虚拟仿真技术在高中生物情景教学中的运用及优化策略

引言：高中生物教材强调实验探究与实践能力培养，但传统实验受限于设备、场地、安全等因素，部分实验难以开展。虚拟仿真技术通过构建三维交互场景，可模拟微观生命活动、复杂实验过程及危险操作环境，为生物教学注入新动能。本文结合教材案例，系统分析虚拟仿真技术的应用价值与优化路径。

一、虚拟仿真技术在高中生物情景教学中的核心价值

（一）突破时空限制，重构实验场景

必修一《分子与细胞》中“细胞有丝分裂”实验，传统教学依赖显微镜观察固定装片，学生仅能看到静态画面，难以理解细胞分裂的动态变化过程。矩道 VR 实验室借助三维建模技术，将细胞分裂过程细致拆分为前期、中期、后期等不同阶段。学生能够操控虚拟显微镜，自由调整观察视角，甚至“进入”细胞内部，近距离观察染色体行为，如染色体的螺旋化、排列在赤道板上、向两极移动等。这种对时空的重新构建，把抽象的细胞分裂概念具象化，与布鲁纳的发现学习理论相契合。学生在虚拟场景中主动探索，通过自主操作和观察，逐步构建起关于细胞有丝分裂的知识体系，改变了以往被动接受知识的模式。

（二）增强实验安全性，降低操作风险

必修二《遗传与进化》中“DNA 粗提取与鉴定”实验，包含酒精灯加热、离心机操作等具有一定危险性的环节。在真实实验中，学生若操作不当，可能会出现试管破裂、试剂灼伤等安全事故。虚拟仿真平台模拟了完整的实验流程，学生可以在虚拟环境中反复练习离心管取放、温度控制等关键操作。即使出现失误，也不会造成实际伤害，有效避免了真实实验中的安全风险，让学生能够更加安心地进行实验学习。

（三）支持探究式学习，培养科学思维

选修一《生物技术实践》中“探究酵母菌种群数量变化”实验，传统教学需要连续 7 天定时取样计数，受时间和课堂安排限制，难以在课堂中完整开展。利用虚拟仿真技术，可将实验周期大幅压缩。学生在虚拟环境中通过调整温度、pH 等参数，实时观察酵母菌种群增长曲线变化，并运用数学模型对数据进行分析。这种“虚实结合”的探究模式，充分契合新课标“科学探究”核心素养要求，引导学生从被动接受知识转变为主动探究，培养其科学思维和解决问题的能力。

二、虚拟仿真技术在教材典型案例中的创新应用

（一）孟德尔豌豆杂交实验的沉浸式体验

必修二第一章围绕孟德尔实验展开，传统教学多借助图片或动画呈现杂交过程，学生参与感弱，对知识的理解停留在表面。矩道 VR 实验室推出的“豌豆杂交模拟器”打破这一局限，学生化身“虚拟育种家”，亲自动手完成去雄、套袋、授粉等关键操作，仿佛置身于真实的育种场景。过程中，还能通过动态图表直观看到 F1 代高茎与矮茎的比例变化。这种沉浸式体验让学生从被动接受变为主动探索，不少学生反馈亲身体验后，对分离定律的理解更深刻，远超死记硬背的效果。

（二）光合作用过程的跨尺度观察

必修一《光合作用》涵盖叶绿体结构、光反应暗反应等微观机制，传统模型只能静态展示，难以呈现各部分间的动态关联。虚拟仿真平台运用分层解剖技术，学生可像拆解拼图一样“剥离”叶绿体膜结构，清晰观察类

囊体薄膜上 ATP 的合成过程。同时，借助数据可视化功能，能直观看到 CO浓度变化对 C₂/C₂化合物含量的影响。这种跨尺度的观察方式，将抽象的微观过程具象化，让“环境因素影响光合速率”这一教学难点变得通俗易懂。

（三）生态系统能量流动的宏观模拟

选修三《生态系统》中能量流动计算涉及大量抽象数据，学生理解起来困难重重。虚拟仿真技术构建的虚拟生态瓶为学生提供了直观的学习工具。学生可以自由调整生产者、消费者的数量，实时监测能量传递效率，系统会自动生成能量金字塔模型。在一堂相关课程中，教师还将该技术扩展到微生物群落分析，引导学生探究不同碳源对微生物代谢的影响。学生在操作中培养了系统思维，提升了跨学科整合知识的能力。

三、虚拟仿真技术应用的优化策略

（一）技术融合，构建“虚实共生”教学生态

虚拟仿真技术并非要取代传统教学手段，而是应与传统实验、野外考察等真实场景形成互补。以“检测生物组织中的糖类”实验为例，学生可借助 VR 平台提前熟悉斐林试剂的使用方法，包括试剂的配制比例、滴加顺序等细节。之后在真实实验室中完成实验操作，亲身体验试剂与生物组织反应的过程。最后利用虚拟仿真软件对颜色反应数据进行深入分析。这种“预习 - 实践 - 反思”的循环模式，能让学生从不同层面理解知识，有效提升学习的深度与效率。

（二）资源整合，开发校本化 VR 课程库

学校在引入虚拟仿真技术时，要结合教材内容和地域特色开发校本 VR资源。比如，有的学校将本地特有的动植物生态系统、特色农作物种植中的生物学问题等案例融入 VR 教学。这样的课程既紧密贴合教材要求，又能充分体现地方特色，让学生感受到生物学知识与身边生活的紧密联系。同时，学校可通过区域教研联盟的方式共享资源，避免各校重复开发造成的资源浪费，实现资源的优化配置和高效利用。

（三）评价创新，建立多元化反馈机制

传统实验评价主要关注学生的操作规范和结果准确性，而虚拟仿真教学更应注重过程性数据的收集与分析。像矩道平台能够记录学生实验操作的时长、错误次数以及探究路径等详细信息，并生成个性化的学习报告。教师可基于 SOLO 分类理论，将学生在 VR 实验中的表现划分为“前结构”“单点结构”等不同层级。通过这种多元化的反馈机制，教师能更全面地了解学生的学习情况，为分层教学提供科学依据，促进学生的个性化发展。

结束语：虚拟仿真技术为高中生物情景教学提供了突破传统局限的新工具，其价值不仅在于技术本身，更在于通过“技术-教学-评价”的系统重构，推动生物课堂向探究化、个性化、智能化转型。未来需进一步探索虚拟仿真技术与跨学科实践、项目式学习的深度融合，为培养创新型人才提供支撑。

参考文献：

[1] 沙健华.问题情境在高中生物核心概念教学中的应用[J].文理导航, 2020(29):2.

[2] 黄文武.情境教学法在高中生物教学中的应用探究[J]. 2020.

[3] 杨铭玉.高中生物学教学中信息技术运用策略探究[J].新一代:理论版, 2021(9):365-365.