利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)建數(shù)字實(shí)驗(yàn)教學(xué)

曹喜軍

摘要 通過(guò)實(shí)例介紹，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，特別是NoBook生物實(shí)驗(yàn)的優(yōu)越性和不足之處進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，對(duì)利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，構(gòu)建數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了展望。

關(guān)鍵詞 初中生物學(xué) 實(shí)驗(yàn) 數(shù)字化 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類號(hào) G633.91

文獻(xiàn)標(biāo)志碼B

生物學(xué)是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的探究性自然科學(xué)，觀察和實(shí)驗(yàn)是生物學(xué)研究的基本方法。初中生物學(xué)中有著眾多的實(shí)驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，把動(dòng)眼、動(dòng)手和動(dòng)腦有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，既能培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際操作能力，也有利于提高學(xué)生的觀察和思維能力、探究能力。初中生物學(xué)的課時(shí)安排、教師的授課班級(jí)數(shù)、學(xué)生人數(shù)等客觀現(xiàn)狀，以及生物學(xué)在初中教學(xué)中的重視程度、實(shí)驗(yàn)室建設(shè)等問(wèn)題的存在，再加上部分實(shí)驗(yàn)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)材料不易獲得、實(shí)驗(yàn)的安全性等因素，導(dǎo)致教師不可能把課本上的所有實(shí)驗(yàn)都演示給學(xué)生，更不可能完全由學(xué)生動(dòng)手完成。

《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》指出：“計(jì)算機(jī)、多媒體以極強(qiáng)的交互性和模擬功能顯示出它在生物學(xué)教學(xué)中的重要作用，生物學(xué)教師應(yīng)該在教學(xué)中充分利用各種教學(xué)軟件，包括教師自制的教學(xué)軟件，提高教學(xué)效率。”因此，在生物學(xué)教學(xué)中應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)手段能夠達(dá)到良好的教學(xué)效果。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，近些年來(lái)，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)異軍突起，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中顯現(xiàn)出重要作用，為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)字化教學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

1 傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)字化工具——虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

計(jì)算機(jī)功能和技術(shù)的發(fā)展，以及實(shí)際教學(xué)的需要，催生了一系列虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。此類軟件能將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)字化，模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，教師和學(xué)生借助電腦或手機(jī)就能完成實(shí)驗(yàn)操作，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)插上信息技術(shù)手段的翅膀。在這些虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，No-Book生物實(shí)驗(yàn)（以下簡(jiǎn)稱NB生物）是其中的佼佼者。

NB生物是一款能夠在電腦或手機(jī)上使用的，基于HTML5技術(shù)開(kāi)發(fā)的跨平臺(tái)學(xué)科工具。NB生物采用高精度3D模型制作而成，視覺(jué)效果清晰震撼，生物結(jié)構(gòu)、生命現(xiàn)象、生命活動(dòng)規(guī)律以及原理一目了然。NB生物包含觀察類、演示類、動(dòng)手操作、探究類等實(shí)驗(yàn)資源，分為動(dòng)物學(xué)、植物學(xué)、人體生理、微生物、遺傳學(xué)、生態(tài)學(xué)六大模塊，同時(shí)兼具高清圖片、3D模型、3D動(dòng)畫(huà)300個(gè)以上，3D模型支持360°旋轉(zhuǎn)，多維立體展示，效果逼真，科技感強(qiáng)，可進(jìn)行放大縮小等操作。這些優(yōu)點(diǎn)使NB生物成為一款優(yōu)秀的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，配合其他虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了技術(shù)支持，也使實(shí)驗(yàn)的數(shù)字化成為可能。

2 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

2.1 模擬完成課堂上難以開(kāi)展、完成的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

在初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中，有些實(shí)驗(yàn)由于實(shí)驗(yàn)材料難以獲得、學(xué)生所處生活環(huán)境、學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ仍颍y以在課堂上開(kāi)展、完成。如果單純依靠教師講授或者觀看視頻，學(xué)生無(wú)法獲得直觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，影響學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握。如果教師利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)則能避免這些尷尬問(wèn)題。

“模擬保護(hù)色的形成”是有關(guān)生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)、環(huán)境影響生物、生物進(jìn)化的一個(gè)十分典型的實(shí)驗(yàn)。課本中實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)是把學(xué)生作為捕食者，不同顏色的紙片作為被捕食者，通過(guò)模擬捕食和繁殖，得出相應(yīng)的結(jié)論。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于人的注意力和習(xí)慣、顏色的對(duì)比差別等原因，部分學(xué)生會(huì)下意識(shí)地尋找某些顏色的紙片，難以真正實(shí)現(xiàn)隨機(jī)性選擇，從而使實(shí)驗(yàn)的效果不是很理想。在NB生物中，通過(guò)計(jì)算機(jī)隨機(jī)對(duì)不同顏色的青蛙進(jìn)行捕食，計(jì)算剩余青蛙的數(shù)量，產(chǎn)生相應(yīng)數(shù)量的后代，記錄數(shù)據(jù)并多次重復(fù)（圖1），最終得到與背景顏色近似的青蛙存活率最大，從而得出相應(yīng)的結(jié)論。由于計(jì)算機(jī)的隨機(jī)選擇比人的選擇誤差更小，避免了人為因素的影響，實(shí)際效果好于傳統(tǒng)教學(xué)手段。

“酒精對(duì)水蚤心率的影響”需要通過(guò)計(jì)數(shù)不同濃度酒精溶液中水蚤的心率，得出不同濃度酒精對(duì)水蚤心率的影響。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，由于水蚤很小，需要用顯微鏡觀察，而顯微鏡的視野范圍比較小，運(yùn)動(dòng)的水蚤很快就離開(kāi)視野;水蚤的心率比較快，又在運(yùn)動(dòng)中，計(jì)數(shù)比較困難;城市中水蚤不易獲得;學(xué)生期末時(shí)間有限等等原因，實(shí)驗(yàn)很難真正開(kāi)展。在NB生物中，完全可以克服上述困難，在高清動(dòng)態(tài)圖片中觀察并計(jì)數(shù)不同濃度酒精溶液中水蚤的心率，然后通過(guò)對(duì)比得出結(jié)論，既減少了教師的工作量，又降低了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的難度。

在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)把實(shí)驗(yàn)數(shù)字化，對(duì)于用傳統(tǒng)方法難以在現(xiàn)實(shí)教學(xué)中開(kāi)展、完成的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)虛擬手段完成，給學(xué)生直觀的實(shí)驗(yàn)感受。這樣比單純的講授或者播放視頻更容易提高學(xué)生的主動(dòng)性和積極性，學(xué)生也更容易參與實(shí)驗(yàn)，主動(dòng)建構(gòu)自己的知識(shí)體系，鍛煉自己的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

2.2 不會(huì)造成安全性問(wèn)題

現(xiàn)在的學(xué)生大多數(shù)都是獨(dú)生子女，父母十分愛(ài)護(hù)，再加上社會(huì)輿論、法律意識(shí)、經(jīng)濟(jì)利益等因素，一些原本能夠在課堂上開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)，出于安全性的考慮，教師不敢開(kāi)展，從而影響學(xué)生的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。

“血型鑒定”是學(xué)生比較喜歡的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生也希望通過(guò)該實(shí)驗(yàn)知道自己的血型。出于安全性考慮，初中生物學(xué)不再進(jìn)行真實(shí)的血型鑒定，利用化學(xué)藥品進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，但實(shí)驗(yàn)藥品價(jià)格昂貴、效果不佳、體驗(yàn)不真實(shí)。在NB生物中，學(xué)生能夠體驗(yàn)到真實(shí)的血型鑒定的所有步驟（圖2），觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，卻避免了傳染病、感染等危險(xiǎn)因素，體現(xiàn)了學(xué)生的參與性，有助于知識(shí)的掌握。

“觀察眼球的結(jié)構(gòu)”一般使用模型教具，模型雖然能夠較好的實(shí)現(xiàn)眼球各結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，但是對(duì)于各結(jié)構(gòu)之間的空間關(guān)系不好表現(xiàn)，不容易弄清整體與局部的聯(lián)系。在NB生物中，在觀察眼球結(jié)構(gòu)的某一部分時(shí)，需要觀察的部分用帶色彩的圖形表示，其他部分用網(wǎng)狀線條描繪（圖3），局部與整體關(guān)系清晰，對(duì)于學(xué)生弄清各結(jié)構(gòu)的空間位置和聯(lián)系，有很好的效果。

使用數(shù)字化的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，既可以避免造成學(xué)生的人身傷害，也可以解決教師購(gòu)買(mǎi)和保存實(shí)驗(yàn)材料的麻煩，避免實(shí)驗(yàn)材料的浪費(fèi)，達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)效果。

2.3 實(shí)現(xiàn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和練習(xí)

實(shí)驗(yàn)的操作能力是學(xué)生必備的技能。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只能在實(shí)驗(yàn)課上進(jìn)行操作練習(xí)，離開(kāi)實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練，觀看視頻也只能有整體的認(rèn)知，沒(méi)有實(shí)際的動(dòng)手操作，不能提高動(dòng)手能力。

顯微鏡的操作不僅是初中學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能，也是實(shí)驗(yàn)考試的重要內(nèi)容。由于學(xué)生人數(shù)多，顯微鏡少，學(xué)生沒(méi)有充足的時(shí)間進(jìn)行練習(xí)，同時(shí)現(xiàn)在的顯微鏡質(zhì)量不佳，一臺(tái)新的顯微鏡用不了多長(zhǎng)時(shí)間，就會(huì)出現(xiàn)滑絲等故障，造成顯微鏡的損壞。在NB生物中，學(xué)生可以虛擬操作顯微鏡，實(shí)時(shí)觀察操作結(jié)果（圖4），實(shí)現(xiàn)對(duì)顯微鏡結(jié)構(gòu)的掌握，熟練顯微鏡的使用方法。學(xué)生還可以隨時(shí)多次重復(fù)練習(xí)，雖然不能替代真正的顯微鏡操作，但是對(duì)于技能的熟練還是有很大幫助。

在“觀察蚯蚓的結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)中，由于部分學(xué)生對(duì)活蚯蚓有畏懼感，不敢進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)也容易造成蚯蚓的死亡。利用NB生物，觀察的是高清圖片（圖5），克服了學(xué)生的畏懼感，多次練習(xí)操作時(shí)也不需要擔(dān)心蚯蚓的死亡，還可以觀察到蚯蚓的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

使用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在電腦或手機(jī)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，能夠隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)和練習(xí)。多次的重復(fù)操作對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的提高有很大的幫助，也能獲得很好的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的不足之處。

3.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)于程序化

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是在程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)操作，不可避免受到程序設(shè)計(jì)的影響，從而造成實(shí)驗(yàn)比較程序化，預(yù)設(shè)性較強(qiáng)，不能體現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的各種意外表現(xiàn)，這是CAI所不可避免的。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不夠合理

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要收費(fèi)，因此包括推廣階段的NB生物在內(nèi)，雖然集合了大量生物教師的意見(jiàn)，但是畢竟使用人群較少，一些問(wèn)題可能還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，一些設(shè)計(jì)不夠合理的部分已經(jīng)表現(xiàn)出來(lái)。在“模擬保護(hù)色的形成”這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，以下設(shè)計(jì)就不夠合理：

（1）綠色的青蛙與背景色差距較大，還是很容易被點(diǎn)擊而捕食;

（2）點(diǎn)擊A青蛙后消失的不是A青蛙，而是B青蛙：

（3）青蛙顏色的設(shè)置不合適，藍(lán)青蛙和紅青蛙在現(xiàn)實(shí)生活中基本沒(méi)有。其他虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和虛擬實(shí)驗(yàn)也有相應(yīng)問(wèn)題，需要設(shè)計(jì)者加以改正。

3.3 圖片不夠清晰，實(shí)驗(yàn)操作起來(lái)比較復(fù)雜

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所使用的部分圖片不夠清晰，甚至是簡(jiǎn)陋的矢量圖。NB生物宣傳的是高清大圖，但是實(shí)際上部分圖片的效果并不是很好，可能和設(shè)計(jì)者獲得的途徑有關(guān)。同時(shí)部分實(shí)驗(yàn)，特別是顯微鏡的實(shí)驗(yàn)，操作比較復(fù)雜，不是很準(zhǔn)確，另外一些需要用到滴管的實(shí)驗(yàn)沒(méi)有提示要點(diǎn)擊滴管的膠頭等，這些問(wèn)題影響了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，信息技術(shù)在生物教學(xué)上必將有更為廣泛的應(yīng)用，更進(jìn)一步的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的效果也會(huì)更加逼真，更加接近于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)感會(huì)更好，也能實(shí)現(xiàn)更多實(shí)驗(yàn)的數(shù)字化，更為自由的實(shí)驗(yàn)組合。教師需要不斷學(xué)習(xí)、研究，充分利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段，并與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段優(yōu)化組合，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)各自的局限性，力爭(zhēng)獲得理想的教學(xué)效果。