运用虚拟仿真实验 开展高中生物深度教学——以福州格致中学信息化环境下的生物实验教学实践为例

陈 霞

(福州格致中学，福建 福州 350001)

实验教学是生物学课程的特点，也是生物学教学的基本形式之一[1]。《普通高中生物学课程标准(2017年版)》明确提出要加强和改善生物学实验教学，鼓励学生参与实验设计[2]。但是受到中学实验室设备、实验周期、实验安全等条件的限制，不少教材涉及的复杂实验无法深入开展。高中生物实验教学中融合虚拟仿真实验技术，构建合理的混合式实验教学模式，不仅可以补充完善传统生物实验教学存在的不足之处，更能为师生提供智慧资源，开展多种形式的主动学习和个性化学习，充分提高教学效果，从而全面培养学生的科学思维和实践能力。

一、虚拟仿真实验教学的环境构建

虚拟仿真实验教学系统集合了计算机仿真技术、互联网技术、3D可视化技术、虚拟仿真动画技术、人工智能等技术优势，学习者可以借助视觉、听觉及触觉等多类型传感器与虚拟实验情境进行交互，直接观察实验数据和实验结果[3]。福州格致中学虚拟仿真实验教室配制了高性能计算机系统、VR设备，软件平台主要借助中央电化教育馆中小学虚拟实验系统、国家智慧教育平台虚拟实验空间及乐步NOBOOK虚拟实验平台，实施高中生物学科虚拟仿真实验教学。

二、虚拟仿真实验教学获得促进深度学习的理论支持

生物实验教学是培养生物学学科核心素养的重要支撑，完成具有综合性和复杂性的实验任务是落实高中生物学核心素养目标的重要载体。虚拟仿真技术能够发挥其数字化导航、多媒体观测、智能化分析等优势，将学生置身于解决真实问题的情境中，驱动学习者的学习动机和学习参与度，促进生物学知识和技能的建构与内化。虚拟实验立足真实情境创设核心任务，容易激发学生学习兴趣。虚拟实验往往任务比较综合，相对复杂，教师在教学过程中搭好脚手架，借助系统提供相应反馈和评价的工具，强化实验的设计和执行能力，同时提高复杂实验的规范性和安全性。通过智能引擎引导学生进行实验设计和实验方案的调整，学生在虚拟实验操作中既充满挑战又能做敢做，充分激发学习动机，推动学习不断走向深入。

深度学习是一种注重知识和方法的整合、 建构、 批判和迁移的有意义的学习方式，强调学习的主动性和行为情感的高投入。深度学习理论认为，知识和技能的掌握都离不开实际情境，丰富的学习环境是深度学习的必备条件。深度学习过程是学习者在原有知识体系基础上，理解加工新情境中的相关信息，建构情境化的知识体系，进而在新情境中解决实际问题[4]。基于以上分析，笔者认为深度学习理论、生物学科核心素养培育与虚拟实验教学的目标和理念具有高度一致，如何使用虚拟实验教学提升生物学科核心素养，走向“深度学习”是一项有意义的研究课题。

三、 虚拟仿真实验在高中生物教学中的应用

(一)虚拟仿真，增强生物理论教学纵深度

虚拟仿真实验可以帮助学生将实验过程和生物学理论可视化，促进学生在实际操作的实验室中建立理论和实践之间的联系。例如，高中生物选修3第三章《动物细胞工程》单元教学中，单克隆抗体制备技术是动物细胞工程的一项重要应用，也是单元教学的重难点，但单克隆抗体制备存在实验要求高、操作复杂、实验周期长、同时涉及动物解剖和瘤性细胞株等不确定因素，实验成功率和重复率较低等问题，导致在中学实验室基本没有条件实施该实验。传统授课中教师多以视频或者图片演示为主，无法满足让学生独立操作完成整个实验过程。建立动物细胞培养虚拟仿真项目是实现高中课程开设细胞生物学实验切实可行的方案和路径，也是教学首选通过虚拟仿真技术进行生物学实验教学信息化改革的尝试。国家智慧教育平台中该虚拟实验内容包含资源、示训、实训和测评四大模块，教师可以通过一系列具有启发性和引导作用的问题设置，将“单克隆抗体制备”理论结合虚拟仿真情境，促进学生主动学习实验操作，思考实验原理，可视实验现象。例如，经选择培养的杂交瘤细胞进行克隆化培养和抗体阳性检测这一实验环节是学生理解单克隆抗体概念的关键点之一，这时教师可以进入国家智慧教育平台虚拟实验室通过问题设置、实验演示、实验现象观察、结果分析，让学生理解单克隆抗体的本质和特点。虚拟实验在克隆化培养环节的融合教学设计如下：

问题设置：经HAT培养基选择培养的杂交瘤细胞有多种类型，如何从中筛选出能产生特定抗体的杂交瘤细胞？

虚拟实验演示及现象观察：如表1

表1 96孔细胞培养板点样培养及抗体检测过程

结果分析：未稀释的反应孔中往往含有多种B杂交瘤细胞，不能用于下一步的克隆化培养。“有限稀释法”处理的培养液加样，保证每孔细胞不超过一个，经过培养再取上清液进行抗体阳性检测挑出阳性孔。

教师追问：如何确保阳性孔中只有一种杂交瘤细胞而没有混入其他细胞？

学生讨论回答：需要进行多次稀释培养和抗体阳性检测。

教师模拟操作，观察验证。

通过虚拟实验演示操作与理论授课相融合，学生对杂交瘤技术制备单克隆抗体技术深入学习，促进形成完整的技术流程建构和概念本质的理解，将动物细胞工程理论联系实验操作实际，促进学生工程思维和技术思维向纵深发展。

(二)虚实融合，拓展传统实验的时空限制

将虚拟仿真技术和生物实验教学相结合，是虚拟仿真实验教学最重要的教学应用场景，虚实结合能够有效拓展传统生物学实验的时空限定。通过虚拟仿真实验实现虚实兼并，提高学生将生物学理论联系生产生活实际、综合运用各学科知识解决具体复杂应用问题的能力。

例如，在高中生物选择性必修3第一章《传统发酵技术的应用》一节，课程标准要求尝试制作果酒、果醋等传统食品，并通过对比传统发酵和工业大规模发酵生产的区别和联系，认同与传承我国优秀传统文化。在传统教学中一般只能做到创设条件让学生在生物实验室完成酵母菌的接种和果酒、果醋的发酵初期的操作和观察，而对于传统酿造工艺和规模化工业酿制技术只能纸上谈兵。应用虚拟仿真实验资源，学生可以在真实情境中体验传统与工业酿制的全过程，国家智慧平台中虚拟实验资源将山西老陈醋蒸、酵、重、淋、陈五大工艺的内容，形成程序控制的软件系统，在计算机上开展虚拟仿真教学[5]。借助计算机及VR设备，学生以沉浸式的交互模式，体验原料预处理、拌曲、酒精发酵、醋酸发酵、翻醋、淋醋等详细工序，并能直观地看到各种条件下的运行状态。此外，在传统果酒、果醋酿制操作基础上，学生可以进入虚拟实验系统，一是通过VR设备360度观察发酵罐的每个部件结构和功能，教师可以布置任务：如何利用发酵罐装置实现连续培养？学生操作观察后可以得出结论，对连续培养建立实践经验。二是学生借助虚拟实验系统对发酵过程的搅拌速度、通气量、PH、温度等指标进行反复设置，观察不同操作对溶解氧产生的影响，调节过程不必担心因为操作失误而带来的潜在危险，启发学生进行自主式、探究式学习。三是通过3D模拟山西老陈醋传统酿造工艺中的“夏晒冬捞冰”的过程，促进学生对我国传统食品工艺的深刻认识。通过对我国传统发酵工艺的深入实践学习，提升学生对中华民族传统文化的认知，增强文化自信。

(三)情境模拟，还原生物科学史探索历程

生物科学史能够让学生沿着科学家探索生命规律的历程，理解生物学研究思路和方法，建构生物学概念，学习科学精神，对于提高学生的生物学学科核心素养有着重要意义[6]。然而，受到实验仪器设备复杂、实验周期长、实验安全等因素的限制，科学史的实际教学往往局限在理论层面，难以充分发挥科学史的育人价值。虚拟实验系统能够通过多感官通道的情境模拟、人机交互、3D图像等技术高度还原科学史的实验情景，让学生在科学史的演绎操作中观察发现、提出问题、实验设计、发现规律，从而体验科学思维，理解概念内涵，提升创新实践能力。

例如，在高中生物必修2“孟德尔遗传规律的发现”教学中借助中央电教馆虚拟实验系统，通过豌豆实验的演示操作、提出观点、设计实验、实验检验、抽象概括、总结评价等教学环节，让学生在“实践—认知”的不断推进中体验孟德尔探索遗传规律的历程。在虚拟环境中，学生可以置身于孟德尔的后花园进行豌豆人工杂交的实践操作，激发学生对遗传规律的深层思考。以沉浸式虚拟实验体验豌豆测交实验设计和实施：首先在虚拟系统中通过VR技术进行人工杂交获得F1植株豌豆，接着可以进行不同类型测交亲本的选择，经过计算机模拟可以观察不同测交组合的子代性状分离及其比例。通过思维冲突的设置以“头脑风暴”的方式，提出自己的观点，并用相应的证据进行论证：测交亲本选择隐性纯合子，其产生的配子与F1的配子结合，能够通过测交子代显隐性性状分离的比例推出F1配子的类型及比例，从而验证遗传分离定律。通过实验、演绎推理和验证，学生能够置身于历史情境中，化身为科学家研讨实验方案，操作实践，获得直接的经验和认识，从而深化对生命规律各个层面的理解，提高科学思维和科学探究能力。

(四)智慧引擎，辅助实验教学多元评价

及时、客观且多维度的评价体系是虚拟实验深度教学的关键环节。虚拟实验系统设计了AI智能助教，基于数据技术的智慧引擎能够实现虚拟实验的过程性评价和结果性评价，克服了传统实验教学以实验报告为依据的单一评价方式。虚拟实验系统能够采集过程性数据，实施持续性的过程评价。对于学生，通过系统即时的评价反馈能够有效引导学生进行实验过程的规范的自我监控，提高实验操作的精准度，同时围绕实验学习目标搭建“脚手架”，支持学生进行具体情境的问题解决和问题反思，从而实现深度学习。对于教师，基于数据的持续性评价可以让教师及时掌握学生的学习进度，对虚拟实验设计和操作的薄弱环节及时提供帮助和指导。通过线上线下的综合指标能够更全面地关注到学生的学习思维、学习态度和技能方法的掌握情况，持续性的过程评价有效助推了虚拟实验深度教学。

此外，在减数分裂观察实验教学中，通过虚拟实验系统先进行实验目标、原理、器材、步骤的演示和讲解，让学生通过直观的视频学习，对减数分裂的实验知识和操作规范进行学习。接着，学生分组进行虚拟实验操作练习，虚拟系统在生物材料的选择、装片制作、显微镜调节等实验操作步骤进行实时在线评价反馈，对错误的操作会说明原因，有利于操作者及时反思和修正。传统的实体实验往往受到学生实验技术的限制和实验室条件的限制，很难观察到染色体行为特征，存在难操作、难展现、难成功的问题。而虚拟实验条件下在实验现象观察时，可以在视野范围呈现不同时期染色体行为特点，教师通过互动提问驱动学生通过染色体行为特征观察，判断细胞处于减数分裂的哪一个时期，通过计算机系统收集数据，汇总并描线展示减数分裂染色体变化规律，进一步理解减数分裂的概念和意义。通过实验过程的实时评价，学生对实验操作内容和实验步骤有了清晰的认识，实验的现象的图文反馈，有利于学生建构减数分裂的物理模型和概念模型。通过实验的过程性考核与总结性考核相结合，系统考核与教师考核相结合，实施多环节多维度的评价，为实验内容的设置、教学方式的改进及教学手段的完善提供理论依据。