虚拟实验室在高中生物教学中的应用与探索
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作者:王泽 赵昀彤 金海涛 马莲菊
摘 要：虚拟教学资源与高中生物教学的有效结合，将为学校人才培养质量及综合教育实力的提升提供不竭动力。文章基于沈阳师范大学动物细胞培养虚拟教学平台，对高中生物课程《动物细胞培养》进行线上线下相结合的教学设计与改革，以期为高中生物实验性课程内容提供更加直观、有效的教学示范，推动高中生物人才培养素质化、信息化及多元化健康发展。
关键词：高中生物教育;实验教学;虚拟实验室;细胞培养
中图分类号：G434;G633.91 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2020）10-0034-04
一、高中生物课程的教学现状
1.新时代下的挑战
生命科学是一门前沿性与实践性并存的发展性学科，2019年6月国务院出台了关于推进高中教育改革的纲领性文件《关于新时代推进普通高中育人方式改革的指导意见》，该意见的出台意味着我国的高中教育进入“以内涵发展、提高质量为重点的发展新阶段”。高中生物的教学工作不仅要完成基础知识的传递，还需要与时俱进地拓展学生创新、实践、自主学习、信息处理等多维度综合素养。值得注意的是，当今的生命科学正以最活跃的姿态向世界呈现尖端的研究成果，信息素养已经被列为现代化人才的必备能力之一，传统的生物教育思想、教学模式乃至教学手段亟需进行深入的信息化改造和升级[1]，以应对社会发展对当前教育的需求与挑战。
2.教学内容对教学手段的诉求
匹配的教学手段是开展素质教育的基础。我国规定的高中生物学科教材多为人教版，其中，生物学科体系中有关形态、结构及生理等的基础性知识为必修教学内容;演示教学（实验）等直观教学手段在该部分教学过程中发挥着重要作用[2]，基本可以满足展示知识、培养学生学习兴趣、活跃课堂气氛等教学环节的需求;同时，随着教学信息化、网络化、智能化程度越来越高，目前已经形成了较为系统和成熟的多媒体直观教学资源，如高清电子演示图片、Flash模拟动画、观摩视频、微课等[3]，可以很好地支撑该部分课程内容的“教”和“学”。但是不难发现，人教版选修课程涉及的学习内容多为分子生物学、基因工程及细胞工程等领域的发展性知识和应用技术，具有微观抽象、前沿性强、实践强度高等特点，如果仍然采用传统的直观课堂开展教学，不仅很难完成基本知识的传授，更加不足以完成该教学内容所蕴含的创新能力、实践能力、探索精神等培养意义，甚至可能会误导学生产生“实验操作并不重要”的错误思维导向。
3.受限的传统实验教学
当前学校综合教育实力愈发受到课程设置、教学资源及地域发展情况等各种因素的影响。对于地方性的普通高中来说，生物学科实验性教学内容受到很多客观条件的制约，如教育经费、仪器设备台套数、实验环境等，导致生物教学并不能实施恰当的实践能力培养，经常出现“老师操作，同学看”“一人实验多人观看”“复杂实验省略、简单实验敷衍”等教学现象[4]。长此以往，不仅懈怠了教师的实践教学积极性，同时会使学生往往对创新、实践等活动产生强烈的挫败感，甚至从此在个人成长规划中丧失实践探究的欲望和兴趣。由此可见，传统的教学模式已经无法满足生物实验性教学内容的合理展开，实施更加有效的教学改革是人才培养及学校发展的迫切需求[5]。
二、虚拟实验室的研究现状
1.虚拟实验的出现
虚拟实验室又名为合作实验室，1989年弗吉尼亚大学威廉沃尔夫教授提出“虚拟实验室”的建议，1995年联合国教科文组织赋予了虚拟实验室定义，1999年爱荷华州立大学专家对虚拟实验室进行了充分的描述：“虚拟实验室主要是为了创新活动与研究提供实验、远程协作的一种电子类平台，属于计算机网络化的一种虚拟环境，从根本来讲，它运用了仿真、虚拟与图像技术这种电子技术，利用计算机技术仿造出来的虚拟环境，可辅助实验且代替部分传统实验的各类环节操作”。在多年的发展过程中，虚拟实验室作为一个没有墙的中心，成功引导与创新了实践类教学活动的实施。目前，虚拟实验室可以根据教学目标的需求，实现实验虚拟、场景模拟、师生互动、场景交互等多维教学功能[6];相对于传统教学，基于虚拟实验室的教学活动不再受到时间、场地及学习次数等因素的限制，最大化地保障了教学活动的自主性及个性化开展，对于实验教学改革产生了变革性的影响。
2.国内虚拟教学资源的形成
我国教育部于2018年针对高等教育启动 “示范性虚拟仿真实验教学项目”，并依托国家虚拟仿真实验教学项目共享平台（www.ilab.com），实现国家虚拟仿真實验教学项目的持续性对外联通和服务，目前该平台已经收录2079个认定项目，涵盖生命科学各个专业领域，正创新性地推进中国高等教育质量的提升。相对于高校虚拟教学资源的全面建设和应用，我国高中虚拟教学资源尚处于社会自发性建设状态，其中物理和化学学科的虚拟教学资源建设和尝试相对较早，类似《实验册》、NB生物等企业化的生物虚拟资源正处于发展和完善的阶段[7][8]。但是值得注意的是，ilab平台具有极强的共享性及开放性，对于高中或基础教育未尝不是一种高质量的补充性教学资源，教育工作者可以尝试深度挖掘和应用，恰当实施线上线下相结合的教学改革，以支撑基础教育中前沿性、发展性知识的形象传达和意义形成，补偿和提高学生的创新意识与实践体验，拓展学生的学科视野和探究欲望。此外，基础教学单位可以借力调整学校发展战略，打破教育不公性和地域性，增强竞争优势，促进学校人才培养的长足发展。
各类教育研究机构也对此展开了探索。沈阳师范大学“动物细胞培养虚拟教学平台”在“大力振兴师范教育，全面提高师范生培养质量”这一改革背景下建设而成，该平台不仅可以配合师范生对专业技能的学习，完成虚拟实验室使用等现代教育技能的拓展，最重要的是，学生利用该平台开展了丰富多样的课堂教学改革尝试。平台首页见图1。 三、基于虚拟实验室的《动物细胞培养》教学设计与实施
1.动物细胞培养虚拟教学平台简介
沈阳师范大学动物细胞培养虚拟教学平台共设置有六个无菌操作基础实验，包括乳鼠肝脏细胞原代培养（酶解法）、贴壁细胞传代、悬浮细胞传代、贴壁细胞冻存、悬浮细胞冻存和细胞复苏，师生可以根据学习需要切换不同的实验场景（见图2）;同时具有实验演示和实验测试两个虚拟操作界面。该虚拟教学平台的实验设置与高中生物课程选修三中《动物细胞培养》的教学内容及培养目标具有很好的匹配度，对于高中生物教学工作者实施线上线下相结合的虚拟教学具有很强的操作性。
2.基于虚拟教学平台的教学设计
（1）前期分析
①教学内容分析
《动物细胞培养》属于人教版高中生物选修三教学内容，以必修课程中的“分子与细胞”为前期知识基础，开展动物细胞培养技术的初阶学习，并展开动物细胞融合技术、核移植技术、胚胎工程技术等前沿知识的拓展教学。该部分内容呈现较高的操作性和应用性，对实验室级别及实验设备要求相对较高，目前基础高中实验室基本无法实施该部分的实验教学工作，往往只是采用简单的讲授法完成理论性教学。虚拟教学平台的介入将更加有利于该部分教学内容的有效传达，帮助学生准确获取程序性知识，并切实提高学生的实验操作能力和探究意识。
②学情分析
本阶段的学生已完成高中生物基础知识的学习，具备良好的独立思考和学习能力，对于前沿性知识具有很强的好奇心和践行欲望。值得注意的是，高中阶段学生并不具备该部分教学内容的先行感性认知，基本不具有虚拟实验平台的操作经验，计算机操作熟练程度存在一定的个体差异性，同时自律性和自我约束能力尚有待加强。因此，建议教师以“细胞培养”等概念性教学为入手点，利用虚拟实验教学平台进行沉浸式学习，逐步开展“细胞培养过程”相关的逻辑性、程序性知识的搭建，在保证教学秩序的前提下，最大化地开展探究性学习。
③教学目标
知识与技能：了解动物细胞培养的意义与应用;掌握动物细胞培养的相关概念;掌握动物细胞培养的基本操作原理与程序。
过程与方法：通过虚拟实验操作平台的熟练使用，能够进行动物细胞培养的基本实验操作。
情感态度和价值观：了解动物细胞工程的发展应用前景，培养学生的科学探究精神和思辨能力。
④教学重难点
重点：理解动物细胞培养各层次概念;利用虚拟教学平台掌握完整的动物细胞培养操作过程。
难点：理解动物细胞培养技术的内在逻辑性及其前沿应用。
（2）教学策略制定
传统教学中，教师是知识的输出者，学生获取知识的主要媒介为教材，学生针对教材直观信息展开加工形成“知识直观”，完成从不懂到懂的学习过程。基于虚拟实验室展开的教学，将言语直观与模象直观进行有效的结合，教师的主要职责是引导教学情景的构建，并开展基于情境的教学，学生通过沉浸式实践活动完成主动学习。基于以上教学理念的调整，笔者制订了完整的教学策略（见表1）。
3.基于虚拟教学平台的教学过程
（1）情景导入
“烧伤病人在治疗方法上，往往需要采取自体皮肤移植，但对一个大面积烧伤的病人却无奈，他人的皮肤来源不足，并且会产生排异反应。怎么样才能获得大量的自体健康皮肤呢？”教师通过视频介绍这样的生活案例，营造探究情景，并与学生的既有生活经验建立连接，引起情感共鸣。学生在教师的引导下发散思维，积极思考如何解决此类现实问题，了解动物细胞体外培养的现实意义，进入新课的学习。
（2）新课教学
①动物细胞培养的概念及培养条件
教师首先讲解动物细胞培养的基本概念，即“从有机体当中提取组织，将组织分散为单种细胞且放于培养基内，让细胞增殖与生长”。然后围绕“如何获得自己的皮肤细胞？”“如果细胞是宠物，你会如何饲养？”等问题，逐步解析原代培养、传代培养、换液、细胞冻存与复苏、细胞系等动物细胞培养的各级概念，并剖析动物细胞的体外培养条件：无菌环境、营养支持、培养温度、pH条件、气体需求等。
学生在教师的讲解中理解动物细胞体外培养的各级操作是为支持细胞不同生存阶段的需求，形成有关细胞培养操作的基础理论储备和感性认识，为后续虚拟实验操作提供理论规范。
②动物细胞的体外培养操作
教师首先利用虚拟实验操作平台展示细胞体外培养无菌操作室的构造及其基础仪器设备（见图3），提供沉浸式学习环境，激发学生学习兴趣，了解专业化的细胞培养环境，进一步形象化 “动物细胞体外培养”相关理论知识。
然后，教師虚拟演示并讲解动物细胞体外不同培养阶段的实验操作，归纳总结操作步骤的各环节要点，强化实验操作的专业性和程序性，为其自主探究打下基础。学生以实验“贴壁细胞传代”为切入点，开展探究学习和交互学习;根据虚拟实验教学平台的字幕和语音提示，直观观摩动物细胞的培养过程;此外，平台会通过“绿色指纹”闪烁的方式指示下一步操作，辅助学生的探究训练（见图4）;学生在自主实验操作过程中实践理论知识，并加以理解内化，自我评价知识的掌握情况。
在学生自主学习过程中，教师主要执行集中指导、辅助解答疑问、掌控学习进度的任务。期间教师可以根据虚拟实验教学平台的实验测试功能，实时掌握学生的个性化学习成效，及时调整课堂教学策略，适时引导教学进程，如强化操作步骤的讲解，延长自主操作时长等。
③动物细胞培养技术的应用及前沿进展
教师提出问题“体外培养的动物细胞有何用处？”与课程导入问题相呼应，并引导学生了解 “三只羊的故事”“试管婴儿真的是在试管里长大的么？”等前沿案例，枚举动物细胞培养技术在细胞工程领域的地位及其应用，激发学生主动探究生命科学前沿进展的兴趣和内在动力。学生分析讨论相关前沿进展的利与弊，在既有知识的基础上归纳演绎，探究生命科学发展的“双刃剑”问题，培养科研兴趣和思辩能力。
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