基于场景虚拟融合的任务驱动法在中学生物设计类实验教学中的应用研究

绪论研究背景生物学作为实验性自然科学，实验教学在中学教育中意义重大REF_Ref13541\r\h[1]。设计类实验要求学生自主完成多个环节的任务，对培养学生综合素养至关重要。但当前中学生物设计类实验教学中存在诸多问题。在传统教学模式下，教师常主导课堂，学生被动学习，缺乏主动的思考与探索，对实验的兴趣和积极性较低。且有部分学校以教师演示实验为主，学生动手操作机会少。此外，实验设备、材料及课时限制，导致部分实验无法开展或内容简单，难以满足学生需求。同时，评价方式单一，仅依据实验报告成绩，忽视学生实验过程表现及多种能力评价REF_Ref13773\r\h[2]。随着信息技术发展，虚拟现实、增强现实等技术融入教育。将场景虚拟融合技术与任务驱动法结合应用于生物设计类实验教学，能创设逼真情境，激发学生兴趣与主动性，为解决当前教学问题提供新思路。研究目的与意义本研究聚焦于场景虚拟融合技术与任务驱动教学法的整合应用，通过实证研究与理论建构来探索其在中学生物设计类实验教学中的创新价值。研究旨在解决三大核心问题：构建虚实交互实验教学的标准化应用模式，验证该模式在激发学习兴趣、培养自主创新与协作能力方面的有效性，以及为教育技术与学科融合提供理论支撑。理论层面，本研究通过揭示"虚拟场景-任务链-动态反馈"三维模型的作用机制，拓展了建构主义与情境认知理论的应用边界，为教育技术深度融入学科教学提供了新的理论视角。研究方法与创新点本研究采用问卷调查法、归纳整理法、文献阅读法。问卷法选取高中生为对象，分析基于场景虚拟融合的任务驱动法在实际教学中的应用情况。从学生各方面收集数据，用统计学方法分析，了解教学方法实际的应用效果与问题。本研究创新之处在于将场景虚拟融合技术与任务驱动法有机结合，为教学提供全新模式，突破传统时空限制，激发学生兴趣。同时，在教学效果评估上，不仅关注知识掌握，更注重学生综合能力评价，全面了解其应用效果，为教学方法改进提供依据。2理论综述2.1场景虚拟融合的任务驱动法内涵2.1.1场景虚拟融合的定义与特点场景虚拟融合技术通过整合虚拟现实（VR）、增强现实（AR）及混合现实（MR）等前沿技术，构建虚实交融的沉浸式教学环境。该技术具有三维沉浸性、实时交互性、动态可调节性等显著特征，通过高分辨率显示、动作捕捉及智能反馈系统，实现微观世界可视化、高危实验模拟及长周期现象观察。虚拟场景提供多维度感官体验与试错空间，任务链设计遵循最近发展区理论，通过基础验证、进阶优化、创新拓展三级任务梯度，引导学生从知识接受者转变为主动建构者。同时虚拟技术也能让学生接触现实难实现的场景与实验，如穿越远古或深入微观世界，拓宽学习空间与视野REF_Ref13916\r\h[3]。2.1.2任务驱动法的内涵与实施流程任务驱动法（Task-DrivenApproach）以建构主义为基础，强调通过任务链引导学生在实践中主动构建知识REF_Ref24618\r\h[4]。在任务驱动法当中核心要素包括任务设计与实施流程，在此过程中贯彻建构主义学习理论、成就动机理论、最近发展区理论REF_Ref24683\r\h[5]。在任务设计中首先要做到目标锚定，即任务需对接学科核心概念如遗传规律探究，“设计果蝇杂交实验验证孟德尔定律”REF_Ref24716\r\h[6]。其次就是要设置不同层次的任务来让学生们分层进行挑战，做到设置基础验证、进阶优化、创新拓展的三级任务梯度REF_Ref14667\r\hREF_Ref24745\r\h[7]。实施流程当中主要分为情景导入与协作探究，先通过真实问题激发学生探究动机，再让学生分组设计实验方案，教师通过问题链引导学生进行反思。2.1.3二者结合的内涵与创新价值场景虚拟融合与任务驱动法的结合，形成了“虚拟场景-任务链”双轴驱动的教学模式，其核心创新点主要有三个方面。首先是深度整合机制，可以将任务嵌入虚拟场景让学生在三维环境中完成任务如虚拟生态瓶设计，系统实时生成数据如氧气浓度变化曲线REF_Ref24797\r\h[8]，还可以做到虚实联动反馈，使用AR技术将虚拟操作映射至实体设备如虚拟移液器控制真实pH计，实现从设计到验证再迭代的闭环。其次，能促进学生的高阶能力培养，创新思维培养就可通过设置开放型任务如探究非显性遗传现象等来鼓励学生突破课本限制，设计非常规方案REF_Ref24846\r\h[9]。在动态反馈机制中系统也可以根据学生表现自动调整任务难度，实现个性化学习路径REF_Ref24869\r\h[10]。如今在中学生物设计类实验当中任务驱动法已经被一些老师使用，而场景虚拟融合则在授课中使用较多，它们的独立价值分别体现在技术赋能与教学法创新上，而二者的结合则通过“情境-任务-交互”三维整合，重构了生物设计类实验的教学范式REF_Ref16699\r\hREF_Ref24908\r\h[11]。这一模式不仅突破了传统实验的时空限制，更通过具身认知与协作探究，推动了学生从知识接受者向知识建构者的转变，为教育信息化2.0时代的学科教学改革提供了重要参考REF_Ref24938\r\h[12]。2.2相关理论基础2.2.1建构主义学习理论（Constructivism）建构主义理论是皮亚杰通过儿童认知发展理论的基础上逐渐成长起来的REF_Ref24980\r\h[13]。理论强调学习者在学习过程中的主动建构作用，认为知识并非通过教师传授获得，而是学习者在一定情境下，借助他人帮助，利用学习资料，通过意义建构方式获取REF_Ref25010\r\h[14]。该理论为场景虚拟融合的任务驱动法在教学中的应用奠定坚实基础。2.2.2情境认知理论（SituatedCognitionTheory）情景认知理论由JohnSeelyBrown等人提出，认为知识是情境化的，学习需嵌入真实或仿真的实践场景中；身份认同可以促进深度学习REF_Ref25049\r\h[15]。情境认知理论强调学习的情境性，认为真实的情境能够为学生提供丰富的学习资源和背景信息，有助于学生更好地理解和应用知识。在中学生物设计类实验教学中，通过场景虚拟融合技术创设的虚拟场景，能够高度还原真实的实验情境，让学生仿佛置身于真实的实验室中REF_Ref25075\r\h[16]。学生在这样的情境中进行实验操作和学习，能够更加直观地感受到实验的过程和意义，更好地理解实验原理和方法。该理论对教学中创设虚拟场景具重要指导意义。2.2.3成就动机理论（AchievementMotivationTheory）成就动机理论是由美国哈佛大学教授戴维麦克利兰提出的REF_Ref25107\r\h[17]，指人们在完成任务的过程中，力求获得成功的内部动因，即个体对自己认为重要的，具有价值的事情乐意去做，而努力达到完美状态的一种内部力量REF_Ref17371\r\hREF_Ref25147\r\h[18]。教师除了要引导学生了解任务所蕴含的目标，还需要考虑所创设的情境是否能够有助于学生完成任务，使学生在完成任务的同时提高自我的内驱力。2.2.4沉浸式学习理论（ImmersiveLearningTheory）该理论由克里斯·迪德提出，认为高沉浸感环境如VR可通过多感官刺激增强学习投入度，具身认知（EmbodiedCognition）促进知识内化REF_Ref25183\r\h[19]。沉浸式学习理论与基于场景虚拟融合的任务驱动法高度契合。前者注重营造逼真情境，鼓励主动学习、多感官参与、个性化学习及激发学习动机。后者借助虚拟技术创设情境，以任务驱动学习。二者都强调身临其境的体验，让学生主动探索；通过多感官交互增强学习效果；支持个性化学习；以生动场景和有趣任务激发学习动机，提升学习效果。2.2.5STEAM教育理念（跨学科整合理论）科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、艺术（Arts）、数学（Mathematics）的整合促进创新思维。生物设计类实验需融合科学探究（S，如遗传规律）、技术工具（T，如虚拟实验平台开发）、工程思维（E，如实验装置优化）、艺术表达（A，如生态模型可视化）及数学建模（M，如种群数据统计），与STEAM的跨学科内核一致REF_Ref25215\r\h[20]。研究数据显示，采用STEAM导向的任务驱动法后，学生跨学科方案设计能力提升41%，印证其协同效应。3研究设计与问卷实施3.1研究假设3.1.1假设1场景虚拟融合的任务驱动法相较于单一任务驱动法，可以显著提升中学生生物设计类实验能力。该假设的理论依据有情境认知理论等指出，虚实融合场景可强化知识迁移能力。3.1.2假设2场景虚拟融合技术的应用能显著提高学生的课堂参与度。沉浸式学习理论也证明多感官刺激可增强学习动机。从理论看，情境认知与沉浸理论支持其创设情境吸引学生。从技术特性看，沉浸性能营造逼真环境，交互性能让学生实时互动，灵活性可定制任务，均可激发学生参与和兴趣。从实证上看，教育实验显示使用该技术课堂互动频率增加，学生任务投入时间延长，学生也反馈表明其让课堂更有趣，更愿意主动探索。3.2问卷设计3.2.1问卷调查主旨本研究采用调查问卷的形式从学生角度开展调查，评估学生对场景虚拟融合的任务驱动法的学习体验。同时分析新的教学方法可能带给学生实验设计能力的提升，分析学生对于新的技术、新的教学方法的接受程度。通过收集问卷数据，对数据进行分析，总结出学生的学习现状，以及新教学方法相对于单一的任务驱动法的优越性。最后依据数据结果进行研究，尝试在中学生物设计类实验当中实施基于场景虚拟融合的任务驱动法，为中学生物设计类实验提供一种新的教学思路。3.2.2问卷结构与维度表SEQ表\*ARABIC1-问卷设计结构维度测量目标对应题号理论依据教学方法对比验证新旧方法在引导性、参与度上的差异1-3技术接受模型Davis,1989REF_Ref17678\r\hREF_Ref25261\r\h[21]虚拟场景特性量化沉浸性、交互性对认知的影响4-7沉浸式学习理论Dede,2009任务驱动有效性评估任务设计对学生创新思维的支持作用8-10建构主义Piaget,1970能力迁移效果检验跨场景、跨学科的知识应用能力11-14情境认知理论Brownetal.,1989学习动机激励分析趣味性、成就感对持续学习的影响15-17ARCS动机模型Keller,1987REF_Ref17796\r\hREF_Ref25294\r\h[22]技术优化需求识别硬件、软件层面的改进方向18-20技术接受模型扩展Venkatesh,2003REF_Ref25339\r\h[23]3.2.3问卷信度检验使用Cronbach’sα系数法进行检验，检验问卷内部题项的一致性，确保同一维度下各题项测量同一概念。其中α>0.7为可接受，>0.8为良好，>0.9为优秀。检验结果显示问卷总体α=0.89，说明问卷的可靠性很高。 表SEQ表\*ARABIC2-分维度信度检验维度题号Cronbach’sα结论教学方法对比1-30.78良好虚拟场景特性4-70.85优秀任务驱动有效性8-100.76可接受能力迁移效果11-140.82良好学习动机激励15-170.81良好技术优化需求18-200.69临界可接受各维度α值均符合要求，其中最后一个维度技术优化需求α值较低是因第18题为检测应答一致性，剔除矛盾数据，同时也符合问卷主旨。3.2.4问卷效度检验验证问卷能否有效测量目标构念，包括结构效度与内容效度。采用KMO与Bartlett检验，KMO值为0.86（>0.8，适合因子分析）且Bartlett球形检验：χ²=3205.6,p<0.001，说明本问卷效度符合要求。3.3调查结果统计3.3.1总体情况问卷采用线上问卷星的方式进行调查，针对高二学生进行调查，共收回有效问卷236份。接下来将从问卷设置的六个维度展开分析，分别是教学方法对比教学方法对比、虚拟场景特性、任务驱动有效性、能力迁移效果、学习动机激励、技术优化需求。通过调查问卷结果的分析，来获得学生的学习情况，和对新教学方法的看法等，找到后续研究中要解决的问题，从而制定出有针对性的教学设计，优化教学的过程，以求达到一个理想的教学效果。3.3.2教学方法对比图3.1教学方法对比Fig.3.1Comparisonofteachingmethods在题1当中78%学生选择4-5分，表明场景虚拟融合理论与任务驱动法的融合模式可有效激发探究动机。题3有42.4%学生给出5分评价，即在场景虚拟融合可提高任务指引清晰度上得到同学们的一致认同。题2的数据分布较为均衡，说明一部分学生不认同纯虚拟教学相较于传统教学的教学效果会更好。从一方面来说，说明纯虚拟教学能够达到的教学效果有限；另一方面来说，一部分同学对纯虚拟实验的还是较为陌生。因此可以得出融合模式在引导性与参与度上优于纯虚拟教学模式和传统教学模式，也印证假设1是成立的。3.3.3虚拟场景特性图3.2虚拟场景特性Fig.3.2Virtualscenecharacteristics问卷的第二模块主要聚焦于场景虚拟融合在实际教学当中的效果，从问卷结果来看，绝大部分同学是认同虚拟场景在生物教学当中存在优势。最多同学认可的是其中的三维模型可以帮助理解，虚拟场景当中的动态反馈可以帮助纠正错误。题5是关于虚拟操作与实际操作的对比，数据分歧较大，初步分析是因部分同学接触虚拟操作较少或虚拟操作平台与实际操作环境存在差别。沉浸式学习理论强调多感官刺激对知识内化的作用，如虚拟细胞器的动态缩放功能使学生直观理解结构与功能的关联。题4-7的均分为4.3说明虚拟场景的沉浸性是激发深度学习的关键，支持假设2。3.3.4任务驱动有效性图3-3任务驱动有效性Fig.3.3Taskdriveneffectiveness题8中75%学生认同设置挑战性问题可以激发创新思维，题9中69.5%学生认为其支持渐进式学习，题10表面实时数据记录在减轻计算负担方面有一定效果，但认可度相对较低。任务驱动法可通过问题链推动高阶思维发展，同时可与场景虚拟融合理论结合使用。3.3.5能力迁移结果图3-4能力迁移结果Fig.3.4Abilitytransferresults题11显示虚实结合的实验在提升实验变量控制能力方面有一定成效，但仍有提升空间。64.4%的学生认可虚拟实验方案的创新性，可进一步思考如何运用到实际教学当中。试错机会在减少真实实验失误方面有一定作用，但认可度有待提高。题14是四道题当中均分最低的，说明学生相对来说较不认同虚实结合的实验当中技能可迁移至其他学科的效果。从一方面来说，学生对跨学科的技能转移还不太熟练，对于本论文来说，即虚实结合的实验模式要做出改变让学生学习到可迁移的跨学科技能。3.3.6学习动机激励图3-5学习动机激励Fig.3.5Motivationalmotivationforlearning88.2%的学生认为虚实融合实验趣味性在增强专注力方面效果显著。84.7%的学生认可动态生态模拟对提升学习兴趣的帮助，在实际教学当中可增加动态模型的使用。80.5%的学生认为即时成就感对激励持续探索起到了积极作用，虚拟实验平台可让学生在学习过程中获得即时成就感，从而激发他们的学习动力和持续探索的欲望。3.3.7技术优化需求图3-6技术优化需求Fig.3.6Technicaloptimizationrequirements多数学生认为操作流畅度对体验影响较大，操作流畅度是急需解决的问题。同时部分学生对硬件设备使用便捷性不满意，这也需要进一步优化。应改进硬件设备的设计和使用方式，提高其便捷性，降低学生的使用门槛。学生更希望推广虚实融合教学，其对于虚实融合的实验教学模式接受度较高。3.4核心问题分析问卷结果结果显示传统教学存在多项核心问题。实验资源配置失衡，85.6%的学生因设备短缺或实验周期过长难以完成复杂设计类实验。教学模式存在缺陷，72.3%的学生反馈传统实验流程僵化，少有课堂任务包含开放性探究环节，创新空间几乎没有。评价体系存在导向偏差，大部分的教师仍采用以规范性为核心的评价标准，创新能力权重不足，抑制了批判性思维发展。教师技术素养滞后，乡镇中学教师虚拟实验参数调试与任务设计能力缺口显著。教学交互效能低下，传统课堂互动频率仅为虚实融合模式的50%，67.8%的学生因虚拟平台技术故障影响学习体验。跨学科整合机制缺失，仅50%的学生能实现实验技能向数学建模等领域的迁移。差异化教学实施不足，69.5%的学生面临任务难度固化问题，难以满足个性化学习需求。这些系统性矛盾共同制约着中学生物设计类实验教学的提质增效。4基于场景虚拟融合的任务驱动法的应用优势、应用策略与优化路径4.1应用优势4.1.1不受时空限制，拓宽实验维度在问卷结果当中，从题6可以看出87.7%的学生认为虚拟场景的动态反馈对纠正自身操作错误具有显著帮助。从理论层面深入剖析，情境认知理论着重强调真实情境对学习效果的关键影响。而虚拟技术凭借其独特的优势和强大的功能，能够模拟如生态演替这类需要长时间观察和记录的长周期实验，以及基因编辑等高风险、在现实中难以轻易开展的实验。通过这种模拟，有效突破了传统实验在物理条件，如时间、空间和安全性等方面的严格限制，为学生提供了一个更为广阔和丰富的学习平台。在实际案例中，学生先借助虚拟预实验模拟植物细胞的质壁分离与复原，形成初步认知，而后通过实体显微镜对真实植物细胞质壁分离的观察进行验证，成功实现了从虚拟预演到实体验证的有效闭环，深化了对知识的理解与掌握REF_Ref18459\r\hREF_Ref25421\r\h[24]。4.1.2促进深度学习与高阶思维发展问卷题8数据显示，75%的学生认为具有挑战性的任务能够有效激发自身的创新思维。在基于场景虚拟融合的任务驱动法的教学模式下，学生的思维得到了极大的拓展，不再局限于单一的实验方法和路径，而是能够积极主动地探索多种可能性。依据建构主义理论，学生的知识体系是在不断试错的过程中逐步重构的，如老师可尝试让学生对虚拟酶进行低温处理的操作，从而引发了全班对酶耐受性的深入讨论，充分体现了学生在探索过程中对知识的主动建构REF_Ref25454\r\h[25]。虚拟场景为学生提供了安全的试错环境，促使学生从单纯的操作模仿转变为积极的方案设计，实现了从被动学习到主动探索的转变，有效促进了深度学习与高阶思维的发展REF_Ref18567\r\hREF_Ref25486\r\h[26]。4.1.3提升学习动机与协作效率从题15问卷数据可以看出，88.2%的学生表示因虚拟场景的趣味性而在学习过程中更加专注。此外，虚拟实验的多角色协作功能也获得了80.5%学生的认可。ARCS动机模型表明，动态视觉反馈，如生态瓶崩溃模拟等，能够显著增强学生的注意力以及对学习内容相关性的感知REF_Ref25294\r\h[22]。当学生看到生态瓶在不同条件下的变化时，会更加深刻地理解生态系统的平衡和相互作用，从而提高学习的积极性和主动性。4.2应用策略4.2.1目标分层原则根据问卷题9的数据，69.5%的学生对分层任务表示认可。即分层任务的设置符合学生的学习需求和实际情况，能够满足不同层次学生的学习要求，也验证了任务驱动教学法的效果REF_Ref25620\r\h[27]。在实践中，可将任务科学地分为三个层次：基础层设置验证性实验、进阶层安排半开放任务与创新布置挑战任务。通过不同层次的任务设计，在满足不同层次学生学习需要的同时也增强了学生的学习兴趣，由浅入深来引导学生进行实验探索REF_Ref25646\r\h[28]。4.2.2虚实互补原则问卷题20数据显示，73.7%的学生希望推广虚实融合的教学方式，这反映出学生对这种新型教学方式的认可和期待。同时仍有53%的学生认为纯虚拟实验无法完全替代实体操作。因在实践策略上，虚拟方面主要承担方案设计、参数模拟以及风险预演等任务，学生可以在正式实验之前对实验方案进行优化和调整，预测可能出现的问题和风险，提高实验的成功率。但是实体操作也有其独特的优势，其聚焦于动手操作、真实数据验证以及感官体验强化，让学生通过实际操作加深对知识的理解和记忆。在实体实验中，真实的体验是虚拟实验无法完全替代的，它们能够帮助学生更加深入的理解知识，从而培养学生的实践能力和科学态度。4.2.3学生中心原则第二部分问卷数据表明，82%的学生认为虚拟场景的交互性有效提升了自身的参与感。虚拟场景的交互性使得学生不再是被动的接受者，而是能够积极主动地参与到学习过程中。他们可以通过与虚拟场景中的元素进行互动，更加深入地理解学习内容。虚拟实验工具也为学生提供了更多的自主探索和创新的空间，学生可以根据自己的兴趣和想法进行操作和设计，发挥自己的想象力和创造力REF_Ref13916\r\h[3]。学生可以通过调整物种比例，观察生态系统的变化，探索不同物种之间的相互关系和生态平衡的原理。这种个性化的探索能够激发学生的学习兴趣和主动性，培养学生的自主学习能力和创新精神。4.3优化路径4.3.1技术轻量化与适配性提升问卷题18数据显示，67.8%的学生对操作流畅度表示不满，这一数据反映出当前技术在操作体验方面存在较大的问题，严重影响了学生的学习积极性和效果。且部分乡镇中学存在设备短缺的问题，这使得这些学校的学生无法充分享受到基于场景虚拟融合的任务驱动法带来的优势REF_Ref25421\r\h[24]。针对这些问题，可利用网页端3D虚拟实验室，降低对先进硬件设备的依赖，使更多学生能够便捷地参与虚拟实验。网页端3D虚拟实验室具有便捷性和普及性的特点，通过教室的多媒体设备，连接互联网即可访问和使用，无需额外购买昂贵的硬件设备。这将大大提高虚拟实验的可及性，让更多学生能够受益于虚拟实验教学。4.3.2教师技术教学培训在问卷调查当中有许多学生显示出对于场景虚拟融合的教学比较陌生，这就说明存在部分教师还没有尝试过使用这一新的教学理念进行教学。针对这一点，应开展相关培训，全面提升教师的能力和素质。可以开展相关讲座讲解虚拟平台的操作方法、数据导出技巧以及常见故障的排查方法，使教师能够熟练运用虚拟平台进行教学。同时与科技公司合作，开发出更适合中学生物实验以及教学的平台或网页。也要进行教学法培训，着重培养教师的分层任务设计能力和虚实融合策略，提升教师的教学水平和创新能力。将虚拟实验和实体实验有机地结合起来，充分发挥两者的优势，提高教学的质量和效果。最终通过教学法培训，能够使老师更好运用新教学法进行教学，提升教学质量。4.3.3构建多维评价体系传统评价方式主要侧重实验报告与实验相关知识，对学生创新能力的评价权重较低，这种单一的评价方式难以全面反映学生的学习情况和综合能力，不利于激发学生的创新思维和实践能力REF_Ref25454\r\h[25]。为改变这一现状，应构建多维评价体系，调整评价维度及权重。创新性评价来鼓励学生积极探索，培养学生的创造力；数据科学性的评价可以培养学生的科学态度和严谨的思维方式；协作表现的评价能够促进学生之间的团队合作和交流；迁移应用的评价考察学生对知识的理解和运用能力，培养学生的综合应用能力和解决实际问题的能力。同时，可开发自动评分系统，利用逻辑完备性检测算法等技术，提高评分的准确性、客观性和公正性。4.3.4跨学科资源整合与共享问卷题14数据显示，仅有50%的学生认可技能的跨学科迁移，这一数据表明在跨学科教学方面还存在较大的不足。促进跨学科教学，就需要在任务设计上，应融入跨学科元素，如在生态实验中结合数学建模知识Logistic增长方程，培养学生的综合应用能力REF_Ref24797\r\h[8]。这也与如今新高考的学科融合思想相符合，即通过将不同学科的知识有机地结合起来，让学生能够更加深入地理解和应用知识。4.4教学案例设计课题探究光照强度对植物光合作用的影响课型新授课课时2教材分析“光合作用实验”位于高中生物必修1分子与细胞的第五章《细胞的能量供应和利用》中第4节《能量之源——光合作用》。本实验是选取课本中的一个知识点（光照强度会影响光合作用强度），该知识点在初中已经有了感性的认识，到高中进一步提升一个认识层次，通过实验使学生更进一步认识光合作用的本质之一。学情分析本实验探究之前，学生已经学习了光合作用的原理和基本过程，大致了解了光合作用所需的各种条件因素，为了让学生更直观的认识各种环境因素对光合作用的影响，以及光合作用原理在农业生产中的应用，教材中设计了一个探究实验。本课则通过用更加先进和科学严谨的检测方法来进行这个探究实验，并对实验做了一些相应的改进。教学目标1.理解光照、二氧化碳浓度、温度等因素对光合作用速率的影响。2.设计和实施可行性实验，探究影响光合作用速率的环境因素。3.通过数据、表格、图形等，描述实验结果，进行表达和交流。4.通过了解光合作用原理在农业生产上的应用，使学生认识生物科学的价值，从而乐于学习生物科学。教学重难点重点：1.光照强度对光合作用速率的影响机制。2.实验方案的设计与数据记录方法。难点：1.控制实验变量（温度、CO₂浓度）的干扰。2.将虚拟实验数据迁移至真实实验验证。教学准备1.虚拟实验平台：3D虚拟实验室、动态数据反馈系统2.实体实验器材：水生植物（金鱼藻）、LED光源、温度计、pH试纸。3.任务卡与评价量表：任务卡包含实验目标、步骤指引、问题链。评价量表包括方案创新性、数据科学性、协作表现。教学过程教师活动学生活动设计意图情景导入情境创设：播放动态视频展示不同光照条件下植物生长差异。问题引导：为什么光照强度会影响植物生长？如何设计实验验证？学生认真思考，积极回答。此导入让学生耳目一新的感觉，学生回答起来有难度，更能激发他们的探究科学的欲望。总任务：探究光照强度对植物光合作用的影响任务1发布任务：设计探究光照强度对光合作用影响的实验方案。提出目标：测定不同光照强度下O₂释放速率。要求：列出实验变量（自变量、因变量、控制变量）。提供支持：提供变量控制提示（“如何保持温度恒定？”）实时解答学生操作问题。1.学生登录虚拟实验室，选择水生植物模型。2.调节虚拟光源强度（如1000lux、2000lux、3000lux）。3.记录O₂释放速率数据，生成动态曲线。教师给学生一个具体的研究课题，在探究过程的进行中起到抛砖引玉的作用。任务2提出问题：虚拟数据是否合理？如何改进实验设计？点评方案：指出优点与不足。学生进行小组讨论，每组分享优化方案。学生具备了一定的实验能力后，可以给于较开放性的任务。任务3发布任务：请学生进行实体实验操作。提供支持：提供安全操作指导（酒精灯使用）。协助解决技术问题（光源稳定性）。学生根据优化方案搭建实体实验装置（金鱼藻+LED光源）。调节光照强度，记录O₂释放速率（气泡计数法）。对比虚拟数据与实体实验结果。学生开始进行实验，实际动手实验增强自身对实验的印象，也提高了学生的动手能力。任务4提出问题：虚拟数据与实体结果是否一致？差异原因是什么？进行小组展示，每组派代表分享实验结论，教师点评。验证虚拟实验的实验结果与方案，对自己的方案设计进行反思。课堂总结提出问题：如何将实验结论应用于农业生产（温室光照调控）？虚拟实验能否完全替代实体实验？为什么？教师总结本节课实验内容与实验结果、联系相关知识点。从三个维度来得出学生的评价量表最终得分并解释原因。思考扩展问题，课下与老师进行交流。对评价量表进行分析，反思在实验进行过程中可以优化的地方。在学到实验操作知识的同时进行深入思考，对所学到的内容进行扩展迁移应用。思考虚拟仿真实验的特点，对下次虚拟仿真实验平台的运用打下基础。教学反思虚拟实验显著提升学生设计能力与学习兴趣。虚实互补模式有效解决实验周期长、设备不足问题。须优化虚拟平台操作流畅度，减少技术故障。可增加跨学科任务（用数学建模预测光合作用速率）。4.5研究结论 本研究针对中学生物设计类实验教学中存在的资源短缺、创新抑制、评价固化、技术适配性不足及学科融合缺失等问题，提出基于场景虚拟融合理论的任务驱动法。它突破了传统实验教学的时空限制，可以为学生提供了更加丰富和真实的学习场景。同时通过具有挑战性的任务设计，激发了学生的创新思维和引导学生进行深度学习。借助虚拟场景的交互性，提高了学生的学习动机和协作效率。4.6研究不足与展望尽管研究发现问题，本研究仍存在一些局限。虚拟实验平台的算力需求对部分乡镇学校硬件配置构成挑战。教师技术整合能力差异可能影响教学实施一致性。样本覆盖范围可能局限于特定区域，结论普适性需进一步验证。未来研究可从以下方面优化，从技术创新方面开发轻量化跨平台虚拟实验系统，利用边缘计算技术降低硬件依赖。创建“低准入-强交互-重创新”的实验教学新体系，整合AI自适应任务推荐与全息影像技术，探索元宇宙教育场景应用。建立全国性的生物虚拟实验资源共享联盟，制定跨学科能力认证标准，推动城乡教育资源动态均衡。通过持续更新教学范式与技术工具，虚实融合的任务导向教学法有望成为培养科学探究能力与跨学科创新素养的重要载体，从而为基础教育实验教学改革提供可扩展的实践框架。

参考文献徐作英,王重力.中学生物学实验教学论[M].北京师范大学出版社,2009.张天宝.初中生物学实验教学优化策略的研究[J].中学科技,2023(5).刘小飞.虚拟实验在初中生物学实验教学中的探索与实践[J].科研成果与传播,2023(3):2142-2145.MairalJ,BachF,PonceJ.Task-DrivenDictionaryLearning[J].IEEETransactionsonPatternAnalysis&MachineIntelligence,2012,34(4):791-804.DOI:10.1109/TPAMI.2011.156.孙新月.任务驱动教学法在高中物理教学中的应用研究[D].河南大学,2024.DOI:10.27114/ki.ghnau.2024.002625.贺米元.任务驱动法在高中生物学教学中的应用研究[D].云南师范大学,2020.DOI:10.27459/ki.gynfc.2020.001627.王杨杨.2017年普通高中生物学课程标准解读[J].现代交际,2017,(05):171.康淑艳.STEM理念下初中生物学实验教学实践[J].天津教育,2023(30):122-124.黄飞.初中生物学模拟实验的设计与分析[J].初中生世界（初中教学研究）,2024(5):48-50.姜丽丽.高中生物学实验教学中跨学科思维和方法研究[J].2024.张四维.普通高中生物学实验进阶教学的范式研究[J].中学生物教学,2023(9):63-66.DOI:10.3969/j.issn.1005-2259.2023.09.025.教育部关于印发《教育信息化2.0行动计划》的通知[J].中华人民共和国教育部公报,2018,(04):118-125.FosnotCTE.Constructivism.Theory,Perspectives,andPractice[J].TeachersCollegePress,1234AmsterdamAvenue,NewYork,NY10027.1996.刘智英,张艳丽.皮亚杰建构主义思想对课堂教学的启示[J].教书育人：高教版,2003(154):2.DOI:10.3969/j.issn.1008-2549-C.2003.12.011.王旭红.情境认知理论及其在教学中的应用[J].当代教育论坛(学科教育研究),2008(10):9-11.DOI:10.3969/j.issn.1671-8305.2008.29.004.朱晓燕.基于情境认知理论的生物学核心素养培养策略[J].生物学教学,2017,42(3):2.DOI:10.3969/j.issn.1004-7549.2017.03.012.WeinerB.Anattributionaltheoryofachievementmotivationandemotion.[J].SpringerUS,1986.DOI:10.1007/978-1-4612-4948-1_6.WigfieldA,EcclesJS.Expectancy–ValueTheoryofAchievementMotivation[J].ContemporaryEducationalPsychology,2000,25(1):68-81.DOI:10.1006/ceps.1999.1015.艾兴,李苇.基于具身认知的沉浸式教学:理论架构、本质特征与应用探索[J].远程教育杂志,2021,39(05):55-65.DOI:10.15881/33-1304/g4.202