【摘要】虛擬實驗室仿真學(xué)習(xí)環(huán)境有助于緩解實驗資源與教學(xué)需求之間的矛盾，解決學(xué)生多，實驗設(shè)備少，鍛煉機會少等問題。本文重點介紹虛擬實驗室在教學(xué)中的應(yīng)用、虛擬實驗室融入生物實驗教學(xué)的方法以及虛擬實驗室效果的評價。

【關(guān)鍵詞】實驗教學(xué) 生物實驗 虛擬實驗室

【基金項目】廣州市教育局2016年青少年科技教育項目“玻璃溫室種植有機蔬菜”科技實踐活動。

【中圖分類號】G633.91 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2016）24-0105-02

生物是一門十分注重實驗的學(xué)科，除了要求學(xué)生掌握扎實的基礎(chǔ)理論知識，更要把實驗和理論結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生的觀察力、思維力和動手能力（林鳳屏等，2016）。但實際的教學(xué)過程中由于實驗課時、試劑、儀器設(shè)備價格昂貴等條件的限制，許多實驗無法開設(shè)，學(xué)生對一些理論知識的掌握理解得不透徹。虛擬實驗室是指由網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等生成的一類適于進(jìn)行虛擬實驗的軟件，包括實驗環(huán)境、儀器設(shè)備、實驗對象以及實驗資源等內(nèi)容（葉步偉， 馬德俊， 2016；）。生物實驗教學(xué)中引入虛擬仿真實驗技術(shù)，將器材、試劑等實驗室元素生成一種特殊的立體環(huán)境，不僅加深了學(xué)生對實驗原理和實驗方法的感性認(rèn)識，而且提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、創(chuàng)造力及豐富的想象力，彌補了傳統(tǒng)實驗教學(xué)中的缺點同時彌補傳統(tǒng)化學(xué)實驗的不足，減少實驗室廢棄物排放對環(huán)境的污染和節(jié)省學(xué)校的實驗經(jīng)費（王偉和陳輝2007；蔡丁友，2013）。

1.虛擬實驗室在教學(xué)中的應(yīng)用（Potkonjak et al.， 2016）

與實體實驗室不同，虛擬實驗室可以使學(xué)生提前熟悉了解實驗原理、掌握實驗過程和操作步驟、了解實驗過程中可能出現(xiàn)的問題和解決方法（李彩虹等2013；張麗娟等2015），因此在應(yīng)用于實驗教學(xué)中必然具有不同的特點，如何利用虛擬實驗室開展實驗教學(xué)至關(guān)重要。

1.1虛擬實驗室可以開設(shè)更多實驗項目。傳統(tǒng)實驗室由于儀器設(shè)備、實驗課時和場地等諸多因素的限制，許多實驗項目無法開設(shè)。在虛擬實驗室里，儀器即軟件，可以根據(jù)需要隨意開發(fā)。由于儀器缺乏無法開設(shè)的實驗項目，可利用虛擬實驗室進(jìn)行仿真，同樣能達(dá)到學(xué)生對相關(guān)知識的掌握。有了虛擬實驗室，學(xué)生實驗不受時間和空間的限制，能夠更自由地依據(jù)個人的時間、學(xué)習(xí)進(jìn)度和掌握程度進(jìn)行自主安排實驗，增強了學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，加大了實驗的靈活性。

1.2虛擬實驗室提高了學(xué)生對實體實驗室的利用率。學(xué)生進(jìn)入開放實驗室之前，首先利用虛擬實驗室進(jìn)行實驗設(shè)計、分析和驗證，熟悉儀器設(shè)備的使用等，在進(jìn)入開放實驗室后才會有目的的進(jìn)行實驗。學(xué)生可以利用虛擬實驗室的一些輔助功能進(jìn)行實驗預(yù)約，提交電子實驗報告，還可以和實驗指導(dǎo)教師進(jìn)行在線互動。將虛擬實驗室和開放實驗室有機結(jié)合在一起，可以調(diào)動學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣，提高實驗室的利用率和實驗效率。

1.3虛擬實驗室應(yīng)用于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。利用虛擬實驗室，可以對學(xué)生學(xué)習(xí)過程中所提出的各種假設(shè)模型進(jìn)行模擬，通過虛擬系統(tǒng)便可直觀地觀察到這一假設(shè)所產(chǎn)生的結(jié)果或效果。例如，利用虛擬技術(shù)，學(xué)生還可以進(jìn)行溫室效應(yīng)等方面探索性的學(xué)習(xí)，從而研究出二氧化碳對全球氣候的影響規(guī)律。因此，利用虛擬實驗室進(jìn)行探索學(xué)習(xí)，有利于激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

2.虛擬實驗室融入生物實驗教學(xué)的方法

在生物學(xué)實驗教學(xué)中，選擇適合于教材內(nèi)容和學(xué)生認(rèn)知特點的實驗方法是至關(guān)重要的。從生物學(xué)實驗的內(nèi)容來看，主要有形態(tài)解剖實驗、分類實驗和生理實驗三種。從實驗的類型上劃分，可分為學(xué)生分組實驗、教師演示實驗和實習(xí)三種，而其中學(xué)生分組實驗所占的比例最大。根據(jù)生物學(xué)實驗教學(xué)內(nèi)容的特點，可將學(xué)生分組實驗分為驗證式實驗、同步式實驗和探索式實驗三種類型。

2.1 虛擬實驗室在驗證式實驗課教學(xué)中的應(yīng)用

驗證式實驗是形態(tài)和現(xiàn)象的觀察為主，例如： “觀察根尖的結(jié)構(gòu)”、“觀察葉片的結(jié)構(gòu)”等實驗，這類實驗所需要的基礎(chǔ)知識多、觀察操作要求高、實驗的內(nèi)容比較復(fù)雜。將實驗的各個操作步驟、關(guān)鍵點等制成不同的環(huán)節(jié)，學(xué)生在虛擬操作中通過選擇來完成實驗的虛擬操作。其基本的程序是：學(xué)生運用虛擬實驗室軟件進(jìn)行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)→學(xué)生動手實驗→驗證知識。

2.2 虛擬實驗室在同步式實驗課教學(xué)中的應(yīng)用

這類實驗課講課與實驗操作同步或交替進(jìn)行，它一般編排在有關(guān)課文之中或之后，所需的基礎(chǔ)知識較多，并且實驗的內(nèi)容與講述的理論知識關(guān)系相當(dāng)密切，學(xué)生需要通過實驗獲得一定的感性認(rèn)識之后，才能將觀察結(jié)果上升為理性認(rèn)識。如：“觀察種子的結(jié)構(gòu)”、“觀察葉芽的構(gòu)造”、“觀察花的結(jié)構(gòu)”、“觀察水?！薄ⅰ坝^察蚯蚓”、“解剖青蛙”和“解剖鯽魚”等。

因此，此類實驗課教學(xué)程序的設(shè)計以及教學(xué)內(nèi)容的合理組織尤為重要，是實驗課成敗的關(guān)鍵。首先，教師應(yīng)精心設(shè)計好本節(jié)課的教程，做到手段多樣而不繁瑣，內(nèi)容豐富而不雜亂，即：通過虛擬實驗室將實驗的觀察、操作等環(huán)節(jié)給學(xué)生演示，穿插于講述、理解、思考與總結(jié)之中，并力求兩者銜接自然而合理，做到教學(xué)思路清晰，知識脈絡(luò)一目了然，符合初中學(xué)生從感性到理性的認(rèn)知規(guī)律。

2.3 虛擬實驗室在探索式實驗課教學(xué)中的應(yīng)用

探索式實驗?zāi)艹浞煮w現(xiàn)啟發(fā)式教學(xué)思想，是實踐論在教學(xué)中的實際體現(xiàn)，它充分利用學(xué)生對新奇事物進(jìn)行探索、調(diào)查、研究的心理，由教師向?qū)W生提出課題和實驗方法，學(xué)生積極主動地去操作、觀察、思考和得出結(jié)論。這類實驗一般編排于相關(guān)課文之前，所需要的基礎(chǔ)知識不多，實驗方法通過學(xué)生自己閱讀就能掌握，如：“綠葉在光下制造淀粉”和“脊蛙反射實驗”。其教學(xué)程序是：虛擬實驗室預(yù)習(xí)實驗→實體實驗室正式實驗→討論分析→獲得結(jié)論。通過虛擬實驗室預(yù)習(xí)實驗，讓學(xué)生對將要操作的實驗有充分的了解，提高實際操作中的實驗效率，對實際結(jié)果與設(shè)計的實驗結(jié)果有出入的，可引導(dǎo)學(xué)生對結(jié)果進(jìn)行討論，了解實驗結(jié)果的各種影響因素（蔡丁友， 2013）。在探討對實驗結(jié)果影響的因素過程中，有可能積累一些以往忽略了的問題，將這些問題反饋于虛擬仿真實驗的設(shè)計之中，可使其設(shè)計逐步得到完善。

總之，虛擬仿真實驗在生物學(xué)實驗中的應(yīng)用可以主要分為2個步驟。第一步可將各個實驗的從實驗準(zhǔn)備開始、依次將實驗操作的各個步驟做成虛擬演示實驗。這部分可作為實驗教學(xué)實踐中的補充，學(xué)生可根據(jù)需要調(diào)取演示實驗自主學(xué)習(xí)，然后再運用于實際操作中。第二部是將驗證性試驗、形態(tài)和現(xiàn)象的觀察結(jié)合起來制成虛擬仿真實驗。將實驗的各個操作步驟、關(guān)鍵點等制成不同的環(huán)節(jié)，學(xué)生在虛擬操作中同過選擇來完成實驗的虛擬操作，形態(tài)和現(xiàn)象的觀察作為實驗結(jié)果以圖像的方式自動生成，最后學(xué)生選擇實驗的結(jié)論。總之，將虛擬實驗室融入課堂可以通過在課堂教學(xué)實際的展示以及課后讓學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的方式。

3.虛擬實驗室實驗效果的評價

虛擬實驗室采用的擬物化設(shè)計，更好地將實驗室儀器進(jìn)行虛擬化，從而模擬真實實驗的過程，在操作過程中也同樣遵循實際實驗的流程與步驟，重點是注意實驗的細(xì)節(jié)。虛擬仿真實驗的應(yīng)用前景要依靠其在實際應(yīng)用中的效果來決定，教學(xué)實踐的虛擬仿真實驗效果的評價指標(biāo)應(yīng)該主要是看教學(xué)效果和實驗效果。教學(xué)效果的觀察可用隨機對照實驗進(jìn)行觀察，將學(xué)生進(jìn)行隨機分組，設(shè)為運用虛擬仿真實驗組和不運用虛擬仿真實驗組進(jìn)行對比觀察，設(shè)計各種指標(biāo)進(jìn)行對比。實驗效果的評價可根據(jù)虛擬實驗與實際實驗的相關(guān)性來判斷。唐富山等（2015）研究發(fā)現(xiàn)開展虛擬實驗教學(xué)后，學(xué)生實驗成績和理論考試成績與以往年級相比，均有不同幅度的提高。劉慧萍等（2014）通過問卷調(diào)査發(fā)現(xiàn)學(xué)生對虛擬仿真實驗容易接受，也喜歡這種新的教學(xué)手段。

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作者簡介：

李丹（1981.09—），山東省定陶縣人，博士研究生，研究方向生物學(xué)教育。