虚拟仿真3D动态模型在高中生物教学中的有效应用

罗晓彤

摘 要：信息时代、信息技术与学科教学的融合日益紧密。作为信息时代的学生，更适应于现代化的教学形式。高中生物知识抽象且复杂，教师们往往会使用概念图、平面图、GIF动画模型、物理静态模型等辅助学生理解抽象生物知识，但不能立体、直观地展示生物学科的奇妙，实际运用效果并不理想。而虚拟仿真3D动态模型在高中生物教学中的应用，使教师能够以更具象、动态、逼真的形式，呈现宏观与微观的生物世界，展现生命现象与生命规律，促进学生生物核心素养的提升。文章结合教学实例，探讨了在高中生物教学中应用虚拟仿真3D动态模型的具体策略，以期为广大教师提供教学新思路。

关键词：虚拟仿真；3D动态模型；高中生物；应用策略

随着教育改革的深化，高中生物教师应树立新的质量观与教学观，推动学科教学的信息化发展，创造性地引入云计算、虚拟现实、大数据等信息技术手段，构建智能化、高效化的生物课堂，提高生物教学质量。新课标也指出，高中生物学教学应灵活利用互联网、多媒体等手段开展虚拟实验。由此，许多一线教师开始尝试在实验教学中应用虚拟仿真技术，以生动、逼真的形式呈现一些因现实条件限制而难以操作的实验，革新了生物实验教学方式。但实际操作中，虚拟仿真实验的开展费时费力且耗资巨大，内容无法灵活调整，在教学中的使用并不频繁，不能充分发挥虚拟现实技术的价值[1]。因此，文章提出以虚拟仿真3D动态模型辅助教学，使教学耗资减少、资源扩大，从而提高生物教学效率。

在传统高中生物课堂中，教师大多会使用PPT、图片、Flash动画等教具演示生物知识，但这些教具要么不具备生命特质，要么过于机械，不能清晰表达生物知识，也不能生动呈现生物的生命活动，导致学生对知识概念的认知比较“虚幻”。随着信息技术的飞速发展，虚拟仿真3D动态模型的构建成为可能，将其应用于生物教学中，能够生动呈现抽象复杂的课本知识，演示生物的生命现象，为教师教学提供便利。同时，通过观察生物模型，学生能够快速建立生命规律和生命现象的表征，透彻、全面地理解生物知识，进而获得生物核心素养的提升。

高中阶段，学生所要学习的生物知识涉及了微观及宏观两个层面，既有核心概念知识，又有动态生命现象与生理过程。尽管高中生已具备一定的认知基础与学习能力，但面对抽象复杂的生物知识时，学生仍会出现概念混淆、知识应用错误等情况。为促进学生对知识的有效理解，许多教师会借助问题、情境、案例等搭建支架模型，同步发展学生的问题解决能力。但支架模型本质上仍是静态模型，对生命活动现象及规律的演示不够生动，可建模的知识点也比较有限，在应用方面存在局限性[2]。此外，还有教师会以GIF动画模型演示生物知识，呈现生物动态生命现象，但GIF动画模型不够逼真，不仅播放时没有声音，整体画面也不够清晰鲜艳，不能生动再现真实的生命现象。

当前，社会各领域对虚拟现实VR、3dsMax技术的使用逐渐熟练，教育领域也不例外。虚拟现实VR实景是由计算机生成的三维环境，能够让人们感受贴近真实的情境。3dsMax技术则是以点、线表达物体形状，其数据结构简单，能够准确地表达知识点。在高中生物教学中，教师可融合虚拟现实VR、3dsMax，以及CG动画技术，将扁平的纸面知识转化为贴近实物的虚拟仿真3D动态模型，打造高中生物智慧课堂。由此，学生接触到的生物知识将是直观、具象、动态的，他们能更好地领略生物的宏观世界及微观生命活动形象，牢固掌握生物知識，形成生物科学的理性思维。具体实践中，教师需要认真学习科学的教学理念与先进技术，主动了解前沿信息，促成虚拟仿真3D动态与学科教学的有机融合，更新生物教学方式及教学文化，实现教学方式及学习方式的突破性改变。随着大数据、云计算、“互联网+”、人工智能等的飞速发展，教育资源设计与开发技术趋于成熟，再加上一线教师对虚拟仿真3D动态模型的积极应用，教育投资公司的专业研发人员将会开发更多的虚拟仿真3D动态模型资源，推动虚拟仿真3D动态模型在中学课堂中的普及，促进学科教学的创新发展。

一、在高中生物教学中应用虚拟仿真3D动态模型的策略

（一）将微观知识宏观化

人教版高一生物必修1《分子与细胞》中的知识内容属于微观知识领域，在教学这一册内容时，很多教师会让学生先自行阅读教材，再向学生展示亚显微结构图、概念图、思维导图、平面图、流程图等，辅助学生理解相关知识，构建起细胞概念模型；或是使用一些常见的生活物品制作模型，便于学生联想细胞的真实结构。此外，教师也会创设问题情境，让学生以小组合作形式探索相关知识。但情境、问题、图片等的引入并没有真实再现活细胞，学生对细胞生命的理解很大部分来自想象，可能与实际存在偏差[3]。虚拟仿真3D动态细胞模型的应用则为教与学提供了便利。

在实际教学中，教师可完整展示细胞模型各部分的微观结构，通过播放、暂停等功能调整讲解进度，便于学生理解吸收知识。同时，学生也可根据自己的学习情况，要求教师旋转细胞模型，或是具体讲解细胞的某一组成部分。通过运用虚拟仿真3D动态模型，原本肉眼难见的细胞被“宏观化”了，学生能够认识活细胞的真实模样，对细胞结构产生深刻的印象，既节省了讲解时间，又提高了教学效果。

（二）将宏观知识具象化

人教版高二生物选择性必修2《生物与环境》中“生态系统的组成”相关知识属于宏观知识领域，由于高中生的生活阅历及认知水平有限，空间想象能力也有待提高，在学习此类知识时难免会感到吃力。在传统高中生物课堂中，教师往往会调动学生的系统思维，引导学生立足整体视角，理解生态系统是由非生物因素及生物因素构成的统一整体，且非生物因素及生物因素相互影响、相互制约。实际上，这样教学仅能起到思维锻炼的效果，学生对宏观生态系统的组成关系并未形成深刻认知，也难以理解其中复杂的因果关系[4]。

鉴于此，教师可制作呈现森林生态系统的虚拟仿真3D动态模型，先从整体出发，引导学生认识森林生态系统中的各个组分，包括空气、阳光、水、动物、植物等。教师再逐一点播模型中的组分，介绍该组分在森林生态系统中的地位及作用。比如：阳光、空气、水属于非生物因素；植物可进行光合作用，为自身及动物提供能量；动物通过直接或间接的形式从植物中获取能量；微生物能够分解动植物的残体。

通过展示虚拟仿真3D动态模型，学生仿佛置身于森林生态系统中，详细了解到动植物及微生物的生活状态，理解食物网之间的关系，进而领悟到自己也是生态系统中的一员，即消费者，对生态系统知识形成深刻的印象。

（三）将抽象知识形象化

人教版高一生物必修2《遗传与进化》包含了遗传的细胞基础、基本规律与生物的变异和进化等内容，很多知识点都十分抽象，如基因分离定律、基因自由组合定律等，不仅学生学起来吃力，教师也很难将知识点解析得清楚明白。

例如：在教学“DNA复制”相关内容时，教师很难用通俗易懂的语言进行讲解，往往会让学生使用一些简单材料制作DNA的物理模型，指导学生根据模型理解“解旋”“聚合”时的形态变化，联想游离脱氧核苷酸的碱基互补配对过程，这样的教学方式很难让学生准确掌握“DNA复制”的动态过程。

鉴于此，教师应引入虚拟仿真3D动态模型，生动演示DNA复制的过程，并借助暂停功能展现不同时刻DNA的形态、酶的种类，进行详细的讲解，让抽象知识形象化、直观化，在辅助学生理解知识的同时发展其生物核心素养。

（四）将生理过程动态化

人教版高二生物选择性必修1《稳态与调节》一册教材包含了许多生理过程知识。以“血糖调节”教学为例，在以往，教师主要会通过两大途径传授这一知识：

第一，指导学生绘制血糖调节机制概念图，让学生记忆这些图示；

第二，创设贴近学生生活的情境，让学生理解胰岛A细胞分泌胰高血糖素到内环境中，血糖浓度升高，胰岛B细胞分泌胰岛素到内环境中，血糖浓度降低。

这样并不能让学生有效理解“血糖调节”相关知识，学生脑中储存的大多是一些僵化的符号，在实际运用时会暴露出很多问题。

为此，教师可制作虚拟仿真3D动态“血糖调节”模型，并配合学生熟悉的生活情境，展示人在喝可乐后身体的血糖变化过程。当人体吸收可乐后，血液中的血糖浓度明显升高，此时人会感觉到自己精力充沛；接着，胰岛B细胞开始分泌胰島素，在胰岛素的作用下，机体细胞将过高的葡萄糖转化为糖原，储存在肌肉及肝脏中，于是血液中的血糖浓度恢复到正常水平；假如人喝可乐后再也没有进食，在吸收可乐三小时之后，其血液中的血糖浓度必然会降低，此时人会感觉到疲劳、饥饿；最后，胰岛A细胞分泌胰高血糖素到内环境中，血糖浓度逐渐升高到正常水平。

通过在真实的情境中运用虚拟仿真3D动态模型，能够将学生带入学习状态，让学生深刻理解知识内容，并了解知识的运用方法，有助于学生知识运用及迁移能力的提高。

二、在高中生物教学中应用虚拟仿真3D动态模型的实例

在高中生物学课程体系中，《细胞的基本结构》这一章节知识属于重点及难点部分。在本章节的学习中，学生需要理解细胞“系统”的结构与功能，建立结构与功能观。“细胞核的结构和功能”则是本章节的重点内容，为让学生了解细胞“系统”控制中心的结构与功能，教师可在教学中运用虚拟仿真3D动态模型，将微观知识宏观化，让学生轻松掌握关键知识，建立其“结构与功能相统一”的观念。

（一）创设教学情境，自然导入新课

导入环节是课堂教学的起始环节，对整体教学效果有着直接性的影响。在此环节中，教师应重点激发学生的学习兴趣，引发其学习动机。本课教学中，教师可在导入环节展示“克隆牛康康”的虚拟仿真3D动态模型，并提出相应的问题：克隆牛的性状为什么与母牛几乎一致？教师再给予学生一定的观察、思考、讨论的时间，让学生对新知识产生探索欲望。

（二）展示多种模型，布置小组任务

进入正式授课环节，教师可将学生划分为学习小组，展示多种与教学内容相关的虚拟仿真3D动态模型，结合提问引发学生的思考，让学生借助小组讨论得出正确的结论[5]。

首先，教师展示美西螈核移植实验的虚拟仿真3D动态模型，提出问题：美西螈的皮肤颜色与表皮细胞内黑色素的合成有何关系？这一合成过程是由细胞核还是细胞质控制的？经过小组讨论，学生得出美西螈的肤色主要受细胞核控制。教师再以虚拟仿真3D动态模型展示蝾螈受精卵横溢实验，提出问题：细胞核与细胞的分化、分裂有何关系？经过小组讨论，学生得出细胞的分化与分裂受到了细胞核的控制。

然后，教师使用虚拟仿真3D动态模型生动呈现变形虫去核及核移植实验，提出问题：根据实验结果，你能得出什么结论？经过小组讨论，学生得出变形虫的生命活动主要受细胞核控制。

最后，教师展示伞藻的核移植实验的虚拟仿真动态模型，提出问题：伞藻的形态结构特点受细胞质还是细胞核影响？经过小组讨论，学生得出细胞核决定了伞藻的形态结构特点。

通过展示虚拟仿真3D动态模型并组织小组合作学习，学生能够逐一解决问题，获得问题解决能力的提高。同时，在问题引导下，学生逐渐掌握了科学探究的正确方法，形成一定的科学探究能力。

（三）归纳讨论结果，掌握概念知识

经过合作探究，学生对细胞核的功能已形成一定认知，教师应引导学生再次分析四个实验的结论，以简洁的语言总结细胞核的功能。经过归纳总结，学生普遍认同“细胞核是细胞代谢和遗传的控制中心”这一结论。在此环节中，通过对比分析实验结论，学生能够掌握课程核心概念，其归纳总结能力也会得到增强。

（四）合理设置问题，推进教学流程

在学生理解细胞核的功能之后，教师应继续推进教学流程，以提问引导学生探究细胞核的结构，突出“结构与功能”这一教学主线，强化学生对课程知识的理解，培养其生命观念。比如：教师可这样提问：“同学们，我们都知道结构与功能是相适应的，细胞核在行使功能时，是怎样的结构基础在支持它呢？”问题提出后，教师可让学生自由讨论，以类比推理的方法得出细胞核的结构特点[6]。

（五）自主学习交流，形成一定认知

学生讨论完毕后，教师应为学生提供自主学习的机会，指导学生以教材为依托，借助小组合作交流画出细胞核的结构，标出各部分的名称。并组织学生讨论结构图中是否存在问题，得出正确的细胞核空间结构。在此过程中，学生的合作能力及自主学习能力都会获得提高。

（六）直观展示模型，详细了解结构

经过自主学习，学生对细胞核的结构已形成一定的认知。教师可运用虚拟仿真3D动态模型直观展示细胞核的结构，了解核膜、核仁、染色质、核孔等部分的功能，指导学生对比自己画的结构图与虚拟仿真3D动态模型，分析结构图是否存在不足之处，及时发现错误并纠正错误，深化学生的认知。虚拟仿真3D动态模型的展示让细胞核的结构“一目了然”，既降低了学习难度，又激发了学生的学习兴趣。

（七）展示相关模型，突破学习难点

本课的教学难点为染色体与DNA、染色质的关系。为突破教学难点，帮助学生理解概念内涵，教师可展示染色体及染色质在细胞分裂不同时期的虚拟仿真3D动态模型，让学生结合模型思考染色体与DNA的关系、染色质和染色体的关系。在教师指导下，学生很快得出“遗传信息→DNA→染色质（染色体）→细胞核→遗传信息库”的结论。在此环节中，学生分析比较了不同的概念，在虚拟仿真3D动态模型的辅助下理解了概念的内涵与差异，顺利掌握了学习难点。

（八）及时总结分析，布置小组任务

完成课堂教学之后，教师应及时进行总结，引导学生回顾细胞核的功能与结构知识点，并立足于生命的物质观、系统观视角展开分析，让学生对“结构与功能相统一”的生命观念形成认同感。接着，教师再次展示细胞核的虚拟仿真3D动态模型，讲解该模型的建构方法、流程及原理，并布置“制作细胞核的虚拟仿真3D动态模型”的小组合作任务，让学生在动手操作的过程中进一步理解细胞核的结构，认识并学会制作虚拟仿真3D动态模型，提高学生实践能力[7]。

（九）展示交流成果，增强学习自信

在课后，学生主动查阅资料，了解虚拟仿真3D动态模型的制作方法，借助钉钉、微信等平台向教师寻求帮助，经过小组分工合作设计出细胞核的虚拟仿真3D动态模型。为提高学生实践探究的积极性，教师应设置成果交流与展示环节，让各小组展示制作的细胞核虚拟仿真3D动态模型，以教师精准点评、小组互评的形式指出各组模型的优点与不足，在完善学生认知的同时增强其学习自信。

三、在高中生物教学中应用虚拟仿真3D动态模型的思考

（一）利用模型进行导入能够激发学生的学习兴趣

细胞是一个动态的生命系统，在讲解“细胞核的功能与结构”时，若教师仅出示一些静态图片，则无法有效解析动态知识，学生只能从某一角度观察、理解细胞核的结构，难以形成完整的认知。在信息技术的支持下，教师以虚拟仿真3D动态模型进行导入，能够带给学生良好的视觉体验，不仅能够吸引学生的注意力，还能激起学生对细胞核功能与结构的学习兴趣。

（二）利用模型讲解知识点有助于学生的吸收理解

在本课教学中，以虚拟仿真3D动态模型生动展示了四组实验，为学生观察实验过程提供了便利，经过合作讨论，学生对细胞核的功能形成了一定认识。在展示细胞核的虚拟仿真3D动态模型时，学生可根据自身理解情况让教师点选核膜、核仁等部分，详细讲解该部分的功能，对细胞核形成更加全面的认识。在课堂小结环节，教师再次展示细胞核的虚拟仿真3D动态模型，能够让学生从生命的物质观、系统观角度深刻理解相关概念。

（三）利用模型进行科学探究能促成学生素养发展

科学探究是生物核心素养的重要维度之一，培养学生的科学探究能力是高中生物教学的主要任务。笔者认为，科学探究能力指的是学生在提出疑问、合理猜想、设计实验、操作实验、总结归纳等过程中表现出的能力。

同时，科学探究活动的开展也需要教师的合理指导，一般情况下，教师会为学生提供相关的参考资料，包括文字资料与图片资料。信息技术支持下，教师可为学生提供虚拟仿真3D动态模型，呈现完整的实验过程及结果，传递大量的信息。这样不仅能刺激学生的多重感官，引发学生的实验探究兴趣，也能为学生的科学探究提供指导与依据，使其高效完成探究任务，获得素养及能力的发展。

结束语

当前，虚拟仿真3D动态模型与高中生物教学结合的案例并不多见，相关研究尚处于起步阶段。对高中生物教师来说，灵活应用虚拟仿真3D动态模型存在较高难度。

一方面，教师需要学习虚拟仿真技术，还要对课程体系、教学环境以及教学模式做出调整优化，使其与虚拟仿真技术相适应，而网络上可直接利用的模型资源较少，可参考的成功教学案例也不多，需要教师认真钻研技术，开发虚拟仿真3D动态模型资源。

另一方面，在实际生物教学中，如何实现虚拟仿真3D动态模型与生物知识的紧密结合、何时引入虚拟仿真3D动态模型等问题都是需要教师在实践中深入探究的。

从本质上看，应用虚拟现实教育技术并不是简单增加生物教学工具，而是实现生物教学方式及教学文化的变革。只有教师积极运用虚拟仿真3D動态模型，在实践中总结经验与方法，才能推动生物教学方式及学生学习方式的升级，促成学生生物核心素养的提升。

参考文献

[1]李亚琳，李丹.虚拟仿真技术在生物实验教学中的应用[J].大众科技，2022，24（10）：152-155.

[2]陈凯华.导学案与虚拟实验结合在高中生物实验教学中的实践研究[D].郑州：河南大学，2022.

[3]史影，王伟伟，周耐明，等.生物化学综合性虚拟仿真实验建设与教学探索[J].实验室研究与探索，2022，41（4）：154-158.

[4]邓可.基于虚拟仿真实验及测评的混合式教学实践：以“中学生物实验教学研究”为例[J].教育教学论坛，2022（7）：145-148.

[5]李臣亮，孟令军，汤海峰，等.当生物实验教学遇上虚拟仿真技术[J].实验室科学，2021，24（4）：141-144.

[6]谢辉，张慧姝，张丽秋，等.生物技术实验在线教学实践与反思[J].卫生职业教育，2021，39（12）：118-120.

[7]宿永倩，王慧春，杨疆英.将虚拟仿真实验辅助于高中生物实验教学[J].中国新通信，2021，23（8）：243-244.