将虚拟仿真实验辅助于高中生物实验教学
宿永倩 王慧春 杨疆英
【摘要】? ? 随着信息技术的不断发展，虚拟仿真实验教学受到越来越多的关注。本文主要根据高中生物实验教学现状，探讨虚拟仿真实验应用于高中生物实验教学中的优势和不足。将虚拟仿真实验辅助于高中生物实验教学，通过“虚实结合”，为有效增强中学生生物实践能力、完善中学生物实验教学方法提供参考。
【关键词】? ? 虚拟仿真实验? ? 高中生物? ? 实验教学? ? 辅助教学
引言：
生物学是一门基础性、实践性学科，是农学、医学、生态学、食品学等学科的基础，与人类生活密切相关。根据新课改要求，高中生物教学要以增强学生的生物学学科核心素养为宗旨，在教育部颁布的《普通髙中生物学课程标准（2017年版）》中也明确提出“为着力培养学生的生物学学科核心素养，尤其是科学探究和生物学实践能力，应加强生物学实验教学和探究式教学，增强学生动手实践和体验的机会。”[1] 。然而，根据高中生物实验教学的现状来看，绝大多数的学校因受到实验设备不足、课时数有限等因素影响，部分生物实验局限于填鸭式教学，致使学生对所学知识难以理解，甚至产生厌学感。因此，在“互联网+”的大背景下，将虚拟仿真实验与教育教学相结合，使学生在虚拟中实验，在仿真中提高 [2] 。
一、高中生物实验教学现状
如今高中生物实验教学中往往存在实验内容增加而课时数不增加，课堂教学和实验教学的比例严重不协调的现象[3]，致使部分实验只进行“讲实验”而不“做实验”;加之实验设备和经费不足，学生只能靠死记硬背来记住实验现象、过程和结果;另外，还存在部分教师的实验教学观念陈旧、教学模式单一等系列问题，使得学生生物实验动手操作能力的培养大打折扣[4-5]。
二、虚拟仿真实验辅助于高中生物实验教学
2.1虚拟仿真实验
虚拟仿真实验这一概念最早是由美国弗吉尼亚大学 William Wolf 教授提出，是指利用多媒体技术、传感技术、虚拟技术和仿真技术等现实技术生成的新兴实验系统，包括以计算机作为控制中心形成的相关实验器材、实验信息资源、以及相符的实验环境，能够代替或部分代替传统实验所需，使实验者能够直接参与实验虚拟对象的交互，从而获得现实实验中的各种体验[6]。
2.2“虚实结合”辅助于高中生物实验教学
2014年，北京乐步教育科技有限公司推出了一个包含理化生实验的“NOBOOK虚拟仿真实验”软件[7]，目前因其方便性（ipad、电脑、手机均可下载）、实验画面真实性等优势，颇受大家喜爱。
虚拟仿真实验可不受时间和空间的限制。2020年因突如其来的疫情，全国各地的学生不能正常开学，学校秉着“停课不停教、停课不停学”的原则，将线下课堂改为线上教学，生物实验课因无法现场操作而调停课。虚拟仿真实验可以打破这种时空限制，学生们可通过电脑、平板等载体随时随地进行实验操作。再加上软件还自带测试模块，学生学习结束后系统会自动给出成绩，大大提高了学习效率 [8]。
虚拟仿真实验可加强学生对所学知识的直观感性认识，提高学习兴趣。例如：第一章第二节“细胞的多样性和统一性”。本节课主要内容为使用高倍显微镜观察细胞，原核细胞和真核细胞的异同及理解细胞的多样性和统一性。学生第一次接受原核细胞这一概念，若仅从课本上观看原核细胞的平面图，他们将较难形成对此知识的直观感性认识。利用“NOBOOK虚拟仿真实验” 软件，做观察 “原核细胞的结构”的实验，学生可直观清晰的观察到原核细胞的外部形态和内部结构，对其形成感性认识，更好的理解原核生物和真核生物的异同，从而进一步理解细胞的多样性和统一性。在“使用高倍显微镜观察几种细胞”的实验中，可利用“先实后虚”法，学生可先通过在现实实验室中操作显微镜观察细胞，掌握显微镜的使用要点，再利用虚拟仿真实验观察各种细胞，从而解决在现实实验操作过程中因实验操作不当而观察不到细胞的问题，提高学生的学习兴趣。
虚拟仿真实验可解决因实验周期长、实验设备要求高等因素，致使实验无法开展的问题。例如：人教版选修一《生物技术实践》专题三“植物的组织培养技术”。植物组织培养的过程：植物组织? ? 形成愈伤组织? ? 长出丛芽? ? 生根? ? 移栽成活，该过程耗时较长;且在配置培养基过程中会用到高压蒸汽灭菌锅;培养时还需在无菌箱中，每日用日光灯照射12h，并定期进行消毒。一般高中生物实验室条件达不到，此时虚拟仿真实验的优势就体现了出来。在虚拟仿真实验中，学生可利用系统中已配备好的实验仪器和设定好的实验步骤，在较短时间内观察到实验现象，得出实验结论，解决学生因实验周期长、实验设备要求高等因素无法在现实实验室进行实验操作的问题，使学生体验实验的乐趣。
虚拟仿真实验可减少实验过程中的安全问题。例如：人教版必修一《分子与细胞》第五章第三节“细胞呼吸的原理和应用”中“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验。进行此实验会用到较多的玻璃仪器及氢氧化钠、浓硫酸等危险试剂，学生在实验室做此实验的危险性较大。利用“先虚后实”法，学生可通过虚拟仿真平台提前对实验进行预习，在虚拟实验操作的关键位置或危险步骤中有危险信号提示和危险场景预报，有助于加深学生印象，培养良好的实验习惯[9]。这样，学生在现实实验操作中就会避免出现这些错误，从而降低实验的危险性。
三、虛拟仿真实验应用于高中生物实验教学中的不足
1.不能完全体验真实的实验环境。虽然虚拟仿真实验能够很大程度上模拟实验实景，但还是不能真真正正的代替真实实验，虚拟实验设计过于理想化和程序化，这在一定程度上限制了学生的主动思维能力[10]。
2.不能很好体现学生间的合作意识。在现实实验操作中，教师一般会根据班级人数进行分组，一个实验的顺利完成往往是每个小组成员共同努力的结果，然而通过虚拟仿真实验，虽然可以实现一人一机，每个人都有机会进行实验操作，但缺乏同学间的合作交流，不能很好的培养学生的团队合作意识[11]。
3.不能很好的展现学生的个体差异。在现实实验操作中，教师可根据学生具体的实际操作情况，正确评估学生的个体差异，并及时因材施教。然而在虚拟仿真实验中，因实验程序化不能充分体现学生的个体差异，影响教师进行针对性指导。
4.不能模拟实验过程中的“意外”。这里所说的“意外”不是实验事故，而是在现实实验中，可能会因某一步操作与设定的不同，出现不同的实验结果。而虚拟仿真实验过于程序化、固定化，在一定程度上限制了学生的思维和创新能力。
四、结束语
虚拟仿真实验虽具有不能完全代替真实实验环境、减少了学生间合作交流机会、降低了教师对学生个体差异的正确评估等方面的不足;但在高中生物实验教学中也具有不可替代的优势，它可以为学生提供安全的实验环境，还可以打破时空限制，随时随地进行实验操作。
因此，将虚拟仿真实验辅助于高中生物实验教学具有至关重要的意义。教师要充分利用虚拟仿真技术，秉着“能实勿虚，虚实结合”的原则，加强对学生实践能力和生物学学科核心素养的培养。
引言：
生物学是一门基础性、实践性学科，是农学、医学、生态学、食品学等学科的基础，与人类生活密切相关。根据新课改要求，高中生物教学要以增强学生的生物学学科核心素养为宗旨，在教育部颁布的《普通髙中生物学课程标准（2017年版）》中也明确提出“为着力培养学生的生物学学科核心素养，尤其是科学探究和生物学实践能力，应加强生物学实验教学和探究式教学，增强学生动手实践和体验的机会。”[1] 。然而，根据高中生物实验教学的现状来看，绝大多数的学校因受到实验设备不足、课时数有限等因素影响，部分生物实验局限于填鸭式教学，致使学生对所学知识难以理解，甚至产生厌学感。因此，在“互联网+”的大背景下，将虚拟仿真实验与教育教学相结合，使学生在虚拟中实验，在仿真中提高 [2] 。
一、高中生物实验教学现状
如今高中生物实验教学中往往存在实验内容增加而课时数不增加，课堂教学和实验教学的比例严重不协调的现象[3]，致使部分实验只进行“讲实验”而不“做实验”;加之实验设备和经费不足，学生只能靠死记硬背来记住实验现象、过程和结果;另外，还存在部分教师的实验教学观念陈旧、教学模式单一等系列问题，使得学生生物实验动手操作能力的培养大打折扣[4-5]。
二、虚拟仿真实验辅助于高中生物实验教学
2.1虚拟仿真实验
虚拟仿真实验这一概念最早是由美国弗吉尼亚大学 William Wolf 教授提出，是指利用多媒体技术、传感技术、虚拟技术和仿真技术等现实技术生成的新兴实验系统，包括以计算机作为控制中心形成的相关实验器材、实验信息资源、以及相符的实验环境，能够代替或部分代替传统实验所需，使实验者能够直接参与实验虚拟对象的交互，从而获得现实实验中的各种体验[6]。
2.2“虚实结合”辅助于高中生物实验教学
2014年，北京乐步教育科技有限公司推出了一个包含理化生实验的“NOBOOK虚拟仿真实验”软件[7]，目前因其方便性（ipad、电脑、手机均可下载）、实验画面真实性等优势，颇受大家喜爱。
虚拟仿真實验可不受时间和空间的限制。2020年因突如其来的疫情，全国各地的学生不能正常开学，学校秉着“停课不停教、停课不停学”的原则，将线下课堂改为线上教学，生物实验课因无法现场操作而调停课。虚拟仿真实验可以打破这种时空限制，学生们可通过电脑、平板等载体随时随地进行实验操作。再加上软件还自带测试模块，学生学习结束后系统会自动给出成绩，大大提高了学习效率 [8]。
虚拟仿真实验可加强学生对所学知识的直观感性认识，提高学习兴趣。例如：第一章第二节“细胞的多样性和统一性”。本节课主要内容为使用高倍显微镜观察细胞，原核细胞和真核细胞的异同及理解细胞的多样性和统一性。学生第一次接受原核细胞这一概念，若仅从课本上观看原核细胞的平面图，他们将较难形成对此知识的直观感性认识。利用“NOBOOK虚拟仿真实验” 软件，做观察 “原核细胞的结构”的实验，学生可直观清晰的观察到原核细胞的外部形态和内部结构，对其形成感性认识，更好的理解原核生物和真核生物的异同，从而进一步理解细胞的多样性和统一性。在“使用高倍显微镜观察几种细胞”的实验中，可利用“先实后虚”法，学生可先通过在现实实验室中操作显微镜观察细胞，掌握显微镜的使用要点，再利用虚拟仿真实验观察各种细胞，从而解决在现实实验操作过程中因实验操作不当而观察不到细胞的问题，提高学生的学习兴趣。
虚拟仿真实验可解决因实验周期长、实验设备要求高等因素，致使实验无法开展的问题。例如：人教版选修一《生物技术实践》专题三“植物的组织培养技术”。植物组织培养的过程：植物组织? ? 形成愈伤组织? ? 长出丛芽? ? 生根? ? 移栽成活，该过程耗时较长;且在配置培养基过程中会用到高压蒸汽灭菌锅;培养时还需在无菌箱中，每日用日光灯照射12h，并定期进行消毒。一般高中生物实验室条件达不到，此时虚拟仿真实验的优势就体现了出来。在虚拟仿真实验中，学生可利用系统中已配备好的实验仪器和设定好的实验步骤，在较短时间内观察到实验现象，得出实验结论，解决学生因实验周期长、实验设备要求高等因素无法在现实实验室进行实验操作的问题，使学生体验实验的乐趣。
虚拟仿真实验可减少实验过程中的安全问题。例如：人教版必修一《分子与细胞》第五章第三节“细胞呼吸的原理和应用”中“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验。进行此实验会用到较多的玻璃仪器及氢氧化钠、浓硫酸等危险试剂，学生在实验室做此实验的危险性较大。利用“先虚后实”法，学生可通过虚拟仿真平台提前对实验进行预习，在虚拟实验操作的关键位置或危险步骤中有危险信号提示和危险场景预报，有助于加深学生印象，培养良好的实验习惯[9]。这样，学生在现实实验操作中就会避免出现这些错误，从而降低实验的危险性。
三、虚拟仿真实验应用于高中生物实验教学中的不足
1.不能完全体验真实的实验环境。虽然虚拟仿真实验能够很大程度上模拟实验实景，但还是不能真真正正的代替真实实验，虚拟实验设计过于理想化和程序化，这在一定程度上限制了学生的主动思维能力[10]。
2.不能很好体现学生间的合作意识。在现实实验操作中，教师一般会根据班级人数进行分组，一个实验的顺利完成往往是每个小组成员共同努力的结果，然而通过虚拟仿真实验，虽然可以实现一人一机，每个人都有机会进行实验操作，但缺乏同学间的合作交流，不能很好的培养学生的团队合作意识[11]。
3.不能很好的展现学生的个体差异。在现实实验操作中，教师可根据学生具体的实际操作情况，正确评估学生的个体差异，并及时因材施教。然而在虚拟仿真实验中，因实验程序化不能充分体现学生的个体差异，影响教师进行针对性指导。
4.不能模拟实验过程中的“意外”。这里所说的“意外”不是实验事故，而是在现实实验中，可能会因某一步操作与设定的不同，出现不同的实验结果。而虚拟仿真实验过于程序化、固定化，在一定程度上限制了学生的思维和创新能力。
四、结束语
虚拟仿真实验虽具有不能完全代替真实实验环境、减少了学生间合作交流机会、降低了教师对学生个体差异的正确评估等方面的不足;但在高中生物实验教学中也具有不可替代的优势，它可以为学生提供安全的实验环境，还可以打破时空限制，随时随地进行实验操作。
因此，将虚拟仿真实验辅助于高中生物实验教学具有至关重要的意义。教师要充分利用虚拟仿真技术，秉着“能实勿虚，虚实结合”的原则，加强对学生实践能力和生物学学科核心素养的培养。
参? 考? 文? 献
[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物學课程标准（2017年版）[M].北京：人民教育出版社， 2017.
[2]赵欣.产教深度融合背景下虚拟仿真教学资源建设探索[J].中国新通信，2020，22（12）：222-223
[3]陈金焕，钱丽娜.基于科学探究思维培养的高中生物实验教学途径[J].中国新通信， 2020，22（21）：207-208.
[4]孙超.高中生物实验教学存在的问题与对策[J].亚太教育，2016（14）：152-152.
[5]赵慧敏.高中生物实验有效教学策略行动研究探索[J].中国新通信，2016，18（14）：144.
[6]尤梦琪.虚拟仿真实验在高中生物实验教学中的应用[D].河南大学，2019.
[7]李家清.中学地理教学设计与案例研究[M].北京：科学出版社，2015：17-19.
[8]尚曼，马德禄，焦建杰，等.药理学虚拟仿真实验教学平台建设与应用[J].基础医学教育， 2018，11（20）：1020-1022.
[9]曹颖瑛，张俊平，厉建中，等.生物技术药物虚拟实验室建设的思考[J].基础医学教育， 2014，16（4）：284-286.
[10]胡原，吕鑫，李兵.虚拟仿真实验在高中生物学实验教学中的应用探究[J].实验科学与技术， 2019，17（04）：99-102.
[11]陶清源，王岩，任浩，等.虚拟现实技术在医学实验教学课程中的应用[J].基础医学教育， 2012，14（8）：627-628.
