泸县二中-方学军-虚拟实验应用于生物实验教学初探

虚拟实验应用于生物实验教学的优势与问题浅析

泸县二中  方学军

【摘  要】随着信息化教学在传统教学中的延伸与发展，生物实验教学也在悄然发生着适应时代的变化，一种虚拟的，仿真的实验教学方式应运而生。虚拟实验通过软件模拟真实实验步骤的形式能够很好得解决现阶段高中生物学实验教学所遇到的诸多问题，但是虚拟实验想要在现行高中实验教学中进行普及还面临较大困难。本文就虚拟实验在高中生物实验教学中应用的优势以及所存在的问题进行初步探讨，期望能够为这种新型的实验教学方式的发展贡献自己微薄的力量。

【关键词】虚拟实验；实验教学；生物教学

生物学是一门基于实验基础的自然科学学科，生物学理论的得来都是建立在反复实验的基础上的。通过让学生进行实验操作，不仅能够让学生切身体验知识的探索乐趣，更能够增强学生的生物学习兴趣，增进学生对生物理论的理解，从而将理论更好的应用。随着教育改革的推进，现在更多地强调的是让学生搞清楚“为什么”，而不是“是什么”，也就是让学生明白理论的得来，而不是理论本身。这些都对生物学实验教学提出了更高的要求。为了能够更好地开展实验教学，各个高中都花费了大量的人力物力用于生物实验室的构建和实验器材的购买，但是对于高中层次的学校来说，能够用于实验教学的经费总是有限的，能够将高中必学的操作实验开展完整已属不易，加之在具体的实验教学开展过程中面临的诸如课时，安全等等问题，现阶段高中实验教学的实施效果不尽人意。在这种情况下，探索一种新型的，紧跟时代发展的，能够很好达到实验教学效果的实验教学模式应运而生，那就是虚拟实验。本文就虚拟实验的理论基础以及虚拟实验应用于生物实验教学的利弊进行探讨，期望能够起到抛砖引玉的作用，为虚拟实验在高中开展起到助推作用。

 1.虚拟实验的概念

虚拟实验是由虚拟现实延伸至教学领域而形成的一种虚拟技术，它通过模拟真实实验的实验器材以及实验操作等，让使用者通过软件操作的形式来实现实验过程。它实现了实验由实验室到软件操作平台的一个空间的迁移，其教学效果等于甚至会超过实际的实验室实验。虚拟实验能够得以发展与虚拟现实技术的进步是紧密相关的。在20实际80年代就就已经提出了虚拟现实这个概念，在1992年美国国家科学基金资助的交互式系统项目工作组的报告中对虚拟现实技术进行了较为系统和详尽得阐述。后来虚拟现实技术得以推广和使用，特别是在场馆仿真，虚拟看房等领域应用较多。再后来虚拟现实技术被应用到了购物中，特别是VR眼镜的研制成功，为这一应用提供了更好的物质基础。但是在实验室教学方面的应用尚处于起步阶段，特别是生物学科实验教学方面得开发应用就更少了。

   虚拟实验与真实实验室操作实验相比较，具有许多实际实验所不具备的优点，当然，由于其始终是虚拟实验，那也会有虚拟所具有的相应的缺点，下面我就虚拟实验所具备的优缺点进行探讨。

 2.虚拟实验的优点

 2.1虚拟实验可以解决安全问题，拓展实验范围

   在实际的实验室中进行实验，有很多实验试剂本身具有一定的危险性，比如酒精易燃，强酸强碱等具有很强的腐蚀性。在人教版生物选修一里，微生物的实验室培养就要求学生在实验室完成，但是在实际操作过程中，我们发现哪怕老师对安全强调的再多，始终会发生学生不小心将酒精灯打倒，从而引发安全隐患的问题。学生在操作中如果操作不当会给人生安全带来很大伤害，这个在多个高中都有发生。比如湖北省某高中由于学生自己购买实验材料进行实验导致爆炸致多人受伤。还有很多潜在的危险性，比如实验器材损坏导致割伤等等。而安全又是每所高中面临和考虑最多的问题，于是导致很多可能具有潜在安全隐患的实验许多高中都选择不开设或者只是由教师进行演示实验。而虚拟实验中，试剂和器材都是虚拟的，不存在安全隐患这个问题，学生通过对虚拟试剂地操作同样可以顺利完成整个实验。这样可以让许多没办法开展的实验得以开展，对学生的认知全面性来说有很大的帮助。

 2.2节省实验开支

   虚拟实验可以节省大量的实验开支，避免实验资源的浪费。有的实验学生只需要进行虚拟实验就可以得到相应的结论，体验实验过程。有的实验如果必须要到实验室进行操作，那在操作之前，学生也可以先通过虚拟实验熟悉整个实验流程之后再到实验室进行真实实验操作。这样就可以避免学生因为对实验不熟悉而导致实验材料的浪费，为学校节省大量的实验开支。

 2.3虚拟实验可以解决学生情感接受问题

   为了保护生物的多样性，培养学生热爱生命的情感价值观，在高中阶段许多解剖类或者活体实验都被编写成了理论学习，只能通过观看动画或靠教师进行多媒体演示的形式来帮助学生理解。而这些在实际操作中学生不愿意看到的现象或者是不愿意进行的操作，在虚拟实验中可以得到很好的解决。比如DNA是主要遗传物质的探索实验，如果让学生在实验室中去亲自做这个实验，那很多学生估计会有抵触情绪，因为在他们看来小鼠的死亡是不情感上不能接受的。从而不愿去进行实验，而通过虚拟实验可以很好的解决这一问题，在电脑动画中，小鼠的死亡不再是残忍的事情，而是变得趣味化，基本上的人都能够接受。

 2.4虚拟实验很好解决了时间空间的局限性

   在现阶段的实验教学中，如果学生要想到实验室进行实验，那必须是在专门的实验课才行，得由实验师准备好所有的实验室器材学生才能正常开展实验。这就面临着两个问题，一个是空间限制，另外一个就是时间限制，普遍来说在实验教学开展较好的学校也最多能够达到每周或者间周一次实验课，学生能够自行进行实验的时间太少，更谈不上能够通过实验进行一些未知知识的探索，能够完成教材实验要求已经相当不容易。而通过虚拟实验技术，将实验平台转移至移动终端，学生只要在自己的空闲时间就可以随时随地进行实验探究，而且每个实验可以进行反复操作，在遇到疑难问题时可以暂停实验，查阅相关资料，等到自行弄明白之后继续进行实验。这不管是对完成教材内容要求或者自行得实验探索来说都是有非常大的帮助的。

 2.5增强学生实验学习的兴趣

   虚拟实验通过软件模拟，极大的增加了生物实验的趣味化，学生对手机和电脑的兴趣往往要高于对做实验的兴趣，通过软件模拟，就像是电脑游戏一样，可以增大学生对生物学实验的兴趣，在游戏中获取知识和探索真知。 

 3虚拟实验所面临的问题

 3.1缺乏实验的真实触感

   受到现阶段虚拟实验发展的局限，目前虚拟实验的交互式还不够，它是通过软件动画对实验的一个模拟，学生在进行虚拟实验的时候只需要点击手机电脑屏幕便可以完成实验操作，许多真实实验中可能出现的情况和问题等并不会暴露出来，比如操作手法，误差等等。因此虚拟实验绝对是不能代替真实实验的，在条件允许的情况下，学生们在进行了虚拟实验之后还是应该到实验室进行真实的实验操作，这样对于他们的动手能力才有帮助，还能够对实验中的误差进行分析等等。但是我相信随着VR技术的研究的深入，一些先进的设施设备比如HMD头盔显示器，数据手套、数据衣、控制球、跟踪设备、三维立体眼睛的研发和使用，这个问题会逐渐得到解决。比如现在在购物领域中，虚拟技术已经实现了人们在自己的家中就可以体验实体店购物的乐趣，衣服可以试穿，可以观看效果等等。如果能够将这种技术延伸到虚拟实验中，那有关触感的问题也会迎刃而解。

 3.2虚拟实验软件资源的开发空白

   在前文中也有提到，虚拟实验现阶段尚处于起步阶段，特别是在生物实验教学方面的应用可以说是空白。这也就意味着不管是硬件还是软件来说，大多数高中尚不具备此条件。要想真正将虚拟实验应用于高中生物教学，一方面各个高中应该积极筹备相应的硬件条件，比如移动终端的购买等。另外一方面，在国家层面应该组织专门的团队进行虚拟实验软件的开发，形成一套完善的取之能用的虚拟实验平台。

 4.结语

   信息技术的发展可以说是日新月异，人们的生活方式和生活习惯都在发生着悄悄的变化，当然在教学领域同样如此。许多传统的教学手段逐渐被现代化的教学所替代或者完善。虚拟实验作为一种新型的教学手段，具备如此多的优点，值得我们所有的教育工作者去积极探索和应用，为我们的教学带来更多的福利。

参考文献：

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