金鑫

摘 要 根據(jù)《義務(wù)教育生物課課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》的實(shí)施建議“有條件的學(xué)校還可以適當(dāng)引入多媒體技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)”，介紹了虛擬實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)生、概念以及虛擬實(shí)驗(yàn)在初中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用實(shí)例及作用。

關(guān)鍵詞 虛擬實(shí)驗(yàn) 生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào) G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 B

為了保護(hù)生物的多樣性，培養(yǎng)學(xué)生熱愛生命、熱愛自然的情感，在生物新課標(biāo)教材中，大量的解剖實(shí)驗(yàn)已經(jīng)被刪除，《義務(wù)教育生物課課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版)》更提倡實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)多樣化，建議“有條件的學(xué)校還可以適當(dāng)引入多媒體技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)”。但在教學(xué)實(shí)踐中，一線教師對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)還不甚了解。下面對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用做個(gè)簡(jiǎn)單介紹。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)的概念

虛擬實(shí)驗(yàn)是指利用多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)習(xí)者通過鼠標(biāo)、鍵盤、顯示器以及力矩球、數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)眼鏡等輸入、輸出設(shè)備操作虛擬環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)儀器，模擬實(shí)驗(yàn)過程，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，探索實(shí)驗(yàn)規(guī)律的實(shí)驗(yàn)。簡(jiǎn)單地說，虛擬實(shí)驗(yàn)是用多媒體的手段對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行再現(xiàn)或模擬，再由學(xué)生進(jìn)行觀看或參與操作的一種實(shí)驗(yàn)方式。虛擬實(shí)驗(yàn)用到的相關(guān)技術(shù)見圖1。

我國(guó)的生物虛擬實(shí)驗(yàn)還處于起步階段，首家中學(xué)虛擬科學(xué)實(shí)驗(yàn)室于2002年9月建成，其中也安裝了生物學(xué)科的實(shí)驗(yàn)軟件和傳感器。此網(wǎng)站中也介紹了很多生物虛擬實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)址。但是總體來說，我國(guó)對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)室和虛擬實(shí)驗(yàn)的研究還停留在探索階段，其實(shí)踐和應(yīng)用局限在部分高校的有限的范圍，虛擬實(shí)驗(yàn)的數(shù)量有限，在教學(xué)中真正發(fā)揮作用的更是少量，初中生物教學(xué)中需要的相關(guān)實(shí)驗(yàn)幾乎是空白。現(xiàn)在在中學(xué)教學(xué)中少量使用的所謂虛擬實(shí)驗(yàn)，多數(shù)以課件形式出現(xiàn)，交互性少，以模擬演示方式存在，還不能稱之為真正意義上的虛擬實(shí)驗(yàn)，但已經(jīng)可以在教學(xué)中發(fā)揮獨(dú)特的作用。

2 虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用

虛擬實(shí)驗(yàn)用在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用包括以下幾方面：（1） 用于真實(shí)實(shí)驗(yàn)前的指導(dǎo)。在實(shí)驗(yàn)前，對(duì)實(shí)驗(yàn)的原理、過程、現(xiàn)象做一些介紹，以便于對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解，便于真實(shí)實(shí)驗(yàn)的開展。（2） 用于講解教學(xué)內(nèi)容。在課堂上講解內(nèi)容時(shí)，為了說明一些現(xiàn)象，需要用虛擬實(shí)驗(yàn)來展示，進(jìn)而有助于講解教學(xué)內(nèi)容。這些教學(xué)內(nèi)容可以是通過真實(shí)實(shí)驗(yàn)來演示的，也可能是一些宏觀、微觀、危險(xiǎn)的、無法通過真實(shí)實(shí)驗(yàn)來演示的，這時(shí)，通過虛擬實(shí)驗(yàn)來講解實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是一個(gè)十分可行的方法。（3） 用于課后復(fù)習(xí)。在復(fù)習(xí)過程中，學(xué)生還會(huì)遇到很多問題。其中就有很多關(guān)系到實(shí)驗(yàn)的，這時(shí)候再去實(shí)驗(yàn)室做實(shí)驗(yàn)已不大可能，利用虛擬實(shí)驗(yàn)可以便于學(xué)生自主學(xué)習(xí)。下面介紹兩個(gè)可以方便使用的虛擬實(shí)驗(yàn)課件，通過截圖演示。

2.1 “魚鰭的作用”（適用于人教版八年級(jí)上冊(cè)第4頁(yè)“魚鰭在游泳中的作用”）

課件來自網(wǎng)絡(luò)，選取部分操作與說明見圖2。

通過菜單操作，學(xué)生可以很清晰地觀看魚鰭的各種作用。此課件可以在學(xué)生只做了“活體魚”進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)后進(jìn)一步探究。

2.2 “輸血與血型”（適用于人教版七年級(jí)下冊(cè)76頁(yè)“輸血與血型”）

課件來自網(wǎng)絡(luò)，操作與說明如下列系列截圖。

（1） 救護(hù)車送來三位病人，他們失血過多，需要輸血。醫(yī)生提示：操作者的工作是測(cè)定他們的血型，并且給他們輸血。操作者隨意用鼠標(biāo)點(diǎn)擊一個(gè)病人，將此病人送入病房（圖3）。

（2） 病房護(hù)士要求操作者先正確測(cè)定病人的血型，然后輸血。如果你操作順序錯(cuò)誤，如沒有測(cè)定病人的血型，想直接輸血，就會(huì)出現(xiàn)下列提示，修正你的做法。

（3） 當(dāng)操作者使用鼠標(biāo)點(diǎn)擊注射器，從病人裸露的胳膊上抽血并與三種血型抗體試劑混合后，操作者可以通過小圖來查看A、B、C三個(gè)試管發(fā)生的情況，以判斷病人的血型（圖5）。

（4） 然后參考血袋中的用血說明，決定給病人輸何種血型的血液（圖6）。

（5） 當(dāng)操作者給病人所輸?shù)难桥c病人的血型不符合的，病房護(hù)士就會(huì)提醒你修正。如果操作者的操作是正確的，病房護(hù)士就會(huì)提醒你再嘗試輸其他血袋里的血。沒有血液可輸時(shí)，就可以帶下一位病人了。

（6） 點(diǎn)擊其他病人，重復(fù)以上的操作，直到把正確的血液輸完為止。

這一課件，雖然不是典型的虛擬實(shí)驗(yàn)課件，但是指導(dǎo)語(yǔ)言是中文，背景、情景設(shè)計(jì)逼真。當(dāng)操作者操作正確時(shí)，病人的臉色立即變得紅潤(rùn)；錯(cuò)誤時(shí)，病人的臉色青紫，渾身顫抖、青筋暴露，非常有現(xiàn)場(chǎng)感。其他像抽血、輸血，與醫(yī)院醫(yī)生的真實(shí)操作非常相似，設(shè)計(jì)科學(xué)。課件設(shè)計(jì)有三個(gè)病人，當(dāng)學(xué)生在學(xué)習(xí)時(shí)，第一個(gè)病人還容易判斷錯(cuò)誤，到第三個(gè)病人時(shí)，已經(jīng)基本掌握血型的判定和輸血的知識(shí)，這種設(shè)計(jì)很符合學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知規(guī)律。課件畫面醒目、易操作、不枯燥，易于使用，是個(gè)很不錯(cuò)的虛擬實(shí)驗(yàn)課件。

我國(guó)的生物虛擬實(shí)驗(yàn)室大部分是非交互式的，即學(xué)生可以在網(wǎng)上了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、觀看動(dòng)畫或視頻形式的實(shí)驗(yàn)演示過程，但無法自己動(dòng)手操作。這樣學(xué)生不能獲得直接的感性認(rèn)識(shí)，不利于實(shí)驗(yàn)技能的培養(yǎng)和知識(shí)的鞏固。學(xué)校應(yīng)該大力發(fā)展交互式的虛擬實(shí)驗(yàn)室，讓學(xué)生不僅可以觀看，還可以動(dòng)用輸入設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)際操作。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的作用

3.1 用于學(xué)生熟悉實(shí)驗(yàn)原理、方法和實(shí)驗(yàn)操作過程

新課程改革以后，為了提高學(xué)生的生物科學(xué)素養(yǎng)，初中生物實(shí)驗(yàn)內(nèi)容明顯增多，相對(duì)地，由于教學(xué)課時(shí)沒有增加，甚至還有減少，例如七年級(jí)上學(xué)期的周課時(shí)從3節(jié)減少到2節(jié)，這就造成教學(xué)課時(shí)的明顯不足，這也是部分學(xué)校不能開齊所有實(shí)驗(yàn)課的客觀原因之一。在教學(xué)實(shí)踐中，部分教師為了在有限的實(shí)驗(yàn)課時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)，常?？s短講解和示范操作的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，但這常常會(huì)造成部分學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前對(duì)實(shí)驗(yàn)原理理解不透，直接影響實(shí)驗(yàn)過程，拖延實(shí)驗(yàn)時(shí)間，影響實(shí)驗(yàn)效果。如果教師在開展真實(shí)實(shí)驗(yàn)前，可以通過展示虛擬實(shí)驗(yàn)來講解實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)方法、實(shí)驗(yàn)步驟，讓學(xué)生能充分了解實(shí)驗(yàn)的進(jìn)程，就可以增加學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的了解，以保證學(xué)生有較多的操作時(shí)間。如果學(xué)生能夠在開展真實(shí)實(shí)驗(yàn)前，親手操作虛擬實(shí)驗(yàn)課件，學(xué)生不必?fù)?dān)心損壞儀器，甚至發(fā)生事故，在正式實(shí)驗(yàn)時(shí)就能熟悉操作過程，減少操作失誤，從而更加激發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)興趣。

另外，虛擬實(shí)驗(yàn)課件具有無限量復(fù)制特性，學(xué)生可以根據(jù)自己的需求，隨時(shí)選擇時(shí)間完成實(shí)驗(yàn)，并可根據(jù)需要“真實(shí)”地觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、操作實(shí)驗(yàn)儀器。這對(duì)于課前預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)，充分搞清實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)過程和儀器設(shè)備的使用，建立實(shí)驗(yàn)前的直觀認(rèn)識(shí)有極大的好處，客觀上實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室空間和時(shí)間上的延伸。

3.2 促進(jìn)學(xué)生由被動(dòng)學(xué)習(xí)變主動(dòng)學(xué)習(xí)，提高創(chuàng)新實(shí)踐能力

真實(shí)實(shí)驗(yàn)利用真實(shí)材料、儀器做實(shí)驗(yàn)，往往因?yàn)橐膶?shí)驗(yàn)材料，損耗實(shí)驗(yàn)器材，教師本著節(jié)約資源的考慮，在有限的實(shí)驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，對(duì)學(xué)生使用實(shí)驗(yàn)材料的數(shù)量和操作儀器的次數(shù)往往加以限制。而一些花費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)，如探究“酸雨對(duì)生物的影響”，由于實(shí)驗(yàn)所需周期較長(zhǎng)，在課堂教學(xué)時(shí)間內(nèi)難于完成，學(xué)生即使觀看了有關(guān)圖片，但是單憑教師的語(yǔ)言描述和講解，學(xué)生沒有參與感。通過虛擬實(shí)驗(yàn)，不僅可以重復(fù)實(shí)驗(yàn)、縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，學(xué)生還可以參與其中，在一遍遍地嘗試中，學(xué)生不僅可以溫故知新，在深刻理解實(shí)驗(yàn)原理的基礎(chǔ)上，還可以嘗試提出新的實(shí)驗(yàn)方法和設(shè)想，有利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。這樣學(xué)生變成了學(xué)習(xí)的主體、知識(shí)的主動(dòng)構(gòu)建者。

在虛擬實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生甚至還可以根據(jù)自己的興趣自主選擇實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、自己決定實(shí)驗(yàn)時(shí)間和進(jìn)度，自己發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，可以按照自己的想法大膽嘗試，或者在網(wǎng)上協(xié)同實(shí)驗(yàn)室里與他人交流、合作，共同完成一項(xiàng)科學(xué)探索，從而加深對(duì)知識(shí)的理解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)創(chuàng)新能力。

3.3 幫助學(xué)生完成一些難以開展的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的探究精神

虛擬實(shí)驗(yàn)在教學(xué)中有著真實(shí)實(shí)驗(yàn)所不具有的某些功能，能完成真實(shí)實(shí)驗(yàn)難以完成或無法完成的實(shí)驗(yàn)。例如，一些花費(fèi)昂貴的實(shí)驗(yàn)，學(xué)校需要拿出不少的費(fèi)用投到實(shí)驗(yàn)上來，條件達(dá)不到的學(xué)校就沒法開設(shè)，虛擬實(shí)驗(yàn)就可以彌補(bǔ)這個(gè)遺憾，節(jié)約資源和經(jīng)費(fèi)。對(duì)于一些危險(xiǎn)的、不太好實(shí)施的實(shí)驗(yàn)，用虛擬實(shí)驗(yàn)去實(shí)施，既可以省去很多的實(shí)驗(yàn)費(fèi)用，使許多實(shí)驗(yàn)成本過高而難于開出或無法一人一組開出的實(shí)驗(yàn)順利開出，又增加了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)機(jī)會(huì)，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。虛擬實(shí)驗(yàn)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仿真或虛構(gòu)某些情境，供學(xué)生觀察與操縱其中的對(duì)象，使他們可以獲得體驗(yàn)或有所發(fā)現(xiàn)。例如，最經(jīng)典的虛擬青蛙解剖實(shí)驗(yàn)可以幫助少年兒童利用生動(dòng)、直觀的形象有效地激發(fā)聯(lián)想，喚醒長(zhǎng)期記憶中的有關(guān)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和表象，從而使學(xué)生能利用自己原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)中的有關(guān)知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)去同化當(dāng)前學(xué)習(xí)到的新知識(shí)，賦予新知識(shí)以某種新意義，在溫故知新的過程中培養(yǎng)學(xué)生的探究精神。

虛擬實(shí)驗(yàn)還可以讓學(xué)生在模擬的情境中進(jìn)行探索，去發(fā)現(xiàn)隱藏在其中的奧秘，讓學(xué)生像科學(xué)家一樣研究，體驗(yàn)科學(xué)研究的過程和樂趣，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)、創(chuàng)新精神和提高科學(xué)素養(yǎng)有很重要的促進(jìn)作用。在虛擬實(shí)驗(yàn)中，虛擬實(shí)驗(yàn)室采取人機(jī)交互的方式實(shí)施實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生就像置身于真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，具有智能性、仿真性、形象性和趣味性，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣和積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)造力，提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

虛擬實(shí)驗(yàn)是對(duì)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的模擬或再現(xiàn)，通過虛擬實(shí)驗(yàn)可以輔助真實(shí)實(shí)驗(yàn)的實(shí)施以及教學(xué)的進(jìn)行。但是，在學(xué)校實(shí)驗(yàn)條件允許的條件下，能開展真實(shí)實(shí)驗(yàn)的還是要開展真實(shí)實(shí)驗(yàn)。不能因?yàn)樘摂M實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展而忽視真實(shí)實(shí)驗(yàn)。只有通過真實(shí)實(shí)驗(yàn)，才能逐步提高學(xué)生的動(dòng)手操作能力。而在有條件的學(xué)校，也要提倡充分開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)，使其成為教學(xué)的重要組成部分。因?yàn)?，即使是交互性不?qiáng)的虛擬實(shí)驗(yàn)，也形象、生動(dòng)、直觀，在展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)具有強(qiáng)大的表現(xiàn)力。