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摘要 : 虚拟仿真即利用 一种系统模仿另 一种真实系统的科学技术 。该技术问世以来 , 便 在航空 、 军事 、 医疗 、教育等各领域得到普及应用 。在高中生物实验教学中应用虚拟仿 真技术 , 不仅突破传统生物实验耗费时间长 、互动效果差 、材料获取难的瓶颈 , 也给学 生创设了直观 、清晰 、生动 、逼真的实验情境 , 进而使生物知识学习更加轻松 、更加愉 悦 。在实践中 , 教师可以采取虚实结合的方法 , 吸引学生注意力 , 引发学生情感共鸣 , 使学生对生物课程产生更加浓厚兴趣 。
高中生物是一 门以实验为主的自然科学 。通过 实验演示 , 学生能够快速了解 自然界生物的形 态 、 结构以及生命发生 、发展过程 。但在高中生物教材 中 , 一些实验项目需要较长实验周期才能获取实验 结论 , 如果采取传统实验模式 , 学生无法确定最终 实验结果 , 以至于学生对一些重要生物知识点往往 处于模糊认知状态 。而虚拟仿真实验则融合了虚拟 现实 、多媒体 、人机交互 、 网络通信等技术 , 并且 突破了空间与时间限制 , 为学生提供一个完整而清 晰的实验场景 。运用虚拟仿真技术开展生物实验教 学 , 既丰富了生物实验内容 , 也拓展了学生知识视 野 , 对生物学科素养养成将起到积极促进作用 。
一 、灌输实验原理 , 虚拟实验流程
在高中生物教材中 , 出现了 大 量 的 实 验 项 目 , 有的耗时长 , 实验流程复杂 , 有的前期准备工作烦 琐 , 实验材料获取难度较大 , 这就给实验教学活动 的顺利展开制造了障碍 。 为了有效解决这 一 问 题 , 在实验教学课堂 , 可以利用虚拟仿真系统 , 将此类 实验转化成为虚拟实验场景 , 使学生对整个实验流 程产生深刻印象 。在模拟仿真实验前 , 教师首先需要向学生灌输实验原理 , 让学生对该实验器材 、实 验方法 、实验步骤 、实验现象产生初步认知 , 然后 直接进入虚拟仿真实验流程 。这种方法 , 可省略大 量的实验前的 准 备 时 间 , 包 括 实 验 器 材 的 制 作 过 程 、实验内容的演示过程 , 均可以清晰展现在学生 面前 。 因此 , 利用虚拟仿真技术模拟出来的实验情 境 , 更容易吸引学生注意力 , 相比于传统实验教学 模式 , 效果则更加明显 。
以“植物细胞的有丝分裂”实验为例 , 该实验需 要准备的器材 、工具主要 包 括 洋 葱 、 15%的 盐 酸 、 95%的酒精 、1%的龙胆紫溶液 、显微镜 、载玻片 、 盖玻片 、培养皿等 。需要注意的是 , 在培养洋葱根 尖时 , 至少需要 3~ 4 天 , 并且 , 洋葱 根 尖 的 最 佳 分裂期一般在每天的 10 时至 14 时 , 如果错过了这 一 时间段 , 那么实验效果也将大打折扣 。 因此 , 为 了使学生能够清晰观察到有丝分裂的实验现象 , 可 以借助虚拟仿真系统 , 对整个实验过程进行 演 示 。 这样一来 , 既省去了洋葱根尖的培养时间 , 也可以 在洋葱根尖的分裂旺盛期进行实验 , 这对增强实验 效果将起到关键性作用 。在洋葱实验装片制作完毕 后 , 可以分别用低倍镜与高倍镜观察分生区细胞的排布特点 。在学生观察过程中 , 教师操作虚拟仿真 系统 , 使洋葱根尖装片进行小幅度移动 。这样 , 学 生能够观察和记录每一个时期的细胞分裂情况 。
利用虚拟仿真技术实现生物实验方法 , 对学生 能够产生以下帮助 : 第一 , 获取实验现象与实验原 理变得更加轻松 。相比于真实的实验演示方法 , 虚 拟仿真实验所展现出来的实验情境更加引人入胜 , 并且每一个实验流程与步骤也更加细化 , 如果学生 对某一个实验步骤有所质疑 , 教师可以随时利用虚 拟仿真系统的暂停功能 , 将某一个时间节点的实验 画面进行定格处理 。在这种情况下 , 学生可以更加 细致地探索和剖析每一个实验步骤 。第二 , 不受材 料 、空间 、时间 影 响 , 实 验 演 示 过 程 可 以 随 时 开 始 、 随时终止 。特别是一些对材料性状与属性有着 严格要求的实验项 目 , 利用虚拟仿真技术可以完全 忽略这些影响因素 , 整个实验流程也将更加清晰流 畅 。而对学生来说 , 所掌握的生物学知识也将更加 牢固 。第三 , 虚拟仿真实验可以无限次 重 复 进 行 , 这对生物学基础较差的学生来说 , 将是提高生物成 绩的一条最佳路径 。过去 , 在采用传统的实验方法 时 , 针对一些重要实验步骤 , 教师往往 一 带 而 过 。 加之受到课堂教学时间的限制 , 部分学生无法及时 消化和吸收相关知识点 。 而虚拟仿真技术的出 现 , 则改变了这 一 现状 。学生可以利用 一 些闲暇时 间 , 反复观看虚拟仿真实验 。这样一来 , 学生学习积极 性也被调动起来 。
二 、参照虚拟情境 , 培养实践能力
高中生具有较强的自觉意识与自律意识 , 尤其 在学习文化知 识 时 , 多 数 学 生 都 具 有 自 主 学 习 意 识 , 能够通过亲身实践获取更多书本以外的知 识 。 但少数学生在面对学习任务时 , 仍然比较被动 , 态 度不够积极 。针对这种情况 , 教师应当充分发挥学 生主观能动性 , 让学生自觉主动汲取知识养分 。基 于此 , 利用虚拟仿真技术 , 可以创设实验场景 , 然后 , 将时间交给学生 , 让学生积极主动地独立完成整个实验流程 。
以“影响酶活性因素”的实验为例 , 该实验主要目的是了解温度 、pH、激 动 剂 与 抑 制 剂 等 因 素 对酶活性都会产生哪些影响 。首先 , 利用虚拟仿真系统模拟试管编号的实验环节 , 分别对 4支试管进行编号 , 编号顺 序 为 1~4; 其 次 , 分 别 在 每 支 试 管当中滴入 20滴淀粉液 ; 再次 , 将前两 支 试 管 置 于0~4℃ 的 水 中 , 将 后 两 支 试 管 置 于 37℃ 的 水 中 ,并对唾液进行预冷和煮沸处理 ; 最后 , 分别向试管中滴入碘液 。 这时 , 学生可以直接观 察 实 验 现 象 。
当实验结束后 , 学生结合虚拟仿真的实验场景 , 自行准备实验试剂和实验器材 , 自主完成实验 步 骤 。比如在虚拟仿真实验场景提示下 , 学生需要准备的实验试剂 和 实 验 器 材 有 : 唾 液 、蒸 馏 水 、 淀 粉 溶液 、碘液 、试管 、冰浴 、 电磁炉等 。 当这些准备齐全以后 , 学生对虚拟仿真实验步骤进行回顾 , 并根据自己所掌握的生物知识点 , 设计影响酶活性因素的实验 。
通过这种直接而简洁的训练方法 , 既可以提高学生自主学习 能 力 , 又 对 锻 炼 和 培 养 学 生 判 断 思维 、推理思维起到积极促进作用 。为了调动学生学习积极性 , 激发学生学习兴趣 , 在运用虚拟仿真实验教学 方 法 时 , 应 当 着 重 考 虑 以 下 三 个 问 题 : 第一 , 构建交互情境 , 增加课堂互动频次 。在虚拟仿真实验开始以后 , 教师可以随时向学生提出 一 些与实验步骤 、原理 、现象相关的问题 , 使学生快速进入深度思考状态 。第二 , 虚拟仿真实验结束后 , 给学生预留足够思考时间 , 让学生对整个实验步骤及流程进行回顾 , 快速激活学生大脑思维 , 帮助学生找到 自主实验突破 口 , 进而帮助他们顺利完成实验任务 。第三 , 在学生自主实验过程中 , 教师可以采取即时评价的方法 , 对学生实验过程 、实验方法进行客观公正点评 , 并及时指出实验过程中存在的问题与不足 。 当学生意识到这些问题后 , 可以短时间内予以纠正 。这对夯实生物学基础 、提高个人学习能力都将产生深远影响 。
三 、通过虚实结合 , 引发深度思考
虚实结合是高中生物实验课堂较为常用的 一 种 教学方法 , 这种方法主要是将虚拟仿真技术与真实 的课堂实验流程结合到一起 , 然后通过分析和查找 虚拟仿真实验及真实实验的异同点 , 引发学生深度 思考 , 以达到提高生物实践能力与知识应用能力的 教学目的 。在生物实验课堂 , 部分学生常常出现混 淆实验原理的情况 , 甚至会张冠李戴 , 即把某 一个 生物实验的实验原理转嫁给另一个生物实验 。 为了 避免这一情况的发生 , 可以采取虚实结合的方 法 , 首先针对某一个实验项目进行现场实验演示 , 然后 引导学生对实验操作方法 、实验现象 、实验原理进 行观察和分析 , 接下来将真实的实验演示场景转化 成为虚拟仿真实验场景 , 利用虚拟仿真系统 , 对整 个实验流程进行演示 。最后 , 教师设置一些与实验 步骤 、实验原理 、实验现象相关的问题 , 调动和活 跃课堂气氛 , 激活学生大脑思维 。
以“检测生物组织中的糖类”的 实 验 项 目 为 例 , 教师在做好充足的事前准备工作之后 , 可以向学生 展示整个实验流程 , 即利用 0.1g/mL的 NaOH溶液 与 0.05g/mL的 CuSO4 溶液配制成斐林试剂 。这时 , 混合溶液当中将立即生成淡蓝色的 Cu(OH)2 悬浊 液 , 该悬浊液与葡萄糖 、果糖 、麦芽糖等可溶性还 原糖 共 热 , 可 以 生 成 砖 红 色 的 Cu2 O 沉 淀 。这 时 , 可以证明样品溶液当中含有可溶性还原糖 。根据这 一实验原理 , 利用虚拟仿真系统 , 对这一实验过程 进行模拟 。通过虚拟仿真模拟与真实的现场实验演 示 , 学生对该实验的过程 、方法 、原理将产生深刻 印象 。在这种情况下 , 可以趁热打铁 , 通过一 些问 题验证学生学习效果 。 比如“在实验当中 , 鉴定 还 原糖时所使用的斐林试剂为什么要现配现有?”学生 通过对试验过程的观察与分析发现 , 斐林试剂化学 性质 不 稳 定 , 如 果 放 置 时 间 过 长 , 则 极 易 生 成 Cu( OH) 2 沉 淀 。 因 此 , 在 配 置 斐 林 试 剂 之 前 ,0.1g/mL的 NaOH 溶液与 0.05g/mL的 CuSO4 溶液应当分别放置 , 以免两种溶液过早发生化学反应而无法鉴别出生物组织当中的还原糖成分 。
可见 , 利用虚实结合方法 , 学生更容易掌握每 一个实验环节中的一些细节 , 如果单一采取现场实 验演示方法 , 学生极容易遗漏一些关键知识点 , 而 教师的整个演 示 过 程 始 终 处 于 持 续 进 行 状 态 。 因 此 , 被遗漏的知识点将很难弥补 。如果将虚拟仿真 实验与真实实验场景融合到一起 , 学生看到两个不 同版本的实验场景 。在这种情况下 , 通过分析 、 比 较等方法 , 去判定两个实验场景的 异 同 点 。 这 时 , 学生的大脑思维将从单一 的实验场景向多向化 、多 角度的实验场景转变 。而这一转变过程 , 恰恰引发 了学生深度思考 。 由此可以看出 , 这种虚实结合的 方法 , 一方面可以加深对每 一 个实验项目的 印 象 , 学生所观察到 的 实 验 现 象 , 所 分 析 出 来 的 实 验 原 理 , 所判定出来的实验结论 , 将更具权威性与客观 性 。另一方面 , 由于某些生物知识点具有抽象化特 点 , 部分学生在学习理解过程中 , 极易陷入学习瓶 颈 。利用虚实结合方法 , 可以帮助学生找到 一 条突 破学习瓶颈的捷径 。 当学生沉浸在虚拟仿真实验情 境与真实实验情境中时 , 一些抽象化的知识点将快 速转变成为具象化的场景 , 学生则更易于接受与消 化这些知识点 。
虚拟仿真实验在高 中 生 物 实 验 中 的 有 效 应 用 , 为广大生物教师提供了更加丰富的教学资源 。依托 这种先进科学技术 , 教师能够节省大量课堂讲授时 间 , 更容易引发学生情感共鸣 , 激发学生学习兴趣 。 因此 , 教师应当充分发挥虚拟仿真技术的应用优势 , 在为学生构建轻松 、愉悦 、高效的生物课堂的同时 , 使学生的生物学习水平跃升到一个新高度 。
参考文献
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