初中生物虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用分析

摘"要：將虛擬仿真實(shí)驗(yàn)作為教學(xué)輔助工具，結(jié)合探究性學(xué)習(xí)、講授法等教學(xué)方法對(duì)初中生物實(shí)驗(yàn)“觀察小魚尾鰭內(nèi)血液流動(dòng)現(xiàn)象”開展教學(xué)設(shè)計(jì)，并結(jié)合生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀提出教學(xué)建議，為相關(guān)研究提供參考和借鑒。關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；初中生物；顯微鏡；探究性學(xué)習(xí)0"引言《義務(wù)教育生物課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確指出，教師要充分運(yùn)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，以突破實(shí)驗(yàn)材料、時(shí)間和設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)開展的限制。對(duì)此，越來越多的教師投入虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究，但虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的使用須與實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和學(xué)生身心發(fā)展規(guī)律相契合。教師應(yīng)結(jié)合實(shí)驗(yàn)的可操作性、實(shí)驗(yàn)器材獲取的難易程度、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可觀察性等條件，有選擇性地開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，大力發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)和作用，拓展生物實(shí)驗(yàn)開展渠道，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不足，進(jìn)而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，有效增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。1"教學(xué)內(nèi)容和學(xué)習(xí)者分析1.1"教學(xué)內(nèi)容分析“觀察小魚尾鰭內(nèi)血液流動(dòng)現(xiàn)象”是生物課程標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)主題“人體生理與健康”之下的一個(gè)探究類實(shí)驗(yàn)，涉及低倍顯微鏡的使用、尾鰭色素較少的活的小魚的選取和小魚預(yù)處理等實(shí)驗(yàn)知識(shí)與技能的使用，實(shí)驗(yàn)影響因素較多，實(shí)驗(yàn)難度較大。在實(shí)驗(yàn)過程中，要讓學(xué)生清晰地觀察血液在血管內(nèi)的流動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)而學(xué)會(huì)分辨血管的種類和血液在不同血管內(nèi)的流動(dòng)情況，了解血管的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)，知識(shí)點(diǎn)和難點(diǎn)較多。該實(shí)驗(yàn)為探究性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，提高學(xué)生的觀察能力和合作交流能力。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中存在小魚運(yùn)輸途中死亡率高、小魚好動(dòng)影響觀察效果、實(shí)驗(yàn)結(jié)束后小魚死亡可能性較大、實(shí)驗(yàn)成本高等問題。因此，本實(shí)驗(yàn)適合使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，能避免小魚死亡情況的發(fā)生，虛擬實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更易觀察，且能大大減少實(shí)驗(yàn)購買小魚的費(fèi)用，使實(shí)驗(yàn)開展更具經(jīng)濟(jì)性和高效性。1.2"學(xué)習(xí)者分析教學(xué)對(duì)象為七年級(jí)學(xué)生，該年級(jí)學(xué)生已在第四章第一節(jié)中系統(tǒng)學(xué)習(xí)了血液的相關(guān)知識(shí)，能正確分辨紅細(xì)胞和白細(xì)胞，具備使用顯微鏡進(jìn)行觀察的基本技能，且具有一定的自學(xué)能力與合作交流能力。該年級(jí)學(xué)生認(rèn)知過程處在感性認(rèn)識(shí)向理性認(rèn)識(shí)轉(zhuǎn)變的階段，在體驗(yàn)式和情境式的學(xué)習(xí)環(huán)境中習(xí)得、理解、記憶知識(shí)的效率更高[1]。因此，使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)能增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的體驗(yàn)感，虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀性強(qiáng)，可以對(duì)學(xué)生視覺產(chǎn)生刺激，從而增強(qiáng)學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)，有利于學(xué)生建構(gòu)知識(shí)[2]。2"教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)重難點(diǎn)和教學(xué)方法2.1"教學(xué)目標(biāo)2.1.1"知識(shí)目標(biāo)理解動(dòng)脈、靜脈和毛細(xì)血管的結(jié)構(gòu)與功能特點(diǎn)；學(xué)會(huì)分辨血管的種類以及血液在不同血管內(nèi)的流動(dòng)情況。2.1.2"能力目標(biāo)掌握使用低倍顯微鏡觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的方法；通過觀察、討論、比較等活動(dòng)，提高學(xué)生的觀察能力和合作交流能力。2.1.3"情感態(tài)度價(jià)值觀目標(biāo)通過對(duì)比分析，使學(xué)生認(rèn)可生物體結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生物學(xué)觀點(diǎn)；培養(yǎng)學(xué)生珍惜、愛護(hù)小動(dòng)物生命的良好品質(zhì)。2.2"教學(xué)重難點(diǎn)2.2.1"重點(diǎn)分辨血管的種類、結(jié)構(gòu)與功能以及血液在不同血管內(nèi)的流動(dòng)情況。2.2.2"難點(diǎn)通過觀察血液流向分辨血管的種類。2.3"教學(xué)方法2.3.1"探究性學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)主要采用探究性學(xué)習(xí)的教學(xué)方法開展教學(xué)，學(xué)生在教師的引導(dǎo)之下，圍繞教師提出的問題，通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、小組合作進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，實(shí)驗(yàn)中小組成員可以交流討論，教師應(yīng)巡視以及時(shí)給予學(xué)生指導(dǎo)。2.3.2"講授法學(xué)生完成虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作后，教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況有針對(duì)性地對(duì)實(shí)驗(yàn)知識(shí)和原理進(jìn)行系統(tǒng)講解，并著重講解實(shí)驗(yàn)重難點(diǎn)知識(shí)，及時(shí)解答學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)生的疑問。隨后，發(fā)放實(shí)驗(yàn)測(cè)試習(xí)題，檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。3"教學(xué)設(shè)計(jì)3.1"情境導(dǎo)入：構(gòu)建問題情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣課程標(biāo)準(zhǔn)倡導(dǎo)使用探究性學(xué)習(xí)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，強(qiáng)調(diào)在探究學(xué)習(xí)過程中培養(yǎng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題和應(yīng)用知識(shí)解決問題的能力?；诖?，在進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)前，教師針對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容提出問題：1）在抽血和輸液時(shí)，你知道針刺入的是人體的什么血管嗎？2）醫(yī)生扎手指采血（皮膚采血）的過程中，血液又是從什么血管里流出來的呢？3）中醫(yī)醫(yī)生給我們號(hào)脈的部位又是在哪里呢？4）我們?nèi)梭w內(nèi)有多少種血管呢？5）每種血管內(nèi)的血液流動(dòng)情況是怎樣的呢？6）怎么才能觀察到每種血管內(nèi)的血液流動(dòng)現(xiàn)象呢？學(xué)生思考問題并作答后，教師根據(jù)學(xué)生的回答引入實(shí)驗(yàn)內(nèi)容?！驹O(shè)計(jì)意圖】此教學(xué)過程結(jié)合學(xué)生的生活經(jīng)驗(yàn)，從生活中的實(shí)際問題出發(fā)，通過對(duì)問題的思考激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)探究的興趣，提高學(xué)習(xí)的積極性。問題有利于學(xué)生明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，具有引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的作用。3.2"實(shí)驗(yàn)探究：創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)形式，培養(yǎng)學(xué)生探究精神課堂上，學(xué)生以小組為單位利用計(jì)算機(jī)開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中對(duì)教師提出的問題進(jìn)行探究。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以清楚地了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖鞘裁?、所使用的?shí)驗(yàn)器材有哪些，每個(gè)實(shí)驗(yàn)步驟均伴有具體的操作指導(dǎo)，錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)操作也會(huì)進(jìn)行相應(yīng)提示，可以極大地降低實(shí)驗(yàn)失敗的可能性。在本次虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以跟隨操作指導(dǎo)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作，效果圖如圖1、圖2所示。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)芙鉀Q小魚好動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)觀察帶來的干擾。利用顯微鏡進(jìn)行觀察時(shí)，可以使用顯微鏡輔助控制面板對(duì)顯微鏡的各個(gè)部件進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可直接點(diǎn)擊最佳圖像按鈕獲取最清晰的顯微鏡圖像，極大降低顯微鏡的操作難度。同時(shí)，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以直接避免小魚死亡的現(xiàn)象發(fā)生，以及實(shí)驗(yàn)儀器損壞的問題出現(xiàn)，極大地消除學(xué)生實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的顧慮，從而讓其全身心投入實(shí)驗(yàn)操作?！驹O(shè)計(jì)意圖】教學(xué)過程能加深學(xué)生對(duì)抽象實(shí)驗(yàn)知識(shí)和原理的理解與記憶，增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中的體驗(yàn)感，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和觀察能力。在學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師應(yīng)進(jìn)行課堂巡視，糾正學(xué)生的錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)操作，及時(shí)回答學(xué)生的各種疑問，并統(tǒng)計(jì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)完成情況，了解學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)是什么。3.3"小組討論：營(yíng)造融洽氛圍，提高學(xué)生交流能力實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，由各組小組長(zhǎng)匯報(bào)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，教師根據(jù)匯報(bào)情況組織學(xué)生對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的“討論與思考”進(jìn)行回答，在學(xué)生討論時(shí)給予適當(dāng)引導(dǎo)，并要求學(xué)生在討論中完成表1。主要討論的問題有以下三個(gè)。討論1：你能觀察到幾種不同的血管？通過討論使學(xué)生認(rèn)識(shí)動(dòng)脈、靜脈、毛細(xì)血管等三種血管，并掌握三種血管的結(jié)構(gòu)和功能。討論有利于學(xué)生發(fā)表不同的見解，互相啟發(fā)，加深對(duì)問題的理解，獲得新的發(fā)現(xiàn)，從而收獲新知識(shí)。課堂討論的氛圍是融洽的，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，使內(nèi)向的學(xué)生也參與討論。討論2：在粗細(xì)不同的血管中，血液流動(dòng)的速度是否相同？通過討論使學(xué)生掌握各種血管的特點(diǎn)及血流速度。學(xué)生在討論過程中可以重復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過多次實(shí)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察反思自己在之前的觀察中是否存在粗心的地方，對(duì)實(shí)驗(yàn)知識(shí)的理解是否有誤，同學(xué)的觀點(diǎn)是否更加準(zhǔn)確，等等。討論3：有多少種方法可以區(qū)分三種不同的血管呢？通過討論使學(xué)生正確掌握分辨血管的兩種主要方法。1）根據(jù)血流方向分辨：動(dòng)脈→毛細(xì)血管→靜脈。2）根據(jù)血管分支還是匯總分辨：動(dòng)脈血管的血液是由主干流向分支，靜脈血管中的血液是由分支匯集到主干，毛細(xì)血管是紅細(xì)胞單行通過。討論能引導(dǎo)學(xué)生從多個(gè)角度思考問題，形成從多個(gè)方面出發(fā)建構(gòu)知識(shí)的良好習(xí)慣，以幫助學(xué)生更深刻地理解和記憶實(shí)驗(yàn)知識(shí)?！驹O(shè)計(jì)意圖】教學(xué)過程能讓學(xué)生反思自己實(shí)驗(yàn)的不足之處，使學(xué)生形成科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度。教師應(yīng)側(cè)重引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題，使其通過與同學(xué)的交流完善對(duì)實(shí)驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，更清晰地理解實(shí)驗(yàn)知識(shí)和原理，從而建構(gòu)系統(tǒng)的知識(shí)體系，提升歸納總結(jié)能力。3.4"評(píng)價(jià)總結(jié)：歸納實(shí)驗(yàn)知識(shí)，幫助學(xué)生查漏補(bǔ)缺討論結(jié)束后，教師根據(jù)學(xué)生的討論情況分析學(xué)生在本次實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)，對(duì)認(rèn)真完成實(shí)驗(yàn)的小組給予表揚(yáng)；隨后，結(jié)合各血管橫切面圖和功能結(jié)構(gòu)表系統(tǒng)講解動(dòng)脈、靜脈和毛細(xì)血管等三種血管的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以幫助學(xué)生梳理三種血管之間的聯(lián)系與不同點(diǎn)；講解結(jié)束后，根據(jù)板書對(duì)實(shí)驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行總結(jié)，幫助學(xué)生建構(gòu)知識(shí)框架，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的吸收率；最后，發(fā)放實(shí)驗(yàn)測(cè)試習(xí)題，檢測(cè)學(xué)生的知識(shí)掌握情況?！驹O(shè)計(jì)意圖】教學(xué)過程可以及時(shí)給予學(xué)生學(xué)習(xí)反饋，通過教師系統(tǒng)的講解，學(xué)生可以驗(yàn)證自己對(duì)問題的回答是否正確，以及習(xí)得的知識(shí)是否全面系統(tǒng)，進(jìn)而建構(gòu)系統(tǒng)的知識(shí)框架。實(shí)驗(yàn)測(cè)試習(xí)題可以幫助學(xué)生查漏補(bǔ)缺，鞏固習(xí)得的實(shí)驗(yàn)知識(shí)。同時(shí)，教師可以通過測(cè)試了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，以便對(duì)后續(xù)的教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。本次教學(xué)板書設(shè)計(jì)和流程如圖3、圖4所示。4"教學(xué)反思及建議4.1"教學(xué)反思本次教學(xué)所使用的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以解決實(shí)驗(yàn)中小魚好動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)觀察所帶來的干擾問題，簡(jiǎn)化對(duì)顯微鏡的粗準(zhǔn)焦螺旋和細(xì)準(zhǔn)焦螺旋的調(diào)節(jié)，能更加直觀地呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，從總體上降低實(shí)驗(yàn)難度，使實(shí)驗(yàn)更易開展。結(jié)合探究性學(xué)習(xí)的教學(xué)方法，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。組織學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中存在的疑問進(jìn)行討論，可以有效提高學(xué)生的合作交流能力，為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力筑牢基礎(chǔ)。盡管虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有強(qiáng)大的功能優(yōu)勢(shì)和教學(xué)應(yīng)用價(jià)值，但是并不意味著虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的生物實(shí)驗(yàn)，也并非所有類型的生物實(shí)驗(yàn)都適合采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的方式開展[3]。4.2"教學(xué)建議結(jié)合生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀對(duì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用提出以下三點(diǎn)建議。4.2.1"以虛補(bǔ)實(shí)，適用為宜教學(xué)過程的設(shè)計(jì)并非教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)工具的簡(jiǎn)單堆砌，而是基于教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生身心發(fā)展規(guī)律和教學(xué)工具優(yōu)勢(shì)所構(gòu)建的有機(jī)組合。初中生物實(shí)驗(yàn)一般分為觀察類實(shí)驗(yàn)、操作類實(shí)驗(yàn)和探究類實(shí)驗(yàn)等三種類型，并非所有類型的生物實(shí)驗(yàn)都適合使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開展教學(xué)。因此，生物教師要結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和學(xué)生實(shí)驗(yàn)水平做適應(yīng)性分析，有選擇性地采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)：對(duì)于具備開展條件的實(shí)驗(yàn)，盡量做真實(shí)性實(shí)驗(yàn)，尤其是操作類實(shí)驗(yàn)要盡可能在真實(shí)環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)[4]；對(duì)于實(shí)驗(yàn)周期較長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不易觀察的探究類和觀察類實(shí)驗(yàn)（如綠葉在光下產(chǎn)生淀粉、乙醇對(duì)水蚤心率的影響等實(shí)驗(yàn)），教師可以采用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，從而縮短實(shí)驗(yàn)周期，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可觀察性，有效提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。4.2.2"虛實(shí)結(jié)合，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有避免實(shí)驗(yàn)潛在危險(xiǎn)和實(shí)驗(yàn)可重復(fù)操作等優(yōu)勢(shì)，且不受時(shí)間、空間和實(shí)驗(yàn)資源的限制。因此，生物教師要著重發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)，以虛補(bǔ)實(shí)，對(duì)于操作難度較大、涉及酒精燈和酸堿試劑等危險(xiǎn)性材料使用以及知識(shí)點(diǎn)和難點(diǎn)較多的實(shí)驗(yàn)（如光合作用產(chǎn)生氧氣、種子在萌發(fā)過程中產(chǎn)生二氧化碳等實(shí)驗(yàn)），可以采用先虛后實(shí)的方法開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)，在了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、器材、步驟和注意事項(xiàng)等實(shí)驗(yàn)相關(guān)知識(shí)后，再開展真實(shí)實(shí)驗(yàn)，能在一定程度上降低實(shí)驗(yàn)安全風(fēng)險(xiǎn)，為學(xué)生掌握正確的實(shí)驗(yàn)操作技能奠定基礎(chǔ)[5]。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)還可以作為學(xué)生的復(fù)習(xí)輔助工具，實(shí)驗(yàn)課后，學(xué)生可以利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多次模擬操作，回顧實(shí)驗(yàn)知識(shí)，將短期記憶轉(zhuǎn)為長(zhǎng)期記憶。4.2.3"以虛輔教，主次分明虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是教師進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的輔助工具，而非教學(xué)的內(nèi)容，教師使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)要避免本末倒置。這就要求教師結(jié)合實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和班級(jí)學(xué)生的特點(diǎn)有計(jì)劃、有目的地使用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。對(duì)于哪個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)需要使用，使用的程度如何等問題，教師要做到心中有數(shù)，避免虛擬