王夢(mèng)倩　崔鴻

摘要： 作為現(xiàn)代信息技術(shù)的重要一環(huán)，虛擬仿真技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要意義。但目前針對(duì)基礎(chǔ)教育特別是義務(wù)教育階段的生物學(xué)虛擬仿真教學(xué)資源開(kāi)發(fā)仍處于初步探索期。以華中師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院開(kāi)發(fā)的“蘭科植物傳粉與保護(hù)”虛擬仿真項(xiàng)目為例，研究者提出了相關(guān)教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)路徑：選擇適切的教學(xué)內(nèi)容，分析《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“課標(biāo)”）中的對(duì)應(yīng)內(nèi)容要求，根據(jù)內(nèi)容需求設(shè)計(jì)虛擬仿真互動(dòng)效果，設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)模塊保障教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：生物學(xué)；虛擬仿真技術(shù)；教學(xué)資源；開(kāi)發(fā)路徑

隨著教育信息化逐步深入，推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)深度融合成為基礎(chǔ)教育階段教學(xué)變革的重點(diǎn)之一。虛擬仿真技術(shù)是由計(jì)算機(jī)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(shí)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(jué)，自然地與虛擬環(huán)境交互。將虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用是教育信息化、科技化的具體體現(xiàn)。

生物學(xué)是一門依賴于觀察、實(shí)驗(yàn)、調(diào)查等探究方法逐步構(gòu)建的學(xué)科，研究動(dòng)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(guān)系。借助虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生可以獲得自主參與探究實(shí)踐的機(jī)會(huì)，充分發(fā)揮主觀能動(dòng)性。為推動(dòng)教育信息化建設(shè)，教育部近幾年相繼組織遴選國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，評(píng)審國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，認(rèn)定國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)一流本科課程。從教學(xué)資源開(kāi)發(fā)現(xiàn)狀來(lái)看，面向高等教育的虛擬仿真教學(xué)資源較多，而面向基礎(chǔ)教育階段的資源較少，其中面向生物學(xué)開(kāi)發(fā)的虛擬仿真教學(xué)資源少之又少，且質(zhì)量參差不齊?？梢哉f(shuō)，面向基礎(chǔ)教育的生物學(xué)虛擬仿真教學(xué)資源開(kāi)發(fā)仍處于初步探索階段。研發(fā)以學(xué)生為中心，以教學(xué)內(nèi)容為主導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)教師教學(xué)目標(biāo)為目標(biāo)的虛擬仿真項(xiàng)目，避免虛擬仿真技術(shù)過(guò)度游戲化和科學(xué)知識(shí)碎片化是保障生物學(xué)數(shù)字化教學(xué)的重要一環(huán)。筆者以華中師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院開(kāi)發(fā)的“蘭科植物傳粉與保護(hù)”虛擬仿真項(xiàng)目為例，分析了生物學(xué)虛擬仿真教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)路徑，為虛擬仿真教學(xué)資源開(kāi)發(fā)者提供參考，以促進(jìn)虛擬仿真技術(shù)在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用和發(fā)展。

一、選擇適于開(kāi)發(fā)教學(xué)資源的相關(guān)內(nèi)容

盡管生物學(xué)教學(xué)中存在大量探究實(shí)踐活動(dòng)，但是并非所有內(nèi)容都適于轉(zhuǎn)變成虛擬仿真項(xiàng)目，研發(fā)者應(yīng)秉持“虛實(shí)互補(bǔ)、能實(shí)不虛、以虛促實(shí)”的原則，根據(jù)實(shí)體實(shí)驗(yàn)發(fā)展需要，將虛擬實(shí)驗(yàn)與實(shí)體實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，提高實(shí)驗(yàn)整體效果。在劉亞豐等人的研究基礎(chǔ)上，筆者對(duì)中小學(xué)適于開(kāi)發(fā)虛擬仿真項(xiàng)目的生物學(xué)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行分類。

第一類：借助網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)更有利于開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)的內(nèi)容。例如，在生物形態(tài)結(jié)構(gòu)與分類的教學(xué)中，學(xué)生可以觀察身邊的生物與非生物，如借助虛擬仿真技術(shù)則能夠觀察比較分析計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)的標(biāo)本庫(kù)，數(shù)據(jù)資源更加豐富。此外，教師可使用技術(shù)手段將不同動(dòng)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(xué)生開(kāi)展科學(xué)觀察活動(dòng)。

第二類：微觀層面，需要使用虛擬仿真技術(shù)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(shí)，教師借助虛擬仿真技術(shù)，可以將這些過(guò)程呈現(xiàn)為動(dòng)態(tài)的動(dòng)畫或微觀視頻，并結(jié)合互動(dòng)性的變量控制，讓學(xué)生更深入地了解這些過(guò)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(xué)中有許多抽象的概念，如遺傳與進(jìn)化。它們很難被直接觀察到，卻是生物學(xué)研究的基礎(chǔ)。教師借助虛擬仿真技術(shù)，可以將這些抽象的理論轉(zhuǎn)化為具有互動(dòng)性的虛擬仿真項(xiàng)目，讓學(xué)生更為直觀地學(xué)習(xí)生物學(xué)知識(shí)。例如，在遺傳與進(jìn)化的虛擬實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以選擇不同的基因型和環(huán)境條件來(lái)模擬不同的進(jìn)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(dǎo)致生物進(jìn)化這一原理。

“蘭科植物傳粉與保護(hù)”虛擬仿真項(xiàng)目蘊(yùn)含的教學(xué)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(hù)中的“旗艦”類群，且蘭科植物具有獨(dú)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(zhǎng)為成年植株。對(duì)于瀕危植物來(lái)說(shuō)，獲取實(shí)物標(biāo)本十分困難，而學(xué)生需要到野外觀察傳粉現(xiàn)象。因此，借助虛擬仿真項(xiàng)目，學(xué)生可以在虛擬情況下解決這些現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，進(jìn)行更加深入的學(xué)習(xí)和理解。

二、分析課標(biāo)中的對(duì)應(yīng)內(nèi)容要求

課標(biāo)是規(guī)范國(guó)家課程實(shí)施與發(fā)展的綱領(lǐng)性文件，是編寫教材、實(shí)施教學(xué)、評(píng)估學(xué)生學(xué)業(yè)質(zhì)量和教師教學(xué)質(zhì)量的依據(jù)。分析解讀課標(biāo)中的相關(guān)內(nèi)容，把握教學(xué)內(nèi)容之間的關(guān)系，對(duì)于開(kāi)發(fā)教學(xué)資源具有指導(dǎo)意義。課標(biāo)將課程內(nèi)容劃分為7個(gè)學(xué)習(xí)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(jìn)化”“生物學(xué)與社會(huì)·跨學(xué)科實(shí)踐”，它們之間是相互關(guān)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(xué)的基礎(chǔ)，前者主要關(guān)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(gè)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。“生物與環(huán)境”是生物學(xué)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(duì)環(huán)境的影響和環(huán)境對(duì)生物的作用，而且包括人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的影響。因此，對(duì)于這個(gè)主題，學(xué)生需要結(jié)合其他主題進(jìn)行探究?！爸参锏纳睢焙汀叭梭w生理與健康”都是生物學(xué)中重要的應(yīng)用領(lǐng)域，前者主要關(guān)注植物的生命過(guò)程和適應(yīng)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(gè)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(jìn)化”是生物學(xué)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(gè)主題與其他主題同樣存在聯(lián)系，例如通過(guò)研究不同種類生物的遺傳特征來(lái)了解生物的多樣性；通過(guò)對(duì)人類基因組的研究來(lái)了解人類的進(jìn)化歷程等。“生物學(xué)與社會(huì)·跨學(xué)科實(shí)踐”是生物學(xué)與其他學(xué)科交叉應(yīng)用的重要領(lǐng)域，它涉及生物學(xué)在生活中的應(yīng)用和技術(shù)發(fā)展。

為此，在設(shè)計(jì)虛擬仿真項(xiàng)目時(shí)，應(yīng)基于課標(biāo)把握教學(xué)內(nèi)容的本質(zhì)特征?！爸参铩笔橇x務(wù)教育階段的重點(diǎn)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(guān)系等（見(jiàn)表1）。

為幫助學(xué)生達(dá)到學(xué)業(yè)要求，開(kāi)發(fā)者可對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真項(xiàng)目的情境化、一體化設(shè)計(jì)?！疤m科植物傳粉與保護(hù)”虛擬仿真項(xiàng)目含蘭科植物形態(tài)結(jié)構(gòu)、生境選擇、傳粉策略、保護(hù)管理4個(gè)模塊，涵蓋課標(biāo)要求的與植物相關(guān)的大部分內(nèi)容。形態(tài)結(jié)構(gòu)模塊，學(xué)生可以深入了解蘭科植物的花瓣、花蕊、子房等與傳粉相關(guān)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(duì)生境的要求；傳粉策略模塊，學(xué)生可以學(xué)習(xí)蘭科植物如何通過(guò)各種傳粉策略進(jìn)行繁殖；保護(hù)管理模塊，學(xué)生能認(rèn)識(shí)到保護(hù)生物多樣性的重要性，并了解我國(guó)豐富的動(dòng)植物資源及其保護(hù)措施。

三、根據(jù)內(nèi)容要求設(shè)計(jì)虛擬仿真互動(dòng)效果

虛擬仿真技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)為學(xué)生提供親臨其境的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。這里所說(shuō)的體驗(yàn)不僅僅局限于視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)方面的體驗(yàn)，更重要的是讓學(xué)生在體驗(yàn)的過(guò)程中經(jīng)過(guò)質(zhì)疑、探索、轉(zhuǎn)化、創(chuàng)造，提升對(duì)真實(shí)世界的認(rèn)知體驗(yàn)、具體經(jīng)驗(yàn)和主動(dòng)實(shí)踐的能力。在分析教學(xué)內(nèi)容的具體特征后，教師選擇最恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)手段，并轉(zhuǎn)化為虛擬仿真的互動(dòng)效果，才能更好地將技術(shù)與教學(xué)融合。在初中生物學(xué)教學(xué)過(guò)程中，最為核心的三種教學(xué)手段是科學(xué)觀察、實(shí)驗(yàn)探究和科學(xué)調(diào)查，虛擬仿真教學(xué)資源也應(yīng)創(chuàng)設(shè)相應(yīng)的互動(dòng)效果，由此可將其分為三類。

（一）科學(xué)觀察類虛擬仿真教學(xué)資源

科學(xué)觀察類虛擬仿真教學(xué)資源的應(yīng)用原理是基于虛擬仿真技術(shù)，將傳統(tǒng)的實(shí)物標(biāo)本3D數(shù)字化，支持學(xué)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(dòng)等，從而更好地理解生物學(xué)知識(shí)。這類資源適用于生物學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)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(shí)驗(yàn)等。虛擬環(huán)境中的觀察對(duì)象與實(shí)際觀察對(duì)象相似度高，學(xué)生能夠獲得逼真的觀察體驗(yàn)，且操作簡(jiǎn)便，可以自主控制觀察過(guò)程，隨時(shí)調(diào)整觀察條件，以獲得最佳觀察效果。

（二）實(shí)驗(yàn)探究類虛擬仿真教學(xué)資源

生物學(xué)作為自然科學(xué)中的一門基礎(chǔ)學(xué)科，實(shí)驗(yàn)在生物學(xué)教學(xué)中具有舉足輕重的作用。實(shí)驗(yàn)探究類虛擬仿真教學(xué)資源的應(yīng)用原理是基于虛擬仿真技術(shù)，模擬實(shí)體實(shí)驗(yàn)過(guò)程，支持學(xué)生在虛擬環(huán)境中開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究。設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)探究類虛擬仿真教學(xué)資源，可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)各操作環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)者可以像在真實(shí)的環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)效果等價(jià)于，甚至優(yōu)于實(shí)體實(shí)驗(yàn)效果。這類資源適用于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的模擬和深化，特別適用于高難度實(shí)驗(yàn)、危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)等。學(xué)生可以在虛擬環(huán)境中放心地實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)安全性高，結(jié)果準(zhǔn)確，不受外部因素影響，因此實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)具有很好的可靠性。

（三）科學(xué)調(diào)查類虛擬仿真教學(xué)資源

科學(xué)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(guò)程中，通過(guò)實(shí)地考察、訪談、問(wèn)卷和查閱書面材料等方式去搜集反映研究對(duì)象的材料。科學(xué)調(diào)查耗時(shí)長(zhǎng)、變量多、數(shù)據(jù)豐富，教師將生物學(xué)常見(jiàn)的科學(xué)調(diào)查活動(dòng)轉(zhuǎn)化為虛擬仿真教學(xué)資源，有助于學(xué)生在與實(shí)際調(diào)查過(guò)程相近的虛擬環(huán)境中，自主控制調(diào)查過(guò)程，隨時(shí)調(diào)整調(diào)查條件，以獲得最佳的調(diào)查結(jié)果，而學(xué)生在自主操作中發(fā)現(xiàn)、總結(jié)科學(xué)規(guī)律，可以更好地理解科學(xué)概念背后的現(xiàn)實(shí)依據(jù)。

在“蘭科植物傳粉與保護(hù)”虛擬仿真項(xiàng)目中，科學(xué)觀察和科學(xué)調(diào)查是兩個(gè)核心環(huán)節(jié)?？茖W(xué)觀察類任務(wù)：學(xué)生對(duì)某種特定的蘭科植物的形態(tài)結(jié)構(gòu)詳細(xì)觀察。此外，學(xué)生通過(guò)對(duì)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(shí)別要點(diǎn)。科學(xué)調(diào)查類任務(wù)：學(xué)生深入了解蘭科植物的生境特點(diǎn)，包括生態(tài)環(huán)境、氣候條件、土壤類型等因素。為了幫助學(xué)生更好地開(kāi)展調(diào)查研究，項(xiàng)目開(kāi)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(xué)生可以通過(guò)虛擬的實(shí)地考察、文獻(xiàn)資料查詢等方式，收集和整理有關(guān)蘭科植物生境的信息。

四、設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)模塊保障教學(xué)質(zhì)量

虛擬仿真項(xiàng)目還應(yīng)設(shè)置面向?qū)W生的評(píng)價(jià)模塊，用來(lái)了解學(xué)生的項(xiàng)目參與度和對(duì)知識(shí)的理解情況，為學(xué)生提供反饋和指導(dǎo)，為教師教學(xué)提供依據(jù)，也為資源開(kāi)發(fā)者提供更新、改進(jìn)的思路。從評(píng)價(jià)內(nèi)容來(lái)看，評(píng)價(jià)模塊應(yīng)包含以下三個(gè)維度的評(píng)價(jià)。（1）參與度評(píng)價(jià)：記錄學(xué)生在虛擬仿真項(xiàng)目中操作和停留時(shí)間，以及學(xué)生完成某項(xiàng)任務(wù)的過(guò)程和結(jié)果，評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)項(xiàng)目的參與程度和學(xué)習(xí)效果。（2）理解程度評(píng)價(jià)：在項(xiàng)目中設(shè)置測(cè)試題目，了解學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握程度。（3）滿意度評(píng)價(jià)：向參與項(xiàng)目的學(xué)生發(fā)送匿名問(wèn)卷，收集學(xué)生的反饋和評(píng)價(jià)，以便改進(jìn)。

“蘭科植物傳粉與保護(hù)”虛擬仿真項(xiàng)目的項(xiàng)目架構(gòu)如下（如圖1）。項(xiàng)目中獨(dú)立的評(píng)價(jià)模塊與學(xué)習(xí)模塊相互關(guān)聯(lián)，雙向互動(dòng)。學(xué)習(xí)模塊中的任務(wù)設(shè)計(jì)會(huì)參考評(píng)價(jià)模塊中的題目類型和難度，以確保學(xué)生在完成任務(wù)后能夠得到有效的評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)模塊的結(jié)果將反饋給學(xué)習(xí)模塊，幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)不足，及時(shí)調(diào)整學(xué)習(xí)策略。此外，評(píng)價(jià)模塊還提供在線討論和答疑功能，方便學(xué)生交流。

五、總結(jié)與展望

“蘭科植物傳粉與保護(hù)”虛擬仿真教學(xué)項(xiàng)目原本是為大學(xué)植物學(xué)專業(yè)的學(xué)生而設(shè)計(jì)。研究表明，現(xiàn)有的面向大學(xué)生開(kāi)發(fā)的系列虛擬實(shí)驗(yàn)部分適用于基礎(chǔ)教育階段。教師可嘗試對(duì)現(xiàn)有大學(xué)生物學(xué)相關(guān)教學(xué)資源進(jìn)行整合，優(yōu)化、改造出滿足學(xué)生個(gè)性化需求的虛擬仿真教學(xué)資源。

此外，筆者提出的“內(nèi)容—標(biāo)準(zhǔn)—過(guò)程—評(píng)價(jià)”四階段的開(kāi)發(fā)路徑，可指導(dǎo)生物學(xué)虛擬仿真項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。教師可用“四個(gè)是否”作為數(shù)字化教學(xué)資源的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，即“選取的內(nèi)容是否適于開(kāi)發(fā)虛擬仿真教學(xué)資源？設(shè)計(jì)思路是否符合課標(biāo)？交互的手段是否能引導(dǎo)學(xué)生探究實(shí)踐？是否設(shè)計(jì)了恰當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)手段保障教學(xué)質(zhì)量？”資源的開(kāi)發(fā)者和使用者都應(yīng)堅(jiān)持這樣一種理念——一個(gè)好的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，絕不是看起來(lái)多么有科技感，而應(yīng)幫助教師實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。只有這樣，才能真正發(fā)揮虛擬仿真教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，提高教育教學(xué)質(zhì)量。參考文獻(xiàn)

注：本文系國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目“基于全景視頻的生物學(xué)野外實(shí)踐VR學(xué)習(xí)環(huán)境研究”（課題編號(hào)：61977028）、教育部產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項(xiàng)目“動(dòng)物學(xué)野外實(shí)習(xí)VR課程體系建設(shè)研究與實(shí)踐”（課題編號(hào)：202101317002）的研究成果。

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（作者王夢(mèng)倩系華中師范大學(xué)人工智能教育學(xué)部博士研究生；崔鴻系華中師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院教授，教育部中學(xué)教師培養(yǎng)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)委員，中國(guó)教育學(xué)會(huì)生物學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會(huì)副理事長(zhǎng)，本文通信作者）

責(zé)任編輯：祝元志