利用央館“虛擬實驗室”優(yōu)化初中生物實驗教學

管曉青

［摘要］ 央館“虛擬實驗室”是網(wǎng)絡(luò)時代的新型教育資源。本文從如下方面進行嘗試：虛擬實驗導學，以虛促實；虛擬實驗主導，以實驗虛；虛擬實驗啟發(fā)，以虛創(chuàng)新，優(yōu)化初中生物實驗教學。

［關(guān)鍵詞］ 虛擬實驗室；初中生物；實驗教學

“虛擬實驗室”是一種基于Web技術(shù)、VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)構(gòu)建的開放式、網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗教學系統(tǒng)，是生物教學實驗室的數(shù)字化和虛擬化。其核心特色：全面化實驗呈現(xiàn)，擴展實驗教學邊界，直觀呈現(xiàn)傳統(tǒng)實驗無法展現(xiàn)的實驗過程，包括微觀實驗、復雜實驗，以及反應(yīng)過程太快或太慢的實驗。學生在“虛擬實驗室”進行趣味化學習體驗，交互式實操學習，激發(fā)自主學習興趣，掌握實驗的操作。并且，“虛擬實驗室”提供平臺讓教師與學生自由地拼裝創(chuàng)新實驗，充分滿足師生實驗探索的需求。基于此，研究利用央館“虛擬實驗室”優(yōu)化初中生物實驗教學過程，虛實結(jié)合，提高教學效率。

一、虛擬實驗導學，以虛促實

操作型實驗在初中生物實驗教學中占很大比例，也是教學的重難點。例如，“學習使用顯微鏡”“制作洋蔥鱗片葉表皮細胞和人口腔上皮的臨時裝片”等。在實驗教學之前，利用央館“虛擬實驗室”進行導學，讓學生在游戲中模仿練習一個個實驗操作的分解動作，并在錯誤提示中及時反饋信息，消除不正確的實驗操作，強化正確的實驗操作。通過多次反復的虛擬實驗，學生對所學的實驗操作由不夠精確、熟練逐步走向精確、熟練。

例如，蘇科版七年級上冊第1章“生物學——研究生命的科學”第2節(jié)“生物學的基本研究方法”教學重點和難點是“學習使用顯微鏡”。筆者嘗試利用“虛擬實驗室”導學，讓學生在游戲中學，在反思中提升，在實際操作中熟練技能，促使學生進行深度的個性化學習。首先，利用虛擬實驗的游戲功能，讓學生在游戲中熟悉實驗步驟。在學生學習完顯微鏡各部分結(jié)構(gòu)和功能后，讓學生進入“虛擬實驗室”點擊“練習使用顯微鏡”3D視頻，依照步驟提示自行多次練習。剛開始練習，讓學生打開錯誤提示按鈕，根據(jù)提示一步步完成實驗操作，熟練后關(guān)閉錯誤提示按鈕，然后再練習。其次，引導學生反思自己在虛擬實驗中的失敗教訓：沒有對光，直接觀察，視野一片黑暗；不知道如何調(diào)節(jié)粗準焦螺旋進行對焦，觀察不到物像；物像不在視野里，不知道怎樣移動玻片標本。在學生反思虛擬實驗遇到的問題時，教師要追問如何解決問題：沒有對光就觀察的那一組，總結(jié)出轉(zhuǎn)動反光鏡可以看到明亮的視野；不知道如何對焦的那一組，總結(jié)出順時針調(diào)節(jié)粗準焦螺旋鏡筒往下，逆時針調(diào)節(jié)粗準焦螺旋鏡筒往上；不知道如何移動玻片標本的那一組，總結(jié)出不能著急要慢慢嘗試，移動的幅度要小。教師一邊提問一邊讓這三組同學上臺演示操作，由“虛”到“實”自然過渡。再次，在后臺收集學生在線虛擬實驗完成情況，對完成很好的學生，讓他們在規(guī)定時間以內(nèi)完成反饋練習，練習過關(guān)了，就可以進行正式的顯微鏡觀察實驗。有了虛擬實驗的導學過程，學生對顯微鏡的使用步驟逐漸爛熟于胸，操作起來有條不紊；如果實驗失敗，可以從虛擬實驗的教訓中尋找經(jīng)驗，教師稍加指導，學生就能達成實驗?zāi)繕?。這樣，教師先重點培養(yǎng)動手能力強的學生完成實驗操作，再由這部分學生作為小組長去督查后面的小組。整個實驗教學過程井井有條，各組都有人檢查督促，學生實際操作能力得到了切實提高。

可見，虛擬實驗的視頻動畫、3D互動能夠觸動學生學習的心理狀態(tài)，激發(fā)學生的學習需求。通過虛擬實驗資源，學生與知識之間產(chǎn)生交流與互動，其技能學習更富有新鮮生命力。而且，虛擬實驗導學是讓學生在游戲中熟悉實驗操作步驟，是玩中學，整個練習的過程就是進行深度的個性化學習。每個學生的易錯點不同，反復操作，易錯點就會在學生腦海中留下深刻印象，在實際觀察實驗中就能避免再犯錯，達到以虛促實，促進實驗教學重點問題的解決，培養(yǎng)學生的學科核心素養(yǎng)。

二、虛擬實驗主導，以實驗虛

實驗是一種為了達成學習目標而設(shè)計的體驗式學習方式。通過實驗操作，學生能感知客觀規(guī)律，獲得知識，發(fā)展能力。虛擬實驗是對真實實驗的預(yù)演，它讓學生提前感知實驗?zāi)繕?，了解實驗過程中的失誤點，為真實實驗的成功吹響號角。而且真實實驗順利進行，學生通過親自操作對虛擬實驗的結(jié)果進行驗證，虛實結(jié)合，事半功倍。在“練習使用顯微鏡”案例中，學生通過虛擬實驗熟悉實驗步驟、實驗易錯點，并在實際觀察實驗中獲得顯微鏡操作技能。本節(jié)實驗教學有一個難點：如果物像偏在視野的一方，如何把物像移到視野中央？因為在顯微鏡下移動玻片標本，就相當于把電影畫面快放100倍，畫面稍縱即逝，學生很難達到實驗?zāi)繕?。虛擬實驗教學中，筆者拋出問題：（1）如果物像偏在視野的左方，如何把物像移到視野中央？讓學生在虛擬實驗3D視頻中，模擬操作移動玻片標本。學生在反復嘗試中，在一次次的失敗中慢慢總結(jié)經(jīng)驗：顯微鏡下物像是倒像，真實的標本偏在右方，只有往左移動標本才能把物像移到視野中央。（2）虛擬實驗的結(jié)論需要學生在實際操作中去驗證，過程中如果想看到實驗現(xiàn)象有哪些注意點？學生根據(jù)自己虛擬操作中的失誤得出：移動的速度要很慢很慢，移動的幅度要很小很小。學生帶著虛擬實驗的經(jīng)驗在實際觀察實驗中進行驗證，虛實結(jié)合，印象深刻，能夠突破實驗教學的難點。而且，對傳統(tǒng)實驗無法有效展示的實驗現(xiàn)象，運用虛擬實驗資源也能夠很好地讓學生參與進來，降低學習的難度，激發(fā)學生學習的興趣，讓學生愛學、樂學。

初中生物實驗有很多觀察實驗，如“觀察種子的形態(tài)和結(jié)構(gòu)”“觀察花的結(jié)構(gòu)”“觀察葉表皮的氣孔”等。由于觀察對象比較微小，各部分形態(tài)結(jié)構(gòu)不易區(qū)分，而“虛擬實驗室”中的3D視頻可以清晰展示各部分的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。例如，八年級上冊第19章第2節(jié)“植物的生長發(fā)育”，需要觀察種子的形態(tài)和結(jié)構(gòu)。筆者嘗試開展虛擬實驗教學，在觀察之前讓學生進入“虛擬實驗室”觀看“觀察種子的結(jié)構(gòu)”3D視頻，通過視頻的局部觀察，了解蠶豆種子和玉米種子胚根、胚軸、胚芽的具體位置與形態(tài)結(jié)構(gòu)，提前了解所要觀察的重點部位：蠶豆種子種臍往下，剝開種皮，分開兩片子葉，子葉上凸出來的白色部位從下往上分別是胚根、胚軸、胚芽；玉米種子小頭朝下，窄的一面面對自己，再縱向破開，右下是胚，從下往上分別是胚根、胚軸、胚芽和子葉，胚的體積占玉米種子總體積不到三分之一。如此，虛擬實驗形象生動地展示所觀察對象的形態(tài)結(jié)構(gòu)和具體位置，學生在實物觀察時可以依照虛擬實驗的指引精準指出種子胚根、胚軸、胚芽的具體位置，促進認知發(fā)展。

三、虛擬實驗啟發(fā)，以虛創(chuàng)新

探究實踐源自對自然界的好奇心和現(xiàn)實需求。科學探究是學習生物學的重要方式，但有些探究實驗受實驗對象、實驗器材的限制很難直接開展，如“探究螞蟻的覓食行為”“探究種子呼吸過程中釋放熱量”“驗證食物中含有能量”等；或者開展實驗費時費力，且實驗效果也不好。這時，就需要教師引領(lǐng)學生進行實驗創(chuàng)新，把室外實驗轉(zhuǎn)變?yōu)槭覂?nèi)實驗，減少不確定因素；利用和改造生活中的物品，完善實驗器材，創(chuàng)設(shè)實驗情境。

例如，八年級上冊第17章第2節(jié)“動物的行為”，需要探究螞蟻的覓食行為。傳統(tǒng)的實驗教學，學生分組在校園內(nèi)尋找螞蟻的巢穴，在其附近放上四種物品：油條碎屑、白糖、玉米面、木屑，過一段時間去數(shù)每種物品周圍螞蟻的數(shù)量。室外實驗有許多不確定因素：找不到螞蟻巢穴；放置的食物被其他動物吃了；記錄螞蟻數(shù)量的時間不可控。筆者嘗試引導學生進行實驗改進，讓學生進入“虛擬實驗室”觀看“螞蟻的通訊”3D視頻，根據(jù)實驗步驟一步步操作，搭建虛擬實驗情境：解剖盤內(nèi)放置三塊石頭標記為ABC；解剖盤內(nèi)放水，水深為石頭的一半高度，構(gòu)成三座孤島，A島有饅頭，B島有饑餓的螞蟻，C島無；用木棒連接BA和BC；觀察螞蟻的行為。學生在3D游戲中完成虛擬情境的搭建，如身臨其境，所用的實驗器材也是生活中常見的。在虛擬實驗情境的啟發(fā)下，學生發(fā)揮想象，對“探究螞蟻的覓食行為”進行實驗改進：解剖盤內(nèi)放置五塊石頭分別標記為ABCDE，A石頭在解剖盤中央，BCDE石頭分別在A的左上、右上、左下、右下；解剖盤放水，水深為石頭的一半高度；A石頭上放螞蟻，B石頭上放油條屑，C石頭上放白糖，D石頭上放玉米面，E石頭上放木屑，用四根木條連接AB、AC、AD和AE；觀察螞蟻的覓食行為，在合適的時間數(shù)各種食物周圍螞蟻的數(shù)量。學生設(shè)計好實驗后，再分小組利用提供的器材開展實驗，并把實驗裝置帶回班級，課后繼續(xù)觀察、記錄實驗結(jié)果。有興趣的學生，也可在家里開展這項實驗，利用塑料泡沫、吸管、烤盤等構(gòu)建實驗情境，激發(fā)創(chuàng)新能力。

初中生物實驗教學分為學生分組實驗、教師演示實驗和學生課后探究實驗。課后探究實驗?zāi)芘囵B(yǎng)學生獨立思考和判斷能力，多角度、辯證地分析問題，發(fā)展學生的科學思維。虛擬實驗以虛創(chuàng)新的優(yōu)勢更體現(xiàn)在學生課后探究實驗上，通過觀看3D視頻了解實驗過程和步驟，每個學生根據(jù)自己的家庭情況，選擇實驗用具來設(shè)計實驗。同時，受虛擬實驗搭建的實驗情境的啟發(fā)，學生對真實實驗進行改進和創(chuàng)新，把不可操作實驗變成可操作性實驗，把不可控因素變成可控因素，從而達成實驗教學目標。