障教學質(zhì)量

虛擬仿真項目還應設置面向?qū)W生的評價模塊，用來了解學生的項目參與度和對知識的理解情況，為學生提供反饋和指導，為教師教學提供依據(jù)，也為資源開發(fā)者提供更新、改進的思路。從評價內(nèi)容來看，評價模塊應包含以下三個維度的評價。（1）參與度評價：記錄學生在虛擬仿真項目中操作和停留時間，以及學生完成某項任務的過程和結(jié)果，評價學生對項目的參與程度和學習效果。（2）理解程度評價：在項目中設置測試題目，了解學生對知識的理解和掌握程度。（3）滿意度評價：向參與項目的學生發(fā)送匿名問卷，收集學生的反饋和評價，以便改進。

“蘭科植物傳粉與保護”虛擬仿真項目的項目架構(gòu)如下（如圖1）。項目中獨立的評價模塊與學習模塊相互關聯(lián)，雙向互動。學習模塊中的任務設計會參考評價模塊中的題目類型和難度，以確保學生在完成任務后能夠得到有效的評價。評價模塊的結(jié)果將反饋給學習模塊，幫助學生發(fā)現(xiàn)不足，及時調(diào)整學習策略。此外，評價模塊還提供在線討論和答疑功能，方便學生交流。

五、總結(jié)與展望

“蘭科植物傳粉與保護”虛擬仿真教學項目原本是為大學植物學專業(yè)的學生而設計。研究表明，現(xiàn)有的面向大學生開發(fā)的系列虛擬實驗部分適用于基礎教育階段。教師可嘗試對現(xiàn)有大學生物學相關教學資源進行整合，優(yōu)化、改造出滿足學生個性化需求的虛擬仿真教學資源。

此外，筆者提出的“內(nèi)容—標準—過程—評價”四階段的開發(fā)路徑，可指導生物學虛擬仿真項目的開發(fā)。教師可用“四個是否”作為數(shù)字化教學資源的評價標準，即“選取的內(nèi)容是否適于開發(fā)虛擬仿真教學資源？設計思路是否符合課標？交互的手段是否能引導學生探究實踐？是否設計了恰當?shù)脑u價手段保障教學質(zhì)量？”資源的開發(fā)者和使用者都應堅持這樣一種理念——一個好的虛擬仿真實驗教學項目，絕不是看起來多么有科技感，而應幫助教師實現(xiàn)教學目標，發(fā)展學生的核心素養(yǎng)。只有這樣，才能真正發(fā)揮虛擬仿真教學的優(yōu)勢，提高教育教學質(zhì)量。參考文獻

注：本文系國家自然科學基金面上項目“基于全景視頻的生物學野外實踐VR學習環(huán)境研究”（課題編號：61977028）、教育部產(chǎn)學合作協(xié)同育人項目“動物學野外實習VR課程體系建設研究與實踐”（課題編號：202101317002）的研究成果。

參考文獻

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（作者王夢倩系華中師范大學人工智能教育學部博士研究生；崔鴻系華中師范大學生命科學學院教授，教育部中學教師培養(yǎng)教學指導委員會委員，中國教育學會生物學教學專業(yè)委員會副理事長，本文通信作者）

責任編輯：祝元志