李濤　黃彩霞　趙浩斌

摘要 虛擬實(shí)驗(yàn)室是通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)創(chuàng)建的一個(gè)虛擬仿真的學(xué)習(xí)環(huán)境，解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的難題。為高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)開(kāi)發(fā)一種新的教學(xué)模式和教學(xué)手段。虛擬實(shí)驗(yàn)具有吸引力強(qiáng)、效率高、精確、快速便捷等優(yōu)勢(shì)。但是。要更好地運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，面臨對(duì)教師要求的提高、把握適度原則等新的挑戰(zhàn)。教學(xué)一線教師以及技術(shù)人員要不斷提升自身的能力，更要深入了解教學(xué)內(nèi)容與對(duì)象。使技術(shù)與知識(shí)深度融合，使新技術(shù)更好地為教學(xué)服務(wù)。

關(guān)鍵詞 虛擬實(shí)驗(yàn) 高中生物實(shí)驗(yàn) 教學(xué)模式 應(yīng)用

虛擬實(shí)驗(yàn)（Virtual experiment）近年來(lái)被廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)等學(xué)科教學(xué)中，對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式及學(xué)生學(xué)習(xí)方式產(chǎn)生了很大的影響。眾所周知，生物是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)、以培養(yǎng)學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)為目的的學(xué)科。在傳統(tǒng)的高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于受到一定條件的限制，比如學(xué)校實(shí)驗(yàn)器材短缺、實(shí)驗(yàn)課時(shí)間不充足、缺乏專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)室教師等，使得很多學(xué)校的生物實(shí)驗(yàn)課不能滿足學(xué)生的興趣需求，開(kāi)出率不高，最終很難達(dá)到預(yù)期的教學(xué)目標(biāo)。而虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)能夠克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，使中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)有效進(jìn)行。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)及其研究與應(yīng)用的現(xiàn)狀

通俗地說(shuō)，虛擬實(shí)驗(yàn)就是運(yùn)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR），創(chuàng)設(shè)一個(gè)信息化、網(wǎng)絡(luò)化的集成環(huán)境。在這種虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，實(shí)驗(yàn)器具和材料都是對(duì)真實(shí)器具的高度虛擬仿真，通過(guò)鼠標(biāo)或操作桿對(duì)仿真的實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行模擬操作，呈現(xiàn)出虛擬的實(shí)驗(yàn)過(guò)程，最后產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。美國(guó)是最先研究虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和虛擬實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家，通過(guò)為中學(xué)生提供多個(gè)有關(guān)的表征現(xiàn)象或明確指令，幫助其建立從分子水平到可觀測(cè)水平的聯(lián)系，增強(qiáng)對(duì)概念的理解。

目前，我國(guó)在部分重點(diǎn)高校建立了一批虛擬實(shí)驗(yàn)室，并且已經(jīng)取得了不錯(cuò)的成績(jī)。如，華中師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院于2016年3月成功獲批“生物學(xué)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心”。虛擬實(shí)驗(yàn)室在中小學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用還很少，只有少數(shù)學(xué)校擁有虛擬教學(xué)設(shè)備或條件，如北京第65中學(xué)、匯文中學(xué)和培新小學(xué)。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用

高中階段學(xué)生的思維已經(jīng)發(fā)展到較高水平，自主學(xué)習(xí)能力也較強(qiáng)。但是，高一學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課的新鮮感很強(qiáng)、注意力很難集中，對(duì)較抽象物質(zhì)的變化理解較困難。下面將結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，主要針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在的困難，闡述虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式（圖1）的應(yīng)用。

1.傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ接龅降膯?wèn)題

在實(shí)驗(yàn)前，許多學(xué)生的注意力大多停留在桌上的實(shí)驗(yàn)材料和試劑上，沒(méi)有預(yù)習(xí)也不認(rèn)真聽(tīng)老師的講解。結(jié)果，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生不知道從何做起，亂操作或者不操作，最終致使學(xué)生動(dòng)手操作的有效性降低，小組之間的合作程度也減小。學(xué)生們?nèi)≡噭┖筒牧系臅r(shí)候往往擠成一團(tuán)，教師又要去各組指導(dǎo)，有的學(xué)生就會(huì)趁機(jī)搗亂，破壞課堂秩序，嚴(yán)重影響教學(xué)效果。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以滿足對(duì)實(shí)驗(yàn)材料的嚴(yán)格要求，加重了教師的負(fù)擔(dān)。如，“觀察根尖分生組織細(xì)胞的有絲分裂”實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵首先是3-4天根尖的培養(yǎng)。這些準(zhǔn)備工作學(xué)生很少有時(shí)間去完成，只能由教師來(lái)準(zhǔn)備。如果沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)老師，無(wú)疑會(huì)加重任課教師的負(fù)擔(dān)。而且，實(shí)驗(yàn)的最佳時(shí)間是10am至2pm，此時(shí)根尖細(xì)胞分裂最旺盛。但是，由于學(xué)校實(shí)際條件的限制，全年級(jí)學(xué)生統(tǒng)一在這段時(shí)間上實(shí)驗(yàn)課不太現(xiàn)實(shí)，分開(kāi)做就會(huì)使得其他時(shí)間段的學(xué)生難以觀察到良好的效果。

實(shí)驗(yàn)技術(shù)既是重點(diǎn)也是難點(diǎn)，但在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生往往難以掌握。例如，在做花生切片檢測(cè)脂肪實(shí)驗(yàn)時(shí)，老師在試驗(yàn)臺(tái)示范花生切片技巧，學(xué)生很難觀察到動(dòng)作細(xì)節(jié)，常常導(dǎo)致學(xué)生制作的花生切片太厚，普遍不能觀察到預(yù)期的現(xiàn)象。

2.運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

虛擬實(shí)驗(yàn)通過(guò)電腦終端將動(dòng)態(tài)的實(shí)驗(yàn)展現(xiàn)在學(xué)生面前，對(duì)學(xué)生的注意力是一種很強(qiáng)的吸引。當(dāng)學(xué)生進(jìn)入系統(tǒng)后，不需要教師講解，自己在電腦上學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理、步驟。開(kāi)始實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生先自己思考然后選擇。如果學(xué)生不會(huì)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示有關(guān)操作的正確做法或下一步實(shí)驗(yàn)操作。學(xué)生以小組為單位共用一臺(tái)電腦，可以明確具體分工。比如學(xué)生A負(fù)責(zé)選擇材料，學(xué)生B負(fù)責(zé)配置試劑，學(xué)生c來(lái)進(jìn)行操作，小組成員共同完成，很好地培養(yǎng)了合作精神。而且虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)會(huì)放大實(shí)驗(yàn)操作的細(xì)節(jié)并配合講解，比如，學(xué)生可以全方位觀察到切片動(dòng)作的技巧，然后在實(shí)際中進(jìn)行練習(xí)，成功率大大提高。在“觀察根尖分生組織細(xì)胞的有絲分裂”實(shí)驗(yàn)中，虛擬實(shí)驗(yàn)可以克服學(xué)生由于時(shí)間控制不當(dāng)而產(chǎn)生的誤差；壓片時(shí)，學(xué)生施加的壓力可通過(guò)壓力感受器傳輸?shù)较到y(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)顯示此時(shí)壓力是過(guò)大或過(guò)小，通過(guò)三維動(dòng)畫(huà)顯示壓力作用于根尖細(xì)胞時(shí)發(fā)生的變化。這樣，學(xué)生可以在頭腦中形成一種畫(huà)面感，在實(shí)際操作時(shí)控制好力度。

總的來(lái)說(shuō)，虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的材料都是對(duì)現(xiàn)實(shí)材料的高度仿真，既可以解決實(shí)驗(yàn)對(duì)材料高要求的問(wèn)題，還可以節(jié)省大量的時(shí)間，減輕教師壓力，使教師能夠?qū)Ｐ难惨暩鹘M學(xué)習(xí)情況和給予輔導(dǎo)，更好地維持課堂秩序。在虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生必須對(duì)每一步實(shí)驗(yàn)都熟悉掌握，才能進(jìn)行下一步。通過(guò)這種類(lèi)似強(qiáng)制性的引導(dǎo)方式，學(xué)生會(huì)產(chǎn)生一種游戲感，能夠最大限度地激起求知欲，使學(xué)生在愉快的學(xué)習(xí)氛圍中掌握知識(shí)。

三、應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)今社會(huì)需要的是技術(shù)、知識(shí)、教學(xué)三位一體型（Technological Pedagogical Content Knowledge，TPACK）的新型教師，這使得教師面臨著更大的挑戰(zhàn)。雖然現(xiàn)在教育處于信息技術(shù)發(fā)達(dá)的年代，但是我們絕對(duì)不能做技術(shù)的奴隸。技術(shù)最終應(yīng)該是恰當(dāng)?shù)厝谌虢虒W(xué)之中，虛擬實(shí)驗(yàn)如何與教學(xué)完美結(jié)合，在教學(xué)的哪一個(gè)知識(shí)點(diǎn)、環(huán)節(jié)運(yùn)用能取得最大化效果而又不失去與現(xiàn)實(shí)生活的聯(lián)系，需要我們新型教師在透徹理解教學(xué)目標(biāo)的前提下深人思考。在教學(xué)中引入VR技術(shù)，要想取得最優(yōu)化的效果，除了其自身具有的良好交互性、靈活多樣性以外，關(guān)鍵還在于如何選擇合適的內(nèi)容、如何選準(zhǔn)技術(shù)與課程的結(jié)合點(diǎn)以及在教學(xué)的哪個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)施。最后，現(xiàn)在虛擬實(shí)驗(yàn)還處于試驗(yàn)階段，實(shí)驗(yàn)后進(jìn)行評(píng)價(jià)顯得更為必要。在結(jié)束實(shí)驗(yàn)后，教師要通過(guò)有計(jì)劃、有針對(duì)性的測(cè)評(píng)，檢測(cè)學(xué)生學(xué)習(xí)的改善程度和教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)程度，從而間接反映虛擬實(shí)驗(yàn)在提高學(xué)生學(xué)習(xí)、輔助教師教學(xué)方面是否發(fā)揮了積極作用，也能夠及時(shí)反映出虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中存在的實(shí)際問(wèn)題，促使教師和技術(shù)部門(mén)進(jìn)行及時(shí)的溝通并不斷完善。

我們可以看到，虛擬實(shí)驗(yàn)在中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用蘊(yùn)藏著巨大的潛力，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)改革一直努力的方向，是課程發(fā)展的新趨勢(shì)。虛擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ劫x予了學(xué)生更大的自由選擇空間，最大限度地保障學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，加深對(duì)課堂所學(xué)內(nèi)容的理解，減少對(duì)于傳統(tǒng)課堂教學(xué)計(jì)劃的沖擊。面對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的挑戰(zhàn)，我們要積極采取應(yīng)對(duì)措施，如優(yōu)選實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)教學(xué)安排、完善開(kāi)放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)、有效進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)指導(dǎo)、構(gòu)建起完整一體化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系等。這些是我們實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作者以及技術(shù)開(kāi)發(fā)人員下一個(gè)共同努力的目標(biāo)！

[責(zé)任編輯 鄭雪凌]