高中生物教学中使用虚拟仿真实验的可行性分析

孙宇

山西省长治市电化教育馆，山西省长治市 046000

摘要：因条件限制，目前普通高中生物学实验开设情况不容乐观。经过分析，可以发现虚拟仿真实验有效解决了对实验耗材的客观需求，优化了实验教学，实现了信息技术与生物教学的有机融合。

关键词：虚拟仿真实验；高中生物教学；信息化教学

“虚拟仿真实验”一词，最早来源于2013年国家教育部的教高司函〔2013〕94号文件，国内发表的学术刊物在此之前常常采用的名词是“虚拟环境实验”“虚拟实验”“人工模拟实验”等。从本质上讲，“虚拟仿真实验”是综合运用“虚拟现实技术”创设类似于真实实验环境的氛围，实验者通过亲自操作实验平台，就可以完成实验过程，直观地观察实验结果，达到与真实实验相似或者相近的实验效果。目前，我国的虚拟仿真实验室大概包括“桌面虚拟仿真实验室”“沉浸式虚拟仿真实验室”“分布式虚拟仿真实验室”“增强型虚拟仿真实验室”四大类。2017年起，我国部分地市尝试建设中小学理、化、生等自然学科的虚拟仿真实验室。但是，在全国范围内更大面积的中小学的虚拟仿真实验室的建设暂未全面铺开与启动。

一、普通高中开设生物真实实验匮乏

研究中^[1]，我们发现普通高中生物课上开展真实实验操作的情况不容乐观，影响真实验开设的原因集中在“课程时间紧张”“教师准备实验时间紧张”“部分实验材料价格昂贵”“实验条件紧张”等。同时实验周期、材料获取、实验安全、实验现象不明显这都成为制约实验开设的相关因素。绝大多数教师在学生无法亲自操作实验时最常采用的办法是课堂讲授。从学习效果上来看传统的课堂讲授依然已经与学生亲自动手操作差异较大，所以寻找一种省时、省物、方便的方式很有必要。

2. 将虚拟仿真实验引入高中生物教学的理论依据

（一）基于学生学科核心素养培养的实验教学。新课标对生物学科的核心育人价值进行了集中阐释与说明。新课标在“实施建议”中明确指出^[2]，教师在教学中不应是自身简单的演示和讲解，应该提供更多的机会让学生实践，要利用“模拟实验”“图片”“视频”等资源和信息化的教学手段，重视“信息化环境”下的学习，可一定程度上减少对实验耗材的场地场所的依赖。新课标在“加强和改善实验教学”中强调，可以利用电子设备完成模拟实验；有条件学校还可以利用信息化手段进行虚拟实验。

（二）课程结构论和发现教学法。美国的认知心理学家布鲁纳认为人的学习是主动学习，他认为学生对学习材料的兴趣是最好学习的动机，应该把发展知觉思维置于教学中更重要的地位。从布鲁纳的观点来看，如果在实验教学中采用传统的课堂讲授，学生属于一种被动学习，而学习最有效的方式是学习者主动的学习。在生物教学中，如果进行虚拟仿真实验，学生就可以直接动手进行有关操作。很关键的是，学生在进行虚拟仿真实验的时候，会接触到更为真实的实验情境，可以帮助学习者在学习过程中形成知觉记忆，提高知觉思维能力，在亲自进行动手实验的过程中进一步转化内在的学习动机，帮助学生形成在实验操作中所体现的探索方式和探索精神，还有助于学生理性思维的培养。

（三）最近发展区。维果茨基提出的“最近发展区”，指的是学生现有水平与通过教学所能获得最大潜力之间的距离或者范围。在教学中，教师要给学生通过最近发展区搭建必要的教学支架，帮助他们完成最初不能自己完成的学习任务，在高中生物教学中，采用合理的教学办法，可以帮助学生搭建适合的教学支架。教师可以利用虚拟仿真实验创设一定的情境，引导学生在操作中学习，达到最好的学习效果。

（四）视听学习理论。美国教育技术学者戴尔提出了“视听教学论”，主要阐述多媒体视听教学手段应用于一线教学的合理方法与使用效果，把学习者获取外在事物的方法概括总结为“经验之塔”。他认为在实际教学中，要从具体的经验开始着手，然后升华到抽象和普遍思维。启示了在学校教学中，教师要善于利用各种媒体教育手段，以获得直观、具体、形象的经验与学习效果。可以看出，如果在教学中引入音像、电视电影、图片等视听教育手段，这比较符合学习者学习新事物从个例到普遍、从具象到抽象的认知规律，将虚拟仿真实验引入高中生物教学，学生可以直观的通过操作计算机等媒体进行操作，这方便学生获取直观经验，为学生学习提供了必要的感性材料，便于理解和记忆，同时在操作时，借教师的引导、提示、总结和概括，给学生升华成抽象经验扎实基础^[3]。

三、虚拟仿真实验在高中生物实验教学中的应用模式

一般来说，虚拟仿真实验在高中生物实验教学中的应用模式并不是单一的。将虚拟仿真实验应用到高中生物教学中的模式大体概括来讲，有这样几种：一是学生自主学习型虚拟仿真实验模式。二是教师演示型虚拟仿真实验。三是教师演示与学生操作虚拟仿真实验相结合，在这种教学模式中，教师需要先对实验涉及的目的、原理进行讲授，通过教师演示虚拟仿真实验，讲解实验过程，完成基本教学任务，然后学生根据课时安排，自行选择时间、地点、场合完成虚拟仿真实验。

四、将虚拟仿真实验引入高中生物教学的实际效果

（一）有效解决了对实验耗材的客观需求。《新课标》中反复强调，信息技术教学手段对于提高课堂教学效率具有重要意义，并鼓励教师在实验教学中使用“虚拟实验”以减少对一些客观条件的依赖。虚拟仿真实验切实改变了以往教师“满堂灌”的教学模式，很好地填补了各学校因实验准备时间长、实验准备繁琐、耗材昂贵、受实验场所及实验时间影响较大而无法开展真实实验的缺点。同时，因为部分实验因为实验材料的时间、季节、环境的限制，学生无法直接获取具体经验，但是虚拟仿真实验给学生无论在什么地方什么季节都能提供感官上的直接经验。所以，它为学生更好的理解生物学知识、在一定条件内方便学生进行实验操作提供了一个很好的手段。

（二）有利于优化实验教学。在研究中^[1]我们发现，虚拟仿真实验可以有效提升学生的学习兴趣和课堂注意力。学生在接受虚拟仿真实验型教学模式时，教师使用虚拟仿真实验向学生进行了演示，教师在演示时有机结合了实验原理、实验注意事项等内容的讲解，学生结合演示会更有助于对实验原理等相关内容的理解。根据教师安排，学生在教师演示、归纳后，学生还亲自操作了虚拟仿真实验，对于一些实验器材、操作有了更加直观、深入的理解。相较于传统教师讲授实验型教学模式，虚拟仿真实验为师生提供了较为真实的实验环境，为教师提供了实验演示的渠道，也为学生提供了亲自动手操作的机会。虚拟仿真实验有效改变了学生“只听不做”的现状，增强了对实验的直观理解和感受，变学生“被动学”为“主动参与学”，变“客体”为“主体”，变“抽象”为“具体”。

（三）实现了信息技术与生物教学的有机融合。可以发现，教师和学生对于虚拟仿真实验多持总体上持积极的正向态度。虚拟仿真实验在高中生物教学中应用前景广阔，有效实现了信息技术手段与生物教学的有机结合，为“以教育信息化为手段推动提升教育质量”提供了一线验证性材料，很好地契合了国家提出的“加快推进教育现代化”的伟大号召。虚拟仿真实验不仅对于中学生物实验教学是个突破，对于其他学科的实验更是赋予了极强的生机和活力。教师应主动适应虚拟仿真实验对于传统课堂教学的挑战，大胆尝试使用虚拟仿真实验进行教学；主动适应教育信息化不断加快的步伐，更深层次加快教育信息化和教学的有机结合；主动适应信息化对传统课堂的挑战，放开手让学生自己用现代的手段自主解决实际问题。

尽管虚拟仿真实验有效解决了学校真实实验开设不足的问题，但是学校和教师还是应该全力创造条件，让学生进行真实实验。真实实验带给学生的实验体验感，以及对学生动手能力、探究能力的培养，是虚拟仿真实验无法取代的。所以，“宁实不虚”的大原则坚决不能变。教师也可以逐步探索将虚拟仿真实验与真实实验进一步融合的机制，鼓励“虚”“实”结合，全面促进学生生物学核心素养的培养。随着教育信息化的发展，更加逼真、“沉浸式”的虚拟仿真实验能够让每个孩子都能体验到实验操作的无穷魅力。

参考文献：

作者简介：孙宇，1993年12月出生，男，汉，山西黎城人，教育硕士，主要研究教育信息化与学科教学融合

1] 孙宇．高中生物虚拟仿真实验的开发与应用研究[D]：[硕士学位论文]．长春：东北师范大学，2018.

2^] 中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标（2017年版）[S]．2018-8.

3^] Eden Signl，Passing David.Journal of Educational Computing Research[J]，2007（36）：51-63.

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