摘 要：實(shí)驗(yàn)探究是學(xué)習(xí)生物的重要方法，它可以充分展示出生物變化的過(guò)程，揭示生命活動(dòng)的規(guī)律，教師應(yīng)注重生物實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。虛擬實(shí)驗(yàn)室以先進(jìn)的信息技術(shù)為基礎(chǔ)，具有高效、精確、智能化等特點(diǎn)。高中生物教學(xué)中虛擬實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)建和應(yīng)用，能夠?yàn)閷W(xué)生提供一個(gè)仿真學(xué)習(xí)的環(huán)境，不僅能夠有效解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中遇到的各種難題，還為高中生物教育的創(chuàng)新實(shí)踐提供了一條全新路徑?；诖?，文章淺析虛擬實(shí)驗(yàn)室在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用實(shí)踐，以期為課程改革的深入發(fā)展提供一定理論借鑒。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)探究；虛擬實(shí)驗(yàn)室；高中生物教學(xué)；創(chuàng)建和應(yīng)用

生物是一門(mén)十分重要的自然學(xué)科，主要通過(guò)研究生物的性質(zhì)和功能，闡明生命活動(dòng)的發(fā)展規(guī)律。實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)、證實(shí)理論的一種學(xué)習(xí)活動(dòng)形式，它能夠培養(yǎng)學(xué)生的觀察能力、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，幫助學(xué)生樹(shù)立起大膽質(zhì)疑與實(shí)事求是的科學(xué)精神。但傳統(tǒng)的高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)尚不完善，受教學(xué)時(shí)長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備短缺、實(shí)驗(yàn)材料不易獲取等條件的限制，學(xué)生的生物實(shí)驗(yàn)需求并不能得到很好地滿足。《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)新課標(biāo)）提出：“信息技術(shù)為生物課堂提供了視頻、模擬實(shí)驗(yàn)等豐富的教學(xué)資源，教師應(yīng)充分利用信息技術(shù)，開(kāi)展多種形式的教學(xué)活動(dòng)?！庇缮峡芍?，新課標(biāo)倡導(dǎo)育人方式的轉(zhuǎn)變，旨在通過(guò)信息技術(shù)資源的開(kāi)發(fā)和運(yùn)用，減少實(shí)驗(yàn)活動(dòng)對(duì)耗材及場(chǎng)地的依賴(lài)。因此，教師應(yīng)遵循課標(biāo)理念，對(duì)當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)教學(xué)作出改進(jìn)與創(chuàng)新，以扭轉(zhuǎn)“知識(shí)本位”的課程現(xiàn)狀，全面提高高中生物教學(xué)的有效性。

一、高中生物教學(xué)應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室的意義

虛擬實(shí)驗(yàn)室是運(yùn)用信息技術(shù)構(gòu)建而成的一種數(shù)字化、仿真化的實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)，它能夠?yàn)槭褂谜咛峁┮粋€(gè)開(kāi)放式的應(yīng)用環(huán)境，并且具有過(guò)程可視化、利用率高、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，最早被用于科學(xué)研究工作中。進(jìn)入21世紀(jì)后，隨著虛擬技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，人們將虛擬實(shí)驗(yàn)室引入教育領(lǐng)域，大量應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物等學(xué)科的教學(xué)和實(shí)驗(yàn)中。虛擬實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)建出了數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，能夠?qū)?shí)驗(yàn)器材、藥品進(jìn)行高度模擬和仿真，學(xué)生控制鼠標(biāo)、鍵盤(pán)等終端設(shè)備，就能用模擬材料開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，還能將整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程以可視化的方式呈現(xiàn)出來(lái)，并產(chǎn)生一系列的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[1]。

對(duì)生物這門(mén)學(xué)科而言，實(shí)驗(yàn)是學(xué)生開(kāi)展學(xué)習(xí)的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)具體的生物實(shí)驗(yàn)，可以充分展示各種生物現(xiàn)象，更好地揭示生物的原理和規(guī)律。尤其是高中生物教材中的實(shí)驗(yàn)，其依據(jù)新課標(biāo)編寫(xiě)而成，其中的知識(shí)豐富、類(lèi)型典型，在學(xué)業(yè)要求上，不僅突出基礎(chǔ)知識(shí)和基本技能，還全面滲透核心素養(yǎng)培養(yǎng)的相關(guān)內(nèi)容，要求通過(guò)具體的實(shí)驗(yàn)課程，鍛煉和提高學(xué)生的觀察、分析、動(dòng)手等能力。但是，現(xiàn)實(shí)的生物實(shí)驗(yàn)受諸多不利因素的影響，比如藥品短缺、課時(shí)不足、學(xué)生動(dòng)手能力弱等，導(dǎo)致其成為高中生物教學(xué)的薄弱環(huán)節(jié)。這就需要教師作出改進(jìn)，統(tǒng)整優(yōu)質(zhì)的教育資源，不斷完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

將虛擬實(shí)驗(yàn)室引入高中生物實(shí)驗(yàn)課程中，能夠充分發(fā)揮現(xiàn)代信息技術(shù)輔助教學(xué)的功能：學(xué)生通過(guò)多媒體設(shè)備可以反復(fù)觀看實(shí)驗(yàn)過(guò)程，了解、熟悉實(shí)驗(yàn)所用到的器材和藥品，提高對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和方法的認(rèn)識(shí)程度；另外，學(xué)生在多媒體設(shè)備上就能開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，既實(shí)現(xiàn)了操作的簡(jiǎn)化，還能獲得豐富的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等感官體驗(yàn)，有助于將抽象的生物理論知識(shí)形象化地表現(xiàn)出來(lái)，因此。虛擬實(shí)驗(yàn)室蘊(yùn)含的新技術(shù)、新方法和新思維為高中生物教學(xué)注入了新力量，它促發(fā)了教育機(jī)理、教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變，能夠極大改善高中生物的教育質(zhì)量[2]。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)室的主要特征

（一）仿真性

仿真性指虛擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)場(chǎng)景和真實(shí)實(shí)驗(yàn)的模擬具有較高的相似度，在高中生物實(shí)驗(yàn)課程中，這種仿真性通常表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。第一，實(shí)驗(yàn)環(huán)境。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以高度還原現(xiàn)實(shí)的生物實(shí)驗(yàn)環(huán)境，包括實(shí)驗(yàn)室設(shè)備、儀器、生物樣本、反應(yīng)條件等，能夠讓學(xué)生獲得沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)；第二，實(shí)驗(yàn)操作。虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠真實(shí)還原生物實(shí)驗(yàn)的各種過(guò)程，如樣本處理、儀器使用、數(shù)據(jù)分析等。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行模擬操作，有助于應(yīng)用能力的提高；第三，實(shí)驗(yàn)原理。虛擬實(shí)驗(yàn)室可以模擬復(fù)雜的生物系統(tǒng)和生物反應(yīng)，有助于學(xué)生深入理解生物作用的原理，并對(duì)可能出現(xiàn)的結(jié)果作出預(yù)判?？傊?，虛擬實(shí)驗(yàn)室具有高度仿真的優(yōu)點(diǎn)，學(xué)生只需要在應(yīng)用界面上進(jìn)行操作就能完成實(shí)驗(yàn)，節(jié)約了大量的實(shí)驗(yàn)器材和藥品，降低了實(shí)驗(yàn)成本，使得很多復(fù)雜實(shí)驗(yàn)的實(shí)施成為可能。

（二）交互性

交互性是虛擬實(shí)驗(yàn)室所具有的一種特殊功能，學(xué)生進(jìn)行操作時(shí)，不僅能夠獲取數(shù)據(jù)庫(kù)中的各種信息，還能與教師、其他學(xué)生乃至平臺(tái)本身產(chǎn)生多向交流和互動(dòng)[3]。多種思維相互碰撞下，能夠促進(jìn)學(xué)生產(chǎn)生出更多的創(chuàng)意和想法。首先，虛擬實(shí)驗(yàn)室具備直觀的操作界面和多種操作模式，如鼠標(biāo)點(diǎn)擊、鍵盤(pán)輸入、觸屏控制、語(yǔ)音識(shí)別等。學(xué)生可以根據(jù)自身喜好，選擇適宜的控制方式，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程進(jìn)行有效管控；其次，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，教師的指導(dǎo)與學(xué)生的操作大多不同步，容易出現(xiàn)學(xué)生操作失誤導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗的現(xiàn)象，而虛擬實(shí)驗(yàn)以網(wǎng)絡(luò)作為信息的載體，師生之間便于實(shí)時(shí)交流，任何問(wèn)題都能得到快速反饋與解決，顯著提高了實(shí)驗(yàn)的成功率；最后，虛擬實(shí)驗(yàn)室支持多人在線使用，學(xué)生在虛擬環(huán)境中能夠得到他人的協(xié)作。這種協(xié)作通常以實(shí)時(shí)聊天、共享結(jié)果、共同進(jìn)行操作等方式實(shí)現(xiàn)，極大地提高了生物實(shí)驗(yàn)的效率。

（三）靈活性

虛擬實(shí)驗(yàn)室在設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)上遵循“面向?qū)ο蟆钡睦砟?，重點(diǎn)突出學(xué)生在應(yīng)用中的主導(dǎo)地位，其在空間、時(shí)間、對(duì)象、操作上變得十分靈活，學(xué)生能夠根據(jù)實(shí)際學(xué)習(xí)需求自主調(diào)整實(shí)驗(yàn)，其靈活性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。第一，當(dāng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果不理想時(shí)，學(xué)生只需要在操作終端改變因變量的數(shù)值，就能清楚觀察到生物反應(yīng)所發(fā)生的變化，并得到新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果；第二，虛擬實(shí)驗(yàn)室的靈活性也表現(xiàn)在運(yùn)用時(shí)機(jī)上，教師可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)，在預(yù)習(xí)、實(shí)操、復(fù)習(xí)或評(píng)價(jià)等不同階段，隨時(shí)調(diào)用或向?qū)W生展示相關(guān)信息；第三，虛擬實(shí)驗(yàn)室開(kāi)通遠(yuǎn)程共享功能后，學(xué)生便能根據(jù)自身的特長(zhǎng)、學(xué)習(xí)進(jìn)度，隨時(shí)隨地開(kāi)展個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)，這樣就能充分掌握學(xué)習(xí)主動(dòng)權(quán)，大大提高學(xué)習(xí)效率。因此，虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用不僅能夠適應(yīng)現(xiàn)代學(xué)生的學(xué)習(xí)習(xí)慣和生活節(jié)奏，還調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、自主性。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)室在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用策略案例

人教版高中生物教材一共收錄了29個(gè)實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)十分經(jīng)典，是不同歷史時(shí)期的學(xué)者們?cè)谏茖W(xué)上取得的重大發(fā)現(xiàn)和突破，深入地揭示出生命活動(dòng)的奧秘，直接推動(dòng)了生命科學(xué)的發(fā)展。學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)室中完成這些實(shí)驗(yàn)，不僅能夠加深對(duì)生物概念、原理和規(guī)律的理解，還能領(lǐng)悟科學(xué)家是如何提出問(wèn)題、尋找依據(jù)、不斷深入解決問(wèn)題的，并在來(lái)龍去脈的追根溯源中探清生物知識(shí)的本質(zhì)[4]。

教師組織學(xué)生用虛擬實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)從實(shí)際學(xué)情出發(fā)，在控制好時(shí)間和難度的前提下，設(shè)計(jì)多元、豐富的實(shí)驗(yàn)方案，發(fā)揮信息技術(shù)在補(bǔ)教上的功能，促進(jìn)學(xué)生對(duì)生物知識(shí)形成多維、深刻的理解。本文以人教版高中生物必修1第五單元的實(shí)驗(yàn)“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”為例，探討虛擬實(shí)驗(yàn)室在高中生物實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用。

（一）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分析

“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”是《細(xì)胞呼吸的原理和應(yīng)用》小節(jié)中的重要實(shí)驗(yàn)。從內(nèi)容上看，本節(jié)用物質(zhì)與能量觀分析了細(xì)胞呼吸將有機(jī)物中的能量轉(zhuǎn)化為可利用能量的過(guò)程，對(duì)自然界中ATP的主要來(lái)源作出了解釋?zhuān)橄乱还?jié)“光合作用”的學(xué)習(xí)奠定了基礎(chǔ)。新課標(biāo)也提出：通過(guò)實(shí)驗(yàn)活動(dòng)達(dá)成對(duì)“細(xì)胞的生存需要能量和營(yíng)養(yǎng)物”這一概念的理解。以上述內(nèi)容為依據(jù)，設(shè)計(jì)“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”虛擬實(shí)驗(yàn)，促發(fā)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，幫助他們克服學(xué)習(xí)生物微觀結(jié)構(gòu)的困難，加深對(duì)生物知識(shí)的理解。

另一方面，“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”屬于綜合性實(shí)驗(yàn)，教材中雖然提供了一個(gè)較為完善的參考方案，但在實(shí)際操作過(guò)程中，通常面臨以下問(wèn)題：1.培養(yǎng)和通氣時(shí)間過(guò)長(zhǎng)；2.裝置氣密性不足；3.有氧呼吸、無(wú)氧呼吸起始時(shí)間判定不準(zhǔn)確；4.對(duì)二氧化碳和酒精的生成量、產(chǎn)熱情況只能做定性判斷，不能進(jìn)行定量比較。由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作難以獲得較好的效果，而通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)的方式，不僅能夠有效解決上述問(wèn)題，還能創(chuàng)造出良好的仿真環(huán)境，帶給學(xué)生全新的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，并激發(fā)他們學(xué)習(xí)生物、探究生物的熱情。

（二）教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

教材和新課標(biāo)是實(shí)施大單元教學(xué)的基礎(chǔ)性資源，教師應(yīng)深入研讀把握課程要素，并挖掘其中的教育點(diǎn)，提煉出準(zhǔn)確的教學(xué)目標(biāo)：1.通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生深入理解細(xì)胞呼吸的概念，了解它為細(xì)胞提供能量和物質(zhì)的方式，促進(jìn)學(xué)生建構(gòu)起細(xì)胞呼吸的基本知識(shí)框架。2.酵母菌既可以進(jìn)行有氧呼吸也可以進(jìn)行無(wú)氧呼吸，引導(dǎo)學(xué)生探究酵母菌在不同條件下的呼吸方式，理解有氧呼吸和無(wú)氧呼吸的區(qū)別。3.指導(dǎo)學(xué)生在仿真環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，培養(yǎng)學(xué)生的操作能力，并通過(guò)調(diào)整實(shí)驗(yàn)條件、觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象等方式，提升學(xué)生的操作熟練度和自信心。4.通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)的操作、分析等過(guò)程，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握科學(xué)探究的基本方法，包括如何控制變量、觀察記錄、數(shù)據(jù)分析和得出結(jié)論等。這些技能對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰χ陵P(guān)重要。綜上，在虛擬實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展過(guò)程中，目標(biāo)表明了實(shí)驗(yàn)的發(fā)展、前進(jìn)方向，它提示學(xué)生應(yīng)從何種角度去思考問(wèn)題，應(yīng)運(yùn)用何種方法來(lái)達(dá)成目標(biāo)。同時(shí)，目標(biāo)還具有“反饋”的功能，它可以指正學(xué)生的操作行為，并直接促成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的產(chǎn)生[5]。

（三）完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)

教師應(yīng)將教學(xué)目標(biāo)轉(zhuǎn)化為具體的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并督促學(xué)生在虛擬環(huán)境中完成：

1.實(shí)驗(yàn)器材準(zhǔn)備。準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所需的器材，比如酵母菌培養(yǎng)液、試管、培養(yǎng)箱、檢測(cè)裝置等。

2.培養(yǎng)酵母菌。用葡萄糖溶液和酵母菌制備培養(yǎng)液，并將制成的酵母菌培養(yǎng)液分為觀察組和對(duì)照組，觀察組用于有氧呼吸，對(duì)照組用于無(wú)氧呼吸。

3.探究有氧呼吸。為觀察組提供充足的氧氣，如設(shè)置氧氣供應(yīng)設(shè)備，確保酵母菌進(jìn)行有氧呼吸，觀察并檢測(cè)有氧呼吸的產(chǎn)物。

4.探究無(wú)氧呼吸。為對(duì)照組創(chuàng)造無(wú)氧環(huán)境，如使用密封的試管或培養(yǎng)箱，確保酵母菌進(jìn)行無(wú)氧呼吸，觀察并檢測(cè)無(wú)氧呼吸的產(chǎn)物。

5.數(shù)據(jù)分析。記錄兩組實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生二氧化碳的量并進(jìn)行比較，理解酵母菌在有氧和無(wú)氧環(huán)境下呼吸方式的差異。

6.得出結(jié)論。根據(jù)數(shù)據(jù)比較的結(jié)果，得出酵母菌細(xì)胞呼吸方式的結(jié)論。

（四）反思和總結(jié)

虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生回顧整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，用已掌握的生物知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果作出解釋?zhuān)⑻接憣?shí)驗(yàn)中可能存在的誤差，嘗試作出改進(jìn)和優(yōu)化：1.虛擬實(shí)驗(yàn)室能夠模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境和過(guò)程，但仍存在一定的局限性，虛擬環(huán)境無(wú)法完全還原真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的微生物培養(yǎng)條件，觀察到的現(xiàn)象、結(jié)果可能與實(shí)際實(shí)驗(yàn)存在一定差異。所以在設(shè)置相關(guān)參數(shù)時(shí)，應(yīng)盡量參考真實(shí)數(shù)據(jù)，如酵母菌培養(yǎng)數(shù)據(jù)、氧氣濃度變化數(shù)據(jù)等，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的優(yōu)化，得出更為準(zhǔn)確的結(jié)果。2.探討虛擬實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)失敗的情況，如藥品污染、操作不當(dāng)、設(shè)備故障等，讓學(xué)生了解實(shí)驗(yàn)過(guò)程能夠?qū)Y(jié)果造成何種影響，教授學(xué)生如何處理這些情況，學(xué)生在真實(shí)實(shí)驗(yàn)時(shí)遇到類(lèi)似問(wèn)題便能從容應(yīng)對(duì)。3.鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，圍繞方案和學(xué)生開(kāi)展討論并不斷完善，讓學(xué)生充分體會(huì)生物學(xué)習(xí)與信息技術(shù)結(jié)合的益處。

結(jié)束語(yǔ)

虛擬實(shí)驗(yàn)室是信息時(shí)代的特有產(chǎn)物，它將知識(shí)、活動(dòng)融合到媒體之中，能夠帶給學(xué)生多個(gè)層次的感官體驗(yàn)。現(xiàn)階段虛擬實(shí)驗(yàn)室在高中生物教學(xué)中已得到廣泛應(yīng)用，教師在先進(jìn)的軟硬件輔助下，開(kāi)發(fā)出了全新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)形態(tài)，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)空局限，為學(xué)生打造出了全新、高效的智能化學(xué)習(xí)環(huán)境，增加了教學(xué)的互動(dòng)性、合作性、生成性，有利于學(xué)生發(fā)揮自身的主觀意識(shí)，將個(gè)體的已有經(jīng)驗(yàn)和思維活動(dòng)投射到具體的學(xué)習(xí)任務(wù)中。因此，教師應(yīng)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用做進(jìn)一步研究、開(kāi)發(fā)，充分發(fā)揮數(shù)字資源和數(shù)字技術(shù)輔助教學(xué)的功能，為學(xué)生搭建起高中生物實(shí)驗(yàn)的新平臺(tái)，以此促進(jìn)學(xué)生核心素養(yǎng)的全面發(fā)展和提高。

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本文系2023年度福建省南平市浦城縣基礎(chǔ)教育課程教學(xué)研究課題《探索基于虛擬實(shí)驗(yàn)室在中學(xué)生物實(shí)踐教學(xué)的創(chuàng)新模式》（立項(xiàng)批準(zhǔn)號(hào)PJXKT2023-069）的成果。