虛擬仿真技術(shù)輔助初中理化生學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探索與實(shí)踐

貝鴻 申美琳 鐘甫 張明琪 盧征 魏雪麗

摘? 要? 隨著教育信息化的發(fā)展，教師數(shù)字素養(yǎng)的發(fā)展成為應(yīng)然要求，虛擬仿真技術(shù)與理化生學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的結(jié)合也成為一種必然趨勢(shì)。當(dāng)前，理化生學(xué)科教學(xué)中，部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容受限于一定的客觀條件，無(wú)法達(dá)成較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。因此，借助虛擬仿真技術(shù)輔助理化生學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展十分有必要。以陜西省為例，選取省域內(nèi)有代表性的基層實(shí)驗(yàn)基地學(xué)校，探索虛擬仿真技術(shù)有效應(yīng)用于初中理化生學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)模式和學(xué)習(xí)策略。通過(guò)實(shí)踐研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)全過(guò)程，可進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提升學(xué)生課堂參與度、不斷拓展深化教學(xué)內(nèi)容，能夠有效提升實(shí)驗(yàn)課堂的前瞻性、后知性，提升課堂效率，促進(jìn)義務(wù)教育階段學(xué)生核心素養(yǎng)落地。綜上，提出幾點(diǎn)展望：要正確認(rèn)識(shí)虛擬仿真技術(shù)對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助作用；推動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室共建共享，加強(qiáng)教師培訓(xùn)；促進(jìn)虛擬仿真技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合與實(shí)踐。

關(guān)鍵詞? 虛擬仿真技術(shù)；教育信息化；教師數(shù)字素養(yǎng)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G424.31? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2023）11-0051-05

1? 問(wèn)題的提出

1.1? 教育數(shù)字化發(fā)展的客觀機(jī)遇

隨著教育信息化的迅猛發(fā)展，教育數(shù)字化發(fā)展面臨著深刻的時(shí)代性機(jī)遇和挑戰(zhàn)。將信息技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)，構(gòu)建“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的數(shù)字化教學(xué)模式已成為教育發(fā)展的必然趨勢(shì)[1]。一方面數(shù)據(jù)賦能的數(shù)字化教育課堂教學(xué)有了時(shí)效性、動(dòng)態(tài)性和精準(zhǔn)性的特征，跨域合作、跨部門合作逐步成為常態(tài)；另一方面，課堂教學(xué)實(shí)踐邁向以素養(yǎng)為導(dǎo)向的全過(guò)程育人，教師的跨學(xué)科教學(xué)實(shí)踐能力、持續(xù)性、表現(xiàn)性評(píng)價(jià)能力等專業(yè)發(fā)展需求越發(fā)強(qiáng)烈。但是由于不同地域的教學(xué)資源及教學(xué)設(shè)備，以及教師教學(xué)能力等多方面限制，不同地域的教育數(shù)字化進(jìn)程也有很大的差異。教師需要充分認(rèn)識(shí)并思考教育數(shù)字化帶來(lái)的機(jī)遇，力爭(zhēng)在基礎(chǔ)教育實(shí)驗(yàn)教學(xué)中獲得一個(gè)基礎(chǔ)性和可操作強(qiáng)、教學(xué)效果顯著的切入點(diǎn)。

1.2? 教師數(shù)字素養(yǎng)發(fā)展的必然要求

教師是教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型中的關(guān)鍵角色，教師專業(yè)化發(fā)展除了需要注重提升其專業(yè)知識(shí)及教學(xué)技能外，還需要注重?cái)?shù)字素養(yǎng)以及學(xué)習(xí)科學(xué)、腦科學(xué)等知識(shí)域的學(xué)習(xí)，需要從創(chuàng)新開(kāi)放性、富有韌性和發(fā)展張力的新組織形態(tài)中獲得終身發(fā)展的能量。要著眼物理空間和網(wǎng)絡(luò)虛擬空間的融合，建構(gòu)時(shí)空、地域、機(jī)構(gòu)、人員等全要素重構(gòu)的教育數(shù)字化實(shí)踐賦能體系，形成多層級(jí)、區(qū)域性、主題化的互聯(lián)網(wǎng)教研共同體?，F(xiàn)階段加速推動(dòng)教育數(shù)字化已成為全球共識(shí)，通過(guò)在線教學(xué)、自適應(yīng)學(xué)習(xí)等手段迅速且低成本推動(dòng)基礎(chǔ)教育水平提升，進(jìn)而通過(guò)混合學(xué)習(xí)、個(gè)性化學(xué)習(xí)空間、終身學(xué)習(xí)平臺(tái)的建設(shè)以提升創(chuàng)新人才培養(yǎng)能力與全民就業(yè)能力。教師教學(xué)業(yè)務(wù)能力提升的重要方面就是在教學(xué)設(shè)計(jì)中收入豐富的數(shù)字化教學(xué)素材，在課堂教學(xué)和課后鞏固等環(huán)節(jié)中應(yīng)用數(shù)字化手段進(jìn)行評(píng)價(jià)，反饋環(huán)節(jié)也應(yīng)該有客觀便捷的數(shù)字化手段。諸多數(shù)字化教學(xué)內(nèi)容使用的主動(dòng)性、豐富性、有效性及熟練性反映了教師的教學(xué)水平。

1.3? 虛擬仿真技術(shù)與理化生學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)結(jié)合的必然趨勢(shì)

工信部于2018年發(fā)布的《關(guān)于加快推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》指出，推進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)性、演示性課程中的應(yīng)用，發(fā)展虛擬備課、虛擬授課、虛擬考試等教育教學(xué)新方法。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)與理化生學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，已是大勢(shì)所趨。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)生深度學(xué)習(xí)場(chǎng)域的構(gòu)建提供了豐富有效的教學(xué)資源，可以構(gòu)建出以學(xué)生為主體，以虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景、教師等為組成部分的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)[2]。綜合我國(guó)目前已有研究來(lái)看，對(duì)于如何在中學(xué)階段應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)輔助完成實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并未形成規(guī)?；难芯砍晒?。一方面當(dāng)前國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究大多以理論研究為主，對(duì)于虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于初中學(xué)段學(xué)科教學(xué)的研究較少；另一方面，相關(guān)研究均未能形成體系，配套教學(xué)資源的建設(shè)也未同步。

綜上所述，為進(jìn)一步提升教師數(shù)字素養(yǎng)，促進(jìn)虛擬仿真技術(shù)與理化生學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度結(jié)合，同時(shí)依據(jù)2022年版理化生學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)以及陜西省學(xué)業(yè)水平考試改革指導(dǎo)精神，本研究團(tuán)隊(duì)依托高科技教育企業(yè)等技術(shù)團(tuán)隊(duì)的支持，重點(diǎn)圍繞虛擬仿真技術(shù)賦能實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)的模式展開(kāi)研究以及系列實(shí)踐探索，通過(guò)虛擬仿真技術(shù)輔助理化生等不同學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中的課前、課中、課后等全過(guò)程操作，探索師生對(duì)現(xiàn)有資源的高效合理利用方式，幫助陜西省理化生學(xué)科教師形成基于現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境、圍繞重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作的學(xué)習(xí)模式；同時(shí)基于虛擬仿真技術(shù)研發(fā)用于師生開(kāi)展理化生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)等數(shù)字化教學(xué)資源，以期為陜西省開(kāi)展理化生學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供配套的教學(xué)資源，包括操作平臺(tái)的研發(fā)以及配套的教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)課件、3D知識(shí)點(diǎn)視頻、實(shí)物操作演示等，內(nèi)容全面、形式多樣。

2? 當(dāng)前初中理化生學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問(wèn)

題審視

2.1? 物理學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足

物理學(xué)科是基于操作實(shí)驗(yàn)和理想實(shí)驗(yàn)的自然科學(xué)，從伽利略起這兩種實(shí)驗(yàn)就成為科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本形式。科學(xué)源于帶有質(zhì)疑精神的實(shí)驗(yàn)，物理學(xué)更是如此。在初中階段許多物理學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí)和理解來(lái)自生活經(jīng)驗(yàn)和可重復(fù)的物理實(shí)驗(yàn)。對(duì)于這些實(shí)驗(yàn)的觀察和分析是學(xué)生獲得知識(shí)、認(rèn)識(shí)世界的基礎(chǔ)。但是重要的物理實(shí)驗(yàn)需要有一定的實(shí)驗(yàn)設(shè)備等物質(zhì)條件基礎(chǔ)，這些條件是學(xué)生在課堂教學(xué)、學(xué)生生活實(shí)踐和課堂以外無(wú)法自己重復(fù)和再現(xiàn)的。而學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知過(guò)程是一個(gè)需要反復(fù)重復(fù)和不斷螺旋上升的思維過(guò)程。在這個(gè)認(rèn)識(shí)過(guò)程中，認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)不僅應(yīng)該來(lái)自對(duì)于已有知識(shí)的理論推演，更應(yīng)該源于對(duì)實(shí)驗(yàn)和生活中現(xiàn)象的再分析過(guò)程。這就形成了矛盾，一方面是學(xué)生的認(rèn)知過(guò)程需要有大量且方便的實(shí)驗(yàn)作為思維的物質(zhì)載體；另一方面是學(xué)生不方便在學(xué)習(xí)認(rèn)知的全過(guò)程獲得實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)來(lái)學(xué)習(xí)鞏固并在其基礎(chǔ)上提升和升華乃至在新的情境下靈活應(yīng)用，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境和設(shè)備等都會(huì)使學(xué)生對(duì)于部分實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)受到一定的局限和影響。

2.2? 化學(xué)學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的局限

化學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為支撐的學(xué)科，課堂中僅通過(guò)常規(guī)教學(xué)不能完美實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，需要將實(shí)驗(yàn)作為輔助教學(xué)途徑。但在實(shí)施實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)證或偽證時(shí)，實(shí)驗(yàn)可能會(huì)受限于一些客觀條件，或多或少存在一些問(wèn)題。例如：1）實(shí)驗(yàn)器材損害或藥品補(bǔ)充不及時(shí)，便不能保證人人可以動(dòng)手實(shí)驗(yàn)，那么，學(xué)生的實(shí)踐操作能力自然難以得到培養(yǎng)；2）一些實(shí)驗(yàn)存在安全隱患，比如，氫氣不純，遇氧氣和明火時(shí)，易爆炸，教師常以“視頻演示”替代“實(shí)操”；3）一些抽象復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，比如，“分子是不斷運(yùn)動(dòng)的”這一知識(shí)點(diǎn)，對(duì)于初中生來(lái)講，他們還沒(méi)有微觀的概念，在課堂環(huán)境中展示效果并不理想；4）當(dāng)教師在臺(tái)上演示實(shí)驗(yàn)，或者分組實(shí)驗(yàn)人數(shù)較多時(shí)，無(wú)法保證每位學(xué)生都能消化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，課后缺乏做實(shí)驗(yàn)反思的平臺(tái)，這樣會(huì)導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生知識(shí)盲區(qū)；5）學(xué)生畢業(yè)要面對(duì)中考升學(xué)，化學(xué)實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)也是一項(xiàng)重要教學(xué)內(nèi)容，此時(shí)如何快速有效復(fù)習(xí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中學(xué)習(xí)的內(nèi)容也成為教師思考的重要問(wèn)題。

2.3? 生物學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的困境

隨著2022年版義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的頒布與實(shí)施，生物學(xué)科要更注重對(duì)學(xué)生科學(xué)思維、科學(xué)探究能力的培養(yǎng)。但是傳統(tǒng)的初中生物實(shí)驗(yàn)課堂受制于客觀條件，或多或少存在困境，例如：1）實(shí)驗(yàn)器材不足、課時(shí)安排有限，學(xué)生動(dòng)手實(shí)驗(yàn)的頻率偏低；2）一些實(shí)驗(yàn)存在安全隱患，教師只能以“演示”替代“實(shí)操”；3）一些抽象復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，在課堂環(huán)境中展示效果并不理想。

受課時(shí)安排有限、實(shí)驗(yàn)器材不足等因素限制，陜西省部分地區(qū)或?qū)W校，學(xué)生實(shí)驗(yàn)開(kāi)課率不理想。一些具有一定危險(xiǎn)性，耗時(shí)較長(zhǎng)或操作相對(duì)復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，往往以“教師演示”代替“學(xué)生實(shí)操”，學(xué)生的動(dòng)手操作能力得不到有效的發(fā)展。即使是已經(jīng)開(kāi)展的學(xué)生實(shí)驗(yàn)，也會(huì)有部分學(xué)生在課堂上不能完全掌握，存在無(wú)法反復(fù)練習(xí)、不能及時(shí)鞏固等問(wèn)題。

3? 虛擬仿真技術(shù)輔助初中理化生學(xué)科實(shí)驗(yàn)教

學(xué)的實(shí)踐探索

根據(jù)本研究的重點(diǎn)內(nèi)容及研究任務(wù)，陜西省教育廳教育裝備中心在省域內(nèi)基層學(xué)?；A(chǔ)教育裝備調(diào)研數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了裸眼3D虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)前該實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)全面涵蓋理化生三科重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。在實(shí)踐探索過(guò)程中，課題組選擇了省域內(nèi)有代表性的基層實(shí)驗(yàn)基地學(xué)校，在21個(gè)基地學(xué)校中有國(guó)家級(jí)和省級(jí)示范學(xué)校，更多的是基層普通中學(xué)，特別是選取了一定數(shù)量的鄉(xiāng)村中學(xué)。

為充分利用現(xiàn)有資源，探索虛擬仿真技術(shù)有效應(yīng)用于初中理化生學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的教學(xué)模式和學(xué)習(xí)策略，筆者以生物學(xué)科為例進(jìn)行了全面探索及梳理。在生物學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中，陜西省有20所中學(xué)，81位教師，338個(gè)班級(jí)，16 641名學(xué)生參與本課題研究，充分利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，將所有實(shí)驗(yàn)以課前預(yù)習(xí)、課中演示和課后鞏固三種應(yīng)用模式進(jìn)行了探索。

3.1? 課前預(yù)習(xí)：創(chuàng)新設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)任務(wù)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

生物學(xué)科內(nèi)容的學(xué)習(xí)，很多都是從微觀角度來(lái)進(jìn)行研究的，如細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，不同組織、器官的特點(diǎn)等。初中階段有多個(gè)實(shí)驗(yàn)需要使用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。例如，教材中的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)就是《實(shí)驗(yàn)1 練習(xí)使用光學(xué)顯微鏡》，其實(shí)驗(yàn)?zāi)康陌ㄋ膫€(gè)方面：認(rèn)識(shí)光學(xué)顯微鏡的基本結(jié)構(gòu)及其功能；練習(xí)使用光學(xué)顯微鏡；嘗試使用低倍物鏡觀察玻片標(biāo)本；養(yǎng)成規(guī)范操作實(shí)驗(yàn)儀器的習(xí)慣。要在一節(jié)課中達(dá)成這四個(gè)教學(xué)目標(biāo)，其難度是非常大的。

傳統(tǒng)教學(xué)中，最理想的狀態(tài)是教師要求學(xué)生課前預(yù)習(xí)，對(duì)照課本插圖了解顯微鏡的結(jié)構(gòu)及其名稱。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程中，教師首先帶領(lǐng)學(xué)生重新認(rèn)識(shí)一遍光學(xué)顯微鏡的結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的功能或使用規(guī)范，然后帶領(lǐng)學(xué)生一步一步進(jìn)行規(guī)范操作，最后由學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行操作，完成觀察任務(wù)。這樣的教學(xué)模式，對(duì)第一次接觸顯微鏡的初一學(xué)生來(lái)說(shuō)，可以說(shuō)非常有效，但學(xué)生獨(dú)立操作的時(shí)間太少。加上不同水平學(xué)生差異較大，教師很難逐個(gè)進(jìn)行指導(dǎo)，很多時(shí)候，實(shí)驗(yàn)尚未進(jìn)行到第三環(huán)節(jié)，就已經(jīng)到了下課的時(shí)間，教學(xué)效率較為低下，要達(dá)成預(yù)期的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)難度很大。

在利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行教學(xué)時(shí)，情況就大為不同。教師提前安排學(xué)生利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行預(yù)習(xí)，此時(shí)學(xué)生在家中就能進(jìn)行模擬操作，基本了解光學(xué)顯微鏡的結(jié)構(gòu)、規(guī)范操作的要求和步驟。

進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室正式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)課時(shí)，學(xué)生很快就能將顯微鏡實(shí)物與虛擬情景聯(lián)系起來(lái)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生還可以利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，逐步跟隨完成各個(gè)步驟，出現(xiàn)問(wèn)題，立即自行解決，或者在老師的指導(dǎo)下解決，實(shí)驗(yàn)課的效率大大提升，不僅解決了教師難以逐個(gè)輔導(dǎo)的困境，也大大增加了學(xué)生動(dòng)手操作的時(shí)間和次數(shù)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性，也使得學(xué)生在多種學(xué)習(xí)任務(wù)的引導(dǎo)下，更容易掌握顯微鏡的使用方法，達(dá)成本課預(yù)期的實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

除此以外，其他操作難度較大的實(shí)驗(yàn)，如《實(shí)驗(yàn)5 制作并觀察人的口腔上皮細(xì)胞臨時(shí)裝片》《實(shí)驗(yàn)7 觀察草履蟲(chóng)》《實(shí)驗(yàn)15 驗(yàn)證人體呼出的氣體含有較多的二氧化碳》《實(shí)驗(yàn)17 觀察小魚(yú)尾鰭的血液循環(huán)》《實(shí)驗(yàn)18 觀察酵母菌》等都可以安排學(xué)生在家先利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行預(yù)習(xí)，進(jìn)行模擬操作，以便提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

3.2? 課中演示：豐富方式方法，提升學(xué)生課堂參與度

生物實(shí)驗(yàn)中有很多觀察結(jié)果屬于微觀層次，用語(yǔ)言描述不夠直觀，需要教師進(jìn)行演示，讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)的正確操作步驟，出現(xiàn)什么樣的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象才是正確的結(jié)果。因此，在教學(xué)過(guò)程中，教師可以借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，用多種方式演示、講解關(guān)鍵步驟，展示教師或?qū)W生實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

例如，在使用顯微鏡的過(guò)程中，教師演示如何轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換器更換物鏡，向?qū)W生展示準(zhǔn)確的換鏡方法。在制作草履蟲(chóng)臨時(shí)裝片時(shí)，演示如何添加棉花纖維，限制草履蟲(chóng)的活動(dòng)范圍；觀察花的結(jié)構(gòu)時(shí)，演示橫切（縱切）子房、暴露胚珠的方法；在驗(yàn)證人體呼出的氣體含有較多的二氧化碳時(shí)，演示如何交換吹氣、吸氣，避免吸入液體的操作程序；探究綠葉在光下制造有機(jī)物時(shí)，演示如何進(jìn)行水浴加熱，避免危險(xiǎn)；觀察小魚(yú)尾鰭血液循環(huán)時(shí)，演示如何包裹小魚(yú)、如何尋找到毛細(xì)血管、識(shí)別小動(dòng)脈和小靜脈；觀察酵母菌時(shí)，演示如何染色、識(shí)別細(xì)胞核與淀粉粒等。通過(guò)這些關(guān)鍵環(huán)節(jié)的演示，可有效提升學(xué)生在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的課堂參與度，達(dá)成預(yù)設(shè)教學(xué)目標(biāo)。

3.3? 課后鞏固：拓展學(xué)科資源，延伸學(xué)習(xí)內(nèi)容

生物實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確而規(guī)范的操作，光靠課堂的練習(xí)是不夠的。傳統(tǒng)教學(xué)模式下，教師難以安排學(xué)生到實(shí)驗(yàn)室自行加練。有了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)之后，學(xué)生可以隨時(shí)通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)進(jìn)行操作，來(lái)進(jìn)一步理解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、完善操作能力。在下一次進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)操時(shí)，其動(dòng)手操作的能力能夠明顯提升。

例如，在《實(shí)驗(yàn)21 模擬練習(xí)心肺復(fù)蘇》的學(xué)習(xí)過(guò)程中，由于很多學(xué)校并沒(méi)有配備相應(yīng)的人體模型，學(xué)生在課堂上一般只能通過(guò)視頻進(jìn)行學(xué)習(xí)，對(duì)心肺復(fù)蘇的完整環(huán)節(jié)難以形成深刻的記憶。即使有些學(xué)校配置了相關(guān)的人體模型，但能夠有機(jī)會(huì)親自模擬進(jìn)行心肺復(fù)蘇的學(xué)生也是個(gè)例，大部分學(xué)生依然只是具有理論知識(shí)而已。如果課后能夠跟隨虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)逐步進(jìn)行模擬學(xué)習(xí)，一定會(huì)對(duì)如何進(jìn)行心肺復(fù)蘇產(chǎn)生更深刻的印象。實(shí)踐后，參與課題實(shí)驗(yàn)的教師充分肯定虛擬仿真系統(tǒng)的實(shí)用性和便捷性，普遍反饋“有利于輔助教師的教學(xué)活動(dòng)，可以提高教師數(shù)字化教育水平，提高課堂教學(xué)的容量和節(jié)奏”，也能夠滿足學(xué)生課前、課后自主學(xué)習(xí)的需要，其中重要的實(shí)驗(yàn)可以高效地反復(fù)練習(xí)操作，直到學(xué)生完全掌握為止。

4? 虛擬仿真技術(shù)輔助初中理化生學(xué)科實(shí)驗(yàn)教

學(xué)的優(yōu)勢(shì)

在課題組專家指導(dǎo)下，參與研究的課題團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)教師經(jīng)過(guò)數(shù)月實(shí)踐，在虛擬仿真輔助理化生學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用探索過(guò)程中開(kāi)展了諸多具有虛擬仿真技術(shù)特色的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式研究，取得了顯著成果。

4.1? 虛擬仿真技術(shù)促進(jìn)義務(wù)教育階段學(xué)生核心素養(yǎng)落地

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展和教育信息化的快速推進(jìn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)更加凸顯。虛擬仿真技術(shù)打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景的限制，學(xué)生可以充分利用學(xué)?，F(xiàn)代化的融媒設(shè)備，如在微機(jī)室、走廊的媒體設(shè)備、教師一體機(jī)等多種媒介的支持下，隨時(shí)隨地開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，真正實(shí)現(xiàn)了人人均能“探究”，提高了學(xué)生回顧實(shí)驗(yàn)操作步驟、細(xì)節(jié)、現(xiàn)象、結(jié)論等的頻率，充分實(shí)現(xiàn)了課標(biāo)要求倡導(dǎo)的“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”的理念。通過(guò)學(xué)生自主高頻率的實(shí)驗(yàn)仿真模擬探究和思考，結(jié)合教師課堂“支架”式教學(xué)的有效引導(dǎo)，將核心素養(yǎng)中的“化學(xué)觀念”“科學(xué)思維”“科學(xué)探究與實(shí)踐”“科學(xué)態(tài)度與責(zé)任”內(nèi)容根植于學(xué)生內(nèi)心，真正內(nèi)化為學(xué)生素養(yǎng)之行。

4.2? 虛擬仿真技術(shù)提升理化生學(xué)科實(shí)驗(yàn)課堂前瞻性

學(xué)好一門學(xué)科離不開(kāi)課前預(yù)習(xí)，預(yù)習(xí)可以幫助學(xué)生明確學(xué)習(xí)方向、提高學(xué)習(xí)效率、養(yǎng)成自主獨(dú)立的學(xué)習(xí)習(xí)慣。常見(jiàn)的預(yù)習(xí)方式是通過(guò)紙質(zhì)版的預(yù)習(xí)資料或教師創(chuàng)設(shè)導(dǎo)向型的問(wèn)題情境等支架式教學(xué)項(xiàng)目引導(dǎo)學(xué)生自主探索，這些預(yù)習(xí)方式均停留在枯燥乏味的方式上。引入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，既可以繼承傳統(tǒng)的預(yù)習(xí)方式，又能豐富現(xiàn)有的預(yù)習(xí)形式；既可以引起學(xué)生的思考，又能加強(qiáng)學(xué)生的探索能力。

例如，在初中化學(xué)中，“酸堿鹽”的教學(xué)是教學(xué)重點(diǎn)，也是教學(xué)難點(diǎn)。進(jìn)行這塊內(nèi)容教學(xué)時(shí)，筆者嘗試讓學(xué)生課前操作虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生自主探究簡(jiǎn)單問(wèn)題，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出結(jié)論，保證課堂時(shí)間留給較難的知識(shí)點(diǎn)，提高課堂效率。具體而言，筆者講解“常見(jiàn)的酸”這一課時(shí)，課前在“某課堂平臺(tái)”中設(shè)置了“濃硫酸的性質(zhì)”這一實(shí)驗(yàn)，作為作業(yè)提前布置。在該實(shí)驗(yàn)中，筆者為學(xué)生準(zhǔn)備了濃硫酸、紙片、新鮮豬皮、蔗糖、水等材料，學(xué)生可以自行選擇實(shí)驗(yàn)儀器，在實(shí)驗(yàn)界面右側(cè)會(huì)顯示相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)結(jié)論填空。學(xué)生通過(guò)虛擬仿真技術(shù)，自己動(dòng)手操作得出濃硫酸的性質(zhì)，體驗(yàn)知識(shí)產(chǎn)生的過(guò)程。這不僅讓學(xué)生加強(qiáng)了對(duì)重點(diǎn)知識(shí)的理解，而且讓學(xué)生獲得一定的成就感。上述教學(xué)實(shí)例將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)前置為作業(yè)的方式，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了課堂效率，而且也符合“雙減”政策，充分體現(xiàn)了該方式的前瞻性。

4.3? 虛擬仿真技術(shù)拓展理化生學(xué)科實(shí)驗(yàn)課堂后知性

在理化生學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課堂中，學(xué)生僅僅靠課堂的45分鐘，不足以完全掌握所有知識(shí)點(diǎn)。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)，可以幫助學(xué)生進(jìn)一步理解課堂難點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的后置性和學(xué)生的后知性，為學(xué)生課后復(fù)習(xí)提供了反思路徑。

例如，在九年級(jí)科粵版化學(xué)教材中第二章第二節(jié)“物質(zhì)的組成微粒”第一課時(shí)中，提到了物質(zhì)組成的微?！肿?，分子這一概念在物理中已經(jīng)有所涉及，學(xué)生已經(jīng)明白分子是肉眼看不到的微觀粒子。但在本節(jié)課中，還會(huì)學(xué)到宏觀上能看到的物質(zhì)正是由一個(gè)個(gè)看不見(jiàn)的分子所構(gòu)成的，而宏觀物質(zhì)和微觀分子的聯(lián)系，則成為學(xué)生的理解盲區(qū)。此時(shí)，需要借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的分子微觀模型搭建學(xué)生聯(lián)系微觀和宏觀的橋梁，即虛擬仿真實(shí)驗(yàn)輔助“支架”式教學(xué)的展開(kāi)。在這一節(jié)內(nèi)容中，學(xué)生還需要掌握分子的特性和性質(zhì)，“分子是不斷運(yùn)動(dòng)的”這一點(diǎn)學(xué)生很容易理解，但是“分子是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)的一種微粒”這一點(diǎn)較難理解。課后，學(xué)生通過(guò)多媒體設(shè)備操作“氨分子的運(yùn)動(dòng)”這一實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的左側(cè)放一杯濃氨水，右側(cè)放一杯酚酞溶液，將兩杯溶液置于一個(gè)大燒杯下，過(guò)一段時(shí)間，學(xué)生發(fā)現(xiàn)，右側(cè)燒杯變紅了。此時(shí)，學(xué)生還不能準(zhǔn)確得出結(jié)論。于是，筆者設(shè)置鏈?zhǔn)絾?wèn)題：酚酞溶液變紅說(shuō)明右側(cè)溶液的酸堿性如何？是什么物質(zhì)導(dǎo)致右側(cè)溶液的酸堿性？該物質(zhì)從哪來(lái)？……通過(guò)這些問(wèn)題的引導(dǎo)，便可輕松得出：氨分子是不斷運(yùn)動(dòng)的，運(yùn)動(dòng)的氨分子維持了它堿性的化學(xué)性質(zhì)。

4.4? 虛擬仿真技術(shù)提升理化生學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)課堂效率

實(shí)驗(yàn)部分內(nèi)容是初中理化生學(xué)科課程的重要組成部分，研究各地歷年中考試題，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)部分是必考點(diǎn)。以化學(xué)學(xué)科為例，在選擇題中?？疾榛瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)基本操作，填空題常考查氣體制備和性質(zhì)，實(shí)驗(yàn)探究題則多探究溶液和酸堿鹽的性質(zhì)，所以在中考備考復(fù)習(xí)階段，部分初三化學(xué)實(shí)驗(yàn)是重點(diǎn)復(fù)習(xí)內(nèi)容。就陜西省中考而言，分為紙質(zhì)筆試和實(shí)驗(yàn)技能操作考核兩部分內(nèi)容，在實(shí)操環(huán)節(jié)，虛擬仿真技術(shù)的引進(jìn)，至關(guān)重要。

虛擬仿真技術(shù)為師生構(gòu)建一個(gè)“安全、高效、智能、低成本”的實(shí)驗(yàn)探究環(huán)境，讓“人人都能開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究”成為可能。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)及數(shù)字化資源的使用，將極大豐富學(xué)生自主開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究的形式。虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，能夠幫助一線教師和學(xué)生解決以上問(wèn)題。

利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，學(xué)生可以選擇在家庭、課堂、實(shí)驗(yàn)室等場(chǎng)地自主開(kāi)展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作。這就打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的種種限制，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的操作能力、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的分析能力、對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的歸納總結(jié)能力等，都具有非常積極的意義。

例如，在初中階段，氣體制備實(shí)驗(yàn)包括氫氣、氧氣、二氧化碳的制備。氧氣的實(shí)驗(yàn)室制備法有四種，分別為過(guò)氧化氫制取法、氯酸鉀與二氧化錳加熱生成氧氣、高錳酸鉀加熱法、電解水制氧氣。利用虛擬仿真技術(shù)，給學(xué)生陳列出所需的藥品（過(guò)氧化氫、氯酸鉀、二氧化錳、高錳酸鉀等）、儀器（酒精燈、試管、試管夾、鐵架臺(tái)、電解裝置、集氣瓶、水槽、導(dǎo)管、橡膠塞等），讓學(xué)生自主完成四種制備氧氣的實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)教學(xué)實(shí)踐，筆者發(fā)現(xiàn)在有限時(shí)間內(nèi)，可以很好地檢驗(yàn)學(xué)生所學(xué)知識(shí)。當(dāng)他們看到所陳列藥品后，能夠快速想起所學(xué)的知識(shí)，達(dá)到復(fù)習(xí)知識(shí)的目的；同時(shí)，他們操作的過(guò)程中，會(huì)暴露一些不好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，有助于教師對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作及時(shí)糾錯(cuò)，通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，加深他們對(duì)正確操作的印象，夯實(shí)基礎(chǔ)?？梢?jiàn)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的不足，比如往常復(fù)習(xí)中紙上談兵的現(xiàn)象。因而，在中考復(fù)習(xí)時(shí)，通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的模擬操作，讓學(xué)生可看、可想、可知和可用，在紙質(zhì)化的雙減作業(yè)完成中占有先機(jī)。

5? 虛擬仿真技術(shù)輔助初中理化生學(xué)科實(shí)驗(yàn)教

學(xué)的未來(lái)展望

現(xiàn)代教學(xué)是與信息化、數(shù)字化深度融合的教學(xué)，加速推動(dòng)教育數(shù)字化已成為全球共識(shí)。理化生學(xué)科當(dāng)中的實(shí)驗(yàn)教學(xué)也不再局限于傳統(tǒng)方式，有了虛擬仿真等技術(shù)的加持和輔助，師生開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)有了更加靈活多樣且有效的方式。基于目前的課題研究進(jìn)展及參與師生的實(shí)踐探索，筆者對(duì)虛擬仿真技術(shù)輔助初中理化生學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)、思路以及實(shí)踐方式等有了更多更全面的認(rèn)識(shí)，與此同時(shí)，也對(duì)其未來(lái)發(fā)展提出以下幾點(diǎn)展望。

5.1? 正確認(rèn)識(shí)虛擬仿真技術(shù)對(duì)于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助作用

不能否認(rèn)，虛擬仿真技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)教學(xué)有很多的優(yōu)勢(shì)，但它不能完全取代課本中規(guī)定的實(shí)驗(yàn)。要正確認(rèn)識(shí)到，實(shí)驗(yàn)教學(xué)要以學(xué)生為中心，要以提升學(xué)生真正的動(dòng)手能力，培養(yǎng)學(xué)生探究能力、創(chuàng)新能力為目標(biāo)[3]。以化學(xué)學(xué)科為例，線下的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室依然是實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主要場(chǎng)所，虛擬實(shí)驗(yàn)再好也不能取而代之。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)于初中化學(xué)“支架”式教學(xué)來(lái)說(shuō)，是一種非常不錯(cuò)的輔助方式，它陪伴試管實(shí)驗(yàn)而生，如果將虛擬仿真技術(shù)和試管實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合，那么將會(huì)使師生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開(kāi)展更加靈活有效，使更多學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)更佳的教學(xué)效果。

5.2? 推動(dòng)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室共建共享，加強(qiáng)教師培訓(xùn)

虛擬仿真技術(shù)是一門集合了眾多內(nèi)容的綜合性技術(shù)，信息化資源的載體及相關(guān)教學(xué)資源均可應(yīng)用于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目課程的教學(xué)設(shè)計(jì)。然而，目前大多數(shù)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，對(duì)其負(fù)載的信息化資源還未實(shí)現(xiàn)充分和有效的利用，教學(xué)設(shè)計(jì)不夠深入和有效[4]。在可預(yù)期的未來(lái)，需要建設(shè)更加完善的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，打造永不關(guān)門的全新數(shù)字化學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)加強(qiáng)師資培訓(xùn)，提高教師借助虛擬仿真平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)的專業(yè)能力。將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室充分利用起來(lái)，結(jié)合在線教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)優(yōu)勢(shì)，加強(qiáng)虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的評(píng)估與質(zhì)量監(jiān)控，積極探索虛擬仿真技術(shù)在理化生學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科研中的有效應(yīng)用，強(qiáng)力推動(dòng)數(shù)字化教育及理化生學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。

5.3? 促進(jìn)虛擬仿真技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合與實(shí)踐

在中學(xué)學(xué)習(xí)階段，利用虛擬仿真技術(shù)輔助理化生學(xué)科實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一種提升實(shí)驗(yàn)課堂效果的有效方式，但是如何促進(jìn)其與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合還有待進(jìn)一步思考。在后續(xù)的研究中，參與本課題的學(xué)校、教師和學(xué)生，還會(huì)繼續(xù)探索如何更好地應(yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)為實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)，提煉、總結(jié)有效的教學(xué)模式和學(xué)習(xí)策略，包括構(gòu)建可視化的教學(xué)流程、開(kāi)展混合式教學(xué)、支架式教學(xué)等。相信在更多的教學(xué)案例、教學(xué)視頻、教學(xué)心得等課題成果匯總之后，一定能夠找到比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)更有效的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式和學(xué)習(xí)策略。

6? 參考文獻(xiàn)

[1] 生悅，宋亞坤，林飚，等.基于“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的普通生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].高校生物學(xué)教學(xué)研究（電子版），2022，12（6）：53-59.

[2] 何聚厚，梁瑞娜，韓廣欣，等.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的深?度學(xué)習(xí)場(chǎng)域模型構(gòu)建研究[J].電化教育研究，2019，40（1）：59-66.

[3] 曹錦佳，趙佳蔚，向東.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題分析與對(duì)策研究：從“以學(xué)生為中心”為主切入點(diǎn)[J].教育教學(xué)論壇，2023（3）：185-188.

[4] 張連明，李旦，李建平，等.多維度探索提升化學(xué)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果與改革實(shí)踐[J].創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實(shí)踐，2022，5（24）：38-41.