浅析虚拟仿真实验在中学生物教学中的应用

摘"要：2022年教育部提出要开展“教育数字化战略行动”，为此我国推行虚拟实验教学平台。现行高中生物实验教学存在教学课时不足、理论教学与实验教学脱节、实验资源设备不足等问题，而虚拟实验可在一定程度上解决此类问题。为了能将虚拟仿真实验技术更好地应用于高中生物实验教学，本文采用文献综述法，分析了中学生物学实验教学的现状，着重探讨了虚拟仿真实验技术在中学生物学实验教学中的应用，为中学生物学实验教学改革提供一些参考和启示。

关键词：生物学实验；虚拟仿真技术；实践教学

2019年印发的《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》中强调要充分利用信息技术手段开展实验教学，落实学科教学专业实验配置建设［1］。2022年，《教育部基础教育司2022年工作要点》指出，要大力实施基础教育数字化战略行动。针对实验数字化教学，《普通高中生物学课程标准（2017年版2022年修订）》提出“教学过程重实践”全新理念，建议教师充分利用信息技术，培养学生的科学思维并引导学生学会科学探究的思路和方法［2］。2023年，《教育部等十八部门关于加强新时代中小学科学教育工作的意见》指出，各地需积极探索利用虚拟技术等手段改进实验教学［3］。

1"中学生物学实验所面临的问题

实验教学通常需要较长的时间来完成。中学生物学课程的课时数、实验室设施和设备的数量无法满足预期和所有学生同时进行实验的需求［4］。而教学理论及实验内容与课程内容匹配重点不突出［5］，教师只简单在传统课堂上讲授实验操作过程，并未做针对性教学设计［6］，课堂演示实验环节也不能体现实验的规范性操作［7］，且理论教学与实验操作相分离，学生无法直观看到真实实验现象并将理论与实践结论相结合［8］。

实验教学中教师没有充分重视实验教学与理论知识有效结合，利用先行组织者概念促进学生对课程内容的迁移和应用［9］。教师未及时指导导致学生在实验中无法将所学的理论知识应用到实际操作中或者在实验后无法将实验结果与科学理论进行有效的整合［10］。且实验教学中教师往往采用单一的教学方法，如语言讲解、观看视频、演示实验等，缺乏引导学生主动思考和探索的环节，影响了学生对理论内容的迁移和应用能力的培养［11］。学生在学习实验过程中可能仅仅关注实验操作本身而忽视了对实验现象和结果的深入分析和思考，无法将实验所涉及的知识迁移到其他情境中［12］。

虚拟实验教学操作系统也存在一些不足之处，该操作系统只能向使用者提供既定的实验参数，且无法完全模拟真实环境中的各种因素。学校网络连接不稳定或设备性能不足会导致实验过程中断或卡顿也将影响教学效果［13］，且虚拟实验教学操作系统主要侧重于理论知识的学习和实验操作的模拟，无法完全替代实际操作技能的培养。学生可能在虚拟环境中能够顺利完成实验，但在实际操作中可能会遇到困难［14］。

2"虚拟仿真实验教学的实际应用

2.1"学校课程与虚拟仿真实验教学优质结合

虚拟仿真实验是针对科学（science）、技术（technology）、工程（engineering）、数学（mathematics）（简称STEM）教育开发的实验教学资源。随着信息技术的不断发展，虚拟仿真实验教学课程的发展为学校课程安排带来了许多创新点。教师可以利用虚拟仿真实验教学资源，将高要求相关的部分操作转化为生动直观的虚拟实验操作，取长补短，以追求教学效果最优化［15］。实验教学过程中，学生可以通过虚拟实验平台进行教材实验操作，结合虚拟操作系统构建理论框架，以线上线下配合的方式将基础生命观念与实践研究结合，落实“教学过程重实践”的基本理念，大力培养学生科学思维与科学探究能力［16］。理论课程与虚拟仿真实验课程综合运用可向学生提供一个沉浸式操作环境，学生可在虚拟实验中观察实验过程和现象变化，进而分析总结实验结论，再结合理论知识基础，对所学内容形成较为完整的认知图式［17］。

2.2"教师对于虚拟仿真实验教学的扎实推进

教师是实验教学改进的主导者和实践者，在实验讲解部分可利用虚拟仿真实验资源，给学生提供更加直观的学习方式，理论与实验操作同时教学，促进学生进行理论迁移［18］。教师可用虚拟实验替代传统实验中危险性较大的操作，以应对实验进程中各种安全问题；在进行教学设计时可用虚拟实验替代传统教学的演示、图片、视频音频等，以此来吸引学生兴趣并提出相关问题来推进课程进程。同时，教师根据实际情况给予学生一定的资源帮助，鼓励学生自主学习，积极探索［19］。随着虚拟仿真实验技术的不断发展，生物学领域的新技术、新方法不断涌现，教师应通过改进生物学实验教学课程帮助学生了解并接触这些新技术、新方法，通过对模拟实验的设计促进学生逻辑推理能力和科学思维的发展［20］。

2.3"技术对于虚拟仿真实验教学的创新提升

当今对实践能力和创新能力的重视在逐渐加强，虚拟仿真实验教学提供了互动式的学习体验，能够更好地培养学生的实践能力和创新精神［21］。通过网络实现教育资源的共享，最大限度地解决地域和时间的限制，使更多的学生能够受益于优质的教育资源，为那些缺乏实验条件的学校提供更多的实验机会。

虚拟现实、人工智能和增强现实技术的不断发展为虚拟仿真实验教学提供了技术支持，推动了教学方法和手段的创新，学生可以在更加优质的环境下进行重复实验，加深对生物科学大概念的理解和掌握。此类技术在科研和工业等领域已经取得了显著的成果，为实验提供了高度的沉浸感和交互性［22］。人工智能技术及增强现实技术的应用也使虚拟仿真实验更加智能化、实验设计和分析过程将自动化，教师根据实验目标和条件自动生成最优的实验方案，并提供实时的实验数据分析和反馈［23］。

随着互联网技术的发展，虚拟仿真实验将能够支持翻转课堂模式在线实验教学。学生和研究人员可以通过网络参与实验，共享实验资源，促进全球范围内的合作和交流。虚拟仿真实验技术与实验教学进一步融合，通过与实验设备和环境的连接，可以更好地模拟真实实验条件，提供更加真实的实验体验［24］。对于实用性很强的内容教学，虚拟实验能提供一定的模拟实践环境，在实践中反馈实践知识，落实“教学过程重实践”理论，促进学生科学思维发展。

3"中学虚拟仿真实验课程的设计

实验课教学设计是教师教学设计的一大重要内容。以人教版高中生物必修一中《绿叶中色素的提取与分离》一节为例，教师可在实验教学各个环节将虚拟实验与教学结合。

课前准备阶段，教师可在虚拟仿真实验平台上预演剪碎叶片、称量药品以及加样等实验操作，详细记录每一操作步骤的既存问题和注意事项，预设课堂上会出现的突发状况并做出相应的应对方案。

课堂实操阶段，教师在进行实验目的、实验原理以及实验试剂用具讲解时可根据中央电化教育馆虚拟平台提供的3D操作动画所展示的内容进行讲解。由于演示实验可视性和现象表现等因素的影响，教师可采用虚拟实验平台进行提取色素操作教学，依托虚拟实验平台，针对本实验“提取绿叶色素—制备滤纸条—画滤液细线—分离色素—观察记录—表达交流”环节逐步设计教学活动。教师亦可根据虚拟实验平台拓展延伸，探究质量不同碳酸钙下光合色素的分解情况等，或针对平台操作与实拍视频中所提的注意事项与操作要点布置开放性作业，再结合学生的兴趣进行个性化教学，间接帮助学生养成自主学习习惯。

图1"提取叶绿素

图2"制备滤纸条

图3"画滤液细线

图4"分离色素

图5"结果观察

图6"拓展延伸

课堂总结阶段，教师可在演示实验结束后设计评估与反馈机制，组织学生反馈实验问题，对滤液细线划线方法、层析装置设置等实验操作进行改进，以达到实验效果最优化，为学生的学习和发展提供有力支持。

结语

虚拟仿真实验技术的应用有助于学生更好地学习和理解生物学核心大概念，为他们未来的学习和职业发展打下坚实的基础，是适应社会发展需求和促进教师专业发展的必然要求。学校和教师应该积极探索和实践，不断改进生物学实验教学课程安排及课程设计，帮助学生提高实验操作的准确性和效率，落实“教学过程重实践”课程理念，同时促进教学评价多元发展，帮助学生认识自我、建立自信，改进学习方式，促进生物学学科核心素养的形成。

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基金项目：国家自然科学基金资助项目（No.318711"50）；吉林省科技发展计划项目（No.YDZJ202201ZYTS457、No.YDZJ202201ZYTS433、No.20220101322JC）

作者简介：贾雨竹（2001—"），女，汉族，吉林长春人，硕士研究生在读，研究方向：学科教学（生物）；杨一（1989—"）男，汉族，吉林磐石人，博士，实验师，主要从事动物生理学研究；邓祎婕（1992—"），女，汉族，内蒙古赤峰人，博士，讲师，研究方向：生物化学与分子生物学；谷博（1986—"），女，汉族，吉林长春人，博士，讲师，主要从事畜禽重要性状遗传规律与种质资源创新研究。

*通信作者：王仁俊（1979—"），男，吉林通化人，汉族，博士，教授，主要从事动物生理学研究及生物学学科教学。