虚拟实验在初中生物学实验教学中的运用

金鑫

摘 要 根据《义务教育生物课课程标准（2011年版）》的实施建议“有条件的学校还可以适当引入多媒体技术进行虚拟实验”，介绍了虚拟实验的产生、概念以及虚拟实验在初中生物实验教学中的运用实例及作用。

关键词 虚拟实验 生物实验教学

中图分类号 G633.91 文献标识码 B

为了保护生物的多样性，培养学生热爱生命、热爱自然的情感，在生物新课标教材中，大量的解剖实验已经被删除，《义务教育生物课课程标准（2011年版)》更提倡实验设计多样化，建议“有条件的学校还可以适当引入多媒体技术进行虚拟实验”。但在教学实践中，一线教师对虚拟实验还不甚了解。下面对虚拟实验在生物实验教学中的运用做个简单介绍。

1 虚拟实验的概念

虚拟实验是指利用多媒体技术、虚拟现实技术，学习者通过鼠标、键盘、显示器以及力矩球、数据手套、数据眼镜等输入、输出设备操作虚拟环境中的实验仪器，模拟实验过程，观察实验现象，探索实验规律的实验。简单地说，虚拟实验是用多媒体的手段对真实实验进行再现或模拟，再由学生进行观看或参与操作的一种实验方式。虚拟实验用到的相关技术见图1。

我国的生物虚拟实验还处于起步阶段，首家中学虚拟科学实验室于2002年9月建成，其中也安装了生物学科的实验软件和传感器。此网站中也介绍了很多生物虚拟实验室的网址。但是总体来说，我国对虚拟实验室和虚拟实验的研究还停留在探索阶段，其实践和应用局限在部分高校的有限的范围，虚拟实验的数量有限，在教学中真正发挥作用的更是少量，初中生物教学中需要的相关实验几乎是空白。现在在中学教学中少量使用的所谓虚拟实验，多数以课件形式出现，交互性少，以模拟演示方式存在，还不能称之为真正意义上的虚拟实验，但已经可以在教学中发挥独特的作用。

2 虚拟实验在实验教学中的运用

虚拟实验用在实验教学中的运用包括以下几方面：（1） 用于真实实验前的指导。在实验前，对实验的原理、过程、现象做一些介绍，以便于对教学内容的理解，便于真实实验的开展。（2） 用于讲解教学内容。在课堂上讲解内容时，为了说明一些现象，需要用虚拟实验来展示，进而有助于讲解教学内容。这些教学内容可以是通过真实实验来演示的，也可能是一些宏观、微观、危险的、无法通过真实实验来演示的，这时，通过虚拟实验来讲解实验现象是一个十分可行的方法。（3） 用于课后复习。在复习过程中，学生还会遇到很多问题。其中就有很多关系到实验的，这时候再去实验室做实验已不大可能，利用虚拟实验可以便于学生自主学习。下面介绍两个可以方便使用的虚拟实验课件，通过截图演示。

2.1 “鱼鳍的作用”（适用于人教版八年级上册第4页“鱼鳍在游泳中的作用”）

课件来自网络，选取部分操作与说明见图2。

通过菜单操作，学生可以很清晰地观看鱼鳍的各种作用。此课件可以在学生只做了“活体鱼”进行模拟实验后进一步探究。

2.2 “输血与血型”（适用于人教版七年级下册76页“输血与血型”）

课件来自网络，操作与说明如下列系列截图。

（1） 救护车送来三位病人，他们失血过多，需要输血。医生提示：操作者的工作是测定他们的血型，并且给他们输血。操作者随意用鼠标点击一个病人，将此病人送入病房（图3）。

（2） 病房护士要求操作者先正确测定病人的血型，然后输血。如果你操作顺序错误，如没有测定病人的血型，想直接输血，就会出现下列提示，修正你的做法。

（3） 当操作者使用鼠标点击注射器，从病人裸露的胳膊上抽血并与三种血型抗体试剂混合后，操作者可以通过小图来查看A、B、C三个试管发生的情况，以判断病人的血型（图5）。

（4） 然后参考血袋中的用血说明，决定给病人输何种血型的血液（图6）。

（5） 当操作者给病人所输的血是与病人的血型不符合的，病房护士就会提醒你修正。如果操作者的操作是正确的，病房护士就会提醒你再尝试输其他血袋里的血。没有血液可输时，就可以带下一位病人了。

（6） 点击其他病人，重复以上的操作，直到把正确的血液输完为止。

这一课件，虽然不是典型的虚拟实验课件，但是指导语言是中文，背景、情景设计逼真。当操作者操作正确时，病人的脸色立即变得红润；错误时，病人的脸色青紫，浑身颤抖、青筋暴露，非常有现场感。其他像抽血、输血，与医院医生的真实操作非常相似，设计科学。课件设计有三个病人，当学生在学习时，第一个病人还容易判断错误，到第三个病人时，已经基本掌握血型的判定和输血的知识，这种设计很符合学生学习的认知规律。课件画面醒目、易操作、不枯燥，易于使用，是个很不错的虚拟实验课件。

我国的生物虚拟实验室大部分是非交互式的，即学生可以在网上了解实验内容、观看动画或视频形式的实验演示过程，但无法自己动手操作。这样学生不能获得直接的感性认识，不利于实验技能的培养和知识的巩固。学校应该大力发展交互式的虚拟实验室，让学生不仅可以观看，还可以动用输入设备对实验过程进行实际操作。

3 虚拟实验在实验教学中的作用

3.1 用于学生熟悉实验原理、方法和实验操作过程

新课程改革以后，为了提高学生的生物科学素养，初中生物实验内容明显增多，相对地，由于教学课时没有增加，甚至还有减少，例如七年级上学期的周课时从3节减少到2节，这就造成教学课时的明显不足，这也是部分学校不能开齐所有实验课的客观原因之一。在教学实践中，部分教师为了在有限的实验课时间内完成实验，常常缩短讲解和示范操作的实验环节，但这常常会造成部分学生在实验前对实验原理理解不透，直接影响实验过程，拖延实验时间，影响实验效果。如果教师在开展真实实验前，可以通过展示虚拟实验来讲解实验原理、实验方法、实验步骤，让学生能充分了解实验的进程，就可以增加学生对实验的了解，以保证学生有较多的操作时间。如果学生能够在开展真实实验前，亲手操作虚拟实验课件，学生不必担心损坏仪器，甚至发生事故，在正式实验时就能熟悉操作过程，减少操作失误，从而更加激发学生对实验的学习兴趣。

另外，虚拟实验课件具有无限量复制特性，学生可以根据自己的需求，随时选择时间完成实验，并可根据需要“真实”地观察实验现象、操作实验仪器。这对于课前预习实验，充分搞清实验原理、实验过程和仪器设备的使用，建立实验前的直观认识有极大的好处，客观上实现了实验室空间和时间上的延伸。

3.2 促进学生由被动学习变主动学习，提高创新实践能力

真实实验利用真实材料、仪器做实验，往往因为要消耗实验材料，损耗实验器材，教师本着节约资源的考虑，在有限的实验时间内，对学生使用实验材料的数量和操作仪器的次数往往加以限制。而一些花费时间较长的实验，如探究“酸雨对生物的影响”，由于实验所需周期较长，在课堂教学时间内难于完成，学生即使观看了有关图片，但是单凭教师的语言描述和讲解，学生没有参与感。通过虚拟实验，不仅可以重复实验、缩短实验时间，学生还可以参与其中，在一遍遍地尝试中，学生不仅可以温故知新，在深刻理解实验原理的基础上，还可以尝试提出新的实验方法和设想，有利于创新能力的培养。这样学生变成了学习的主体、知识的主动构建者。

在虚拟实验过程中，学生甚至还可以根据自己的兴趣自主选择实验内容、自己决定实验时间和进度，自己发现问题、解决问题，可以按照自己的想法大胆尝试，或者在网上协同实验室里与他人交流、合作，共同完成一项科学探索，从而加深对知识的理解，激发学习兴趣，增强创新能力。

3.3 帮助学生完成一些难以开展的实验，进一步培养学生的探究精神

虚拟实验在教学中有着真实实验所不具有的某些功能，能完成真实实验难以完成或无法完成的实验。例如，一些花费昂贵的实验，学校需要拿出不少的费用投到实验上来，条件达不到的学校就没法开设，虚拟实验就可以弥补这个遗憾，节约资源和经费。对于一些危险的、不太好实施的实验，用虚拟实验去实施，既可以省去很多的实验费用，使许多实验成本过高而难于开出或无法一人一组开出的实验顺利开出，又增加了学生的实验机会，提高了实验教学的质量。虚拟实验利用虚拟现实技术仿真或虚构某些情境，供学生观察与操纵其中的对象，使他们可以获得体验或有所发现。例如，最经典的虚拟青蛙解剖实验可以帮助少年儿童利用生动、直观的形象有效地激发联想，唤醒长期记忆中的有关知识、经验和表象，从而使学生能利用自己原有认知结构中的有关知识与经验去同化当前学习到的新知识，赋予新知识以某种新意义，在温故知新的过程中培养学生的探究精神。

虚拟实验还可以让学生在模拟的情境中进行探索，去发现隐藏在其中的奥秘，让学生像科学家一样研究，体验科学研究的过程和乐趣，对培养学生的科学、创新精神和提高科学素养有很重要的促进作用。在虚拟实验中，虚拟实验室采取人机交互的方式实施实验，使学生就像置身于真实的实验环境中，具有智能性、仿真性、形象性和趣味性，充分调动了学生学习的兴趣和积极性，培养了学生的创造力，提高了学生的创新能力。

虚拟实验是对真实实验的模拟或再现，通过虚拟实验可以辅助真实实验的实施以及教学的进行。但是，在学校实验条件允许的条件下，能开展真实实验的还是要开展真实实验。不能因为虚拟实验技术的发展而忽视真实实验。只有通过真实实验，才能逐步提高学生的动手操作能力。而在有条件的学校，也要提倡充分开发虚拟实验，使其成为教学的重要组成部分。因为，即使是交互性不强的虚拟实验，也形象、生动、直观，在展现实验现象时具有强大的表现力。