利用虛擬實驗平臺，構建數字實驗教學

摘 要：生物學是一門以實驗為基礎的探究性自然科學，觀察和實驗是生物學研究的基本方法。由于各種因素的存在，實驗教學不能完全開展。隨著信息技術的發展，虛擬實驗平臺在實驗教學中顯現出的重要作用，為傳統實驗的數字化教學奠定了基礎。文章通過實例介紹，對虛擬實驗平臺，特別是對NOBOOK生物實驗的優越性和不足之處進行了簡單分析，對利用虛擬實驗平臺、構建數字化實驗教學提出了展望。

關鍵詞：初中生物學；實驗；數字化；虛擬實驗平臺

中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：A 收稿日期：2018-07-08

作者簡介：曹喜軍（1975—），男，河南洛陽人，河南省洛陽市第四十八中學教師，一級教師。

一、傳統實驗的數字化工具——虛擬實驗平臺

計算機功能和技術的發展，以及實際教學的需要，催生了一系列虛擬實驗平臺。此類軟件將傳統實驗數字化，能夠模擬真實的實驗環境，借助電腦或手機完成實驗操作，得出實驗結果。在這些虛擬實驗平臺中，NOBOOK生物（以下簡稱“NB生物”）實驗是其中的佼佼者。

NB生物是一款能夠在電腦或手機上使用的，基于HTML5技術開發的跨平臺學科工具。NB生物采用高精度3D模型制作，視覺效果清晰震撼，所展示的生物結構、生命現象、生命活動規律以及原理一目了然。NB生物包含觀察類、演示類、動手操作、探究類等實驗資源，分為動物學、植物學、人體生理、微生物、遺傳學、生態學六大模塊，同時兼具高清圖片、3D模型、3D動畫300個以上，3D模型支持360度旋轉、多維立體展示，效果逼真，可進行放大縮小等操作。這些優點使NB生物成為一款優秀的虛擬實驗平臺，配合其他虛擬實驗軟件，為數字化實驗教學提供了技術支持，也使實驗的數字化成為可能。

二、數字化實驗的優越性

1.模擬完成課堂上難以開展、完成的傳統實驗

在初中生物學實驗中，有些實驗是利用現有實驗室條件難以完成的。這些實驗由于實驗材料難以獲得、學生所處生活環境、學生的實驗能力等原因，難以在課堂上開展、完成。在傳統條件下，單純依靠教師講授或者觀看視頻，無法獲得直觀的實驗結果，影響學生對知識的掌握。如果利用虛擬實驗平臺則能避免這些尷尬現象。

“模擬保護色的形成”是有關生物對環境的適應、環境影響生物、生物進化的一個十分典型的實驗，課本中實驗的設計是把學生作為捕食者，把不同顏色的紙片作為被捕食者，通過模擬捕食和繁殖，得出相應的結論。在實際實驗時，由于人的注意力和習慣、顏色的對比差別等原因，部分學生會下意識地尋找某些顏色的紙片，難以真正實現隨機性選擇，從而使實驗的效果不很理想。在NB生物中，通過計算機隨機對不同顏色的青蛙進行捕食，計算剩余青蛙的數量，產生相應數量的后代，記錄數據并多次重復（如圖1），最終得到與背景顏色近似的青蛙存活率最大，從而得出相應的結論。由于計算機的隨機選擇比人的選擇公平性更大些，避免了人為因素的影響，實際效果好于傳統手段。

“酒精對水蚤心率的影響”這一實驗設計很好，通過計數不同濃度酒精溶液中水蚤的心率，得出不同濃度酒精對水蚤心率的影響。在實際實驗過程中，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，運動的水蚤很快就離開視野；水蚤的心率比較快，又在運動中，計數比較困難；城市中水蚤不易獲得；學生期末時間有限等原 因，實驗很難真正開展。在NB生物中，完全無視上述困難，在高清動態圖片中觀察并計數不同濃度酒精溶液中水蚤的心率（如圖2），然后通過對比得出結論，既減少了教師的工作量，又降低了學生實驗的難度。

在虛擬實驗平臺中，把實驗數字化，對于用傳統方法難以在現實教學中開展、完成的實驗，通過虛擬手段完成，給學生直觀的實驗感受。這樣比單純的講授，或者播放視頻更容易提高學生的主動性和積極性，學生也更容易參與實驗，掌握知識。

2.不會造成安全性問題

現在的學生大多都是獨生子女，父母十分愛護，加上社會輿論、法律意識、經濟利益等因素，一些原本能夠在課堂上開展的實驗，出于安全性的考慮，教師不敢開展，影響學生的實驗體驗。

“血型鑒定”是學生比較喜歡的一個實驗，學生也希望通過該實驗知道自己的血型。出于安全性考慮，初中生物學不再進行真實的血型鑒定，利用化學藥品的模擬實驗存在藥品價格昂貴、效果不佳、體驗不真實等問題。在NB生物中，學生能夠體驗到真實的血型鑒定的所有步驟（如圖3），觀察到實驗結果，避免了傳染病、感染等危險因素，體現了學生的參與，有助于知識的掌握。

“觀察眼球的結構”一般使用模型教具，模型雖然能夠較好地實現眼球各結構的認識，但是對各結構之間的空間關系不好表現，不容易弄清整體與局部的聯系。在NB生物中，在觀察眼球結構的某一部分時，需要觀察的部分用帶色彩的圖形表示，其他部分用網狀線條描繪（如圖4），局部與整體關系清晰，對學生弄清各結構的空間位置和聯系，有很好的效果。

使用數字化的虛擬實驗平臺，既可以避免對學生造成人身傷害，也可以解決教師購買和保存實驗材料的麻煩，避免實驗材料的浪費，達到較好的實驗效果。

3.實現學生的自主學習和練習

實驗的操作能力是學生必備的技能。傳統實驗只能在實驗課上進行操作練習，離開實驗室，學生無法進行實驗操作訓練，觀看視頻也只能有整體的認知，沒有實際的動手操作，不能提高動手能力。

顯微鏡的操作不僅是初中學生的基本實驗技能，也是中招實驗考試的重要內容。由于學生人數多，顯微鏡少，學生沒有充足的時間進行練習，同時現有的顯微鏡質量不佳，一臺新的顯微鏡用不了多長時間，就會出現滑絲等故障，造成顯微鏡的損壞。在NB生物中，學生可以虛擬操作顯微鏡，實時觀察操作結果（如圖5），實現對顯微鏡結構的掌握，熟練顯微鏡的使用方法。學生還可以隨時多次重復練習，雖然不能替代真正的顯微鏡操作，但是對于技能的熟練有很大幫助。

在“觀察蚯蚓的結構”實驗中，部分學生由于對活蚯蚓有畏懼感，不敢進行實驗操作，實驗時間過長也容易造成蚯蚓的死亡。利用NB生物，觀察的是高清圖片，而不需要面對真實的蚯蚓，克服了學生的畏懼感，多次練習操作時也不需要擔心蚯蚓的死亡，還可以觀察蚯蚓的內部結構（如圖6）。

使用虛擬實驗平臺，實現數字化實驗教學，在電腦或手機中進行實驗操作，實現了隨時隨地的學習和練習。多次的重復操作，對于學生實驗技能的提高有很大的幫助，也能讓學生獲得很好的實驗體驗，提高其學習興趣。

三、虛擬實驗平臺的不足之處

1.有些實驗過于程序化

虛擬實驗平臺是在程序設計的基礎上實現虛擬實驗操作，不可避免地要受到程序設計的影響，從而造成實驗比較程序化，預設性較強，不能體現真實實驗的各種意外表現，這是CAI所不可避免的[2]。

2.有些實驗設計不夠合理

虛擬實驗平臺需要收費，因此包括推廣階段的NB生物在內，雖然集合了大量生物教師的意見，但是畢竟使用人群較少，一些問題可能還沒有發現，一些設計不夠合理的部分卻已經表現出來。“模擬保護色的形成”這個實驗中，以下設計就不夠合理：①綠色的青蛙與背景色差距較大，還是很容易被點擊而捕食。②點擊A青蛙后消失的不是A青蛙，而是B青蛙。③青蛙顏色的設置不合適，藍青蛙和紅青蛙在現實生活中基本沒有。其他虛擬實驗平臺和虛擬實驗也有相應問題，需要設計者加以改正。

3.有些圖片不夠清晰，有些實驗操作起來比較復雜

虛擬實驗平臺所使用的部分圖片不夠清晰，甚至是簡單的矢量圖。NB生物宣傳的是高清大圖，但是實際上部分圖片的效果并不是很好，可能和設計者獲得的途徑有關（圖7是筆者自己實際拍攝的顯微照片，效果明顯好于圖8NB生物所使用的圖片）。同時部分實驗，特別是顯微鏡的實驗，操作比較復雜，不很準確，另外一些需要用到滴管的實驗沒有提示要點擊滴管的膠頭等，這些瑕疵影響了數字化實驗體驗。

隨著信息技術的飛速發展，信息技術在生物教學上必將有更為廣泛的應用、更進一步的發展，虛擬實驗軟件的效果也會更加逼真，更加接近于傳統實驗，實驗體驗感會更好，也能實現更多實驗的數字化、更為自由的實驗組合。我們需要不斷地學習、研究，充分利用數字化實驗手段，并與傳統實驗手段優化組合，發揮各自優勢，彌補各自的局限性，力爭獲得理想的教學效果。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務教育生物學課程標準（2011年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2012.

[2]趙山鷹.多媒體環境下的教學設計和資源應用[M].開封：河南大學出版社，2012.