利用虛擬實驗平臺，構(gòu)建數(shù)字實驗教學(xué)

曹喜軍

摘要 通過實例介紹，對虛擬實驗平臺，特別是NoBook生物實驗的優(yōu)越性和不足之處進行了簡單分析，對利用虛擬實驗平臺，構(gòu)建數(shù)字化實驗教學(xué)提出了展望。

關(guān)鍵詞 初中生物學(xué) 實驗 數(shù)字化 虛擬實驗平臺

中圖分類號 G633.91

文獻標(biāo)志碼B

生物學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的探究性自然科學(xué)，觀察和實驗是生物學(xué)研究的基本方法。初中生物學(xué)中有著眾多的實驗。通過實驗，把動眼、動手和動腦有機地結(jié)合起來，既能培養(yǎng)學(xué)生的實際操作能力，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)的課時安排、教師的授課班級數(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、實驗室建設(shè)等問題的存在，再加上部分實驗持續(xù)時間長、實驗材料不易獲得、實驗的安全性等因素，導(dǎo)致教師不可能把課本上的所有實驗都演示給學(xué)生，更不可能完全由學(xué)生動手完成。

《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準（2011年版）》指出：“計算機、多媒體以極強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)手段能夠達到良好的教學(xué)效果。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，近些年來，虛擬實驗平臺異軍突起，在實驗教學(xué)中顯現(xiàn)出重要作用，為傳統(tǒng)實驗的數(shù)字化教學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

1 傳統(tǒng)實驗的數(shù)字化工具——虛擬實驗平臺

計算機功能和技術(shù)的發(fā)展，以及實際教學(xué)的需要，催生了一系列虛擬實驗平臺。此類軟件能將傳統(tǒng)實驗數(shù)字化，模擬真實的實驗環(huán)境，教師和學(xué)生借助電腦或手機就能完成實驗操作，得出實驗結(jié)果，為實驗教學(xué)插上信息技術(shù)手段的翅膀。在這些虛擬實驗平臺中，No-Book生物實驗（以下簡稱NB生物）是其中的佼佼者。

NB生物是一款能夠在電腦或手機上使用的，基于HTML5技術(shù)開發(fā)的跨平臺學(xué)科工具。NB生物采用高精度3D模型制作而成，視覺效果清晰震撼，生物結(jié)構(gòu)、生命現(xiàn)象、生命活動規(guī)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(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，同時兼具高清圖片、3D模型、3D動畫300個以上，3D模型支持360°旋轉(zhuǎn)，多維立體展示，效果逼真，科技感強，可進行放大縮小等操作。這些優(yōu)點使NB生物成為一款優(yōu)秀的虛擬實驗平臺，配合其他虛擬實驗軟件，為數(shù)字化實驗教學(xué)提供了技術(shù)支持，也使實驗的數(shù)字化成為可能。

2 數(shù)字化實驗的優(yōu)點

2.1 模擬完成課堂上難以開展、完成的傳統(tǒng)實驗

在初中生物學(xué)實驗中，有些實驗由于實驗材料難以獲得、學(xué)生所處生活環(huán)境、學(xué)生的實驗?zāi)芰Φ仍?，難以在課堂上開展、完成。如果單純依靠教師講授或者觀看視頻，學(xué)生無法獲得直觀的實驗結(jié)果，影響學(xué)生對知識的掌握。如果教師利用虛擬實驗平臺則能避免這些尷尬問題。

“模擬保護色的形成”是有關(guān)生物對環(huán)境的適應(yīng)、環(huán)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(shè)計是把學(xué)生作為捕食者，不同顏色的紙片作為被捕食者，通過模擬捕食和繁殖，得出相應(yīng)的結(jié)論。在實際實驗時，由于人的注意力和習(xí)慣、顏色的對比差別等原因，部分學(xué)生會下意識地尋找某些顏色的紙片，難以真正實現(xiàn)隨機性選擇，從而使實驗的效果不是很理想。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(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。由于計算機的隨機選擇比人的選擇誤差更小，避免了人為因素的影響，實際效果好于傳統(tǒng)教學(xué)手段。

“酒精對水蚤心率的影響”需要通過計數(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(shù)比較困難;城市中水蚤不易獲得;學(xué)生期末時間有限等等原因，實驗很難真正開展。在NB生物中，完全可以克服上述困難，在高清動態(tài)圖片中觀察并計數(shù)不同濃度酒精溶液中水蚤的心率，然后通過對比得出結(jié)論，既減少了教師的工作量，又降低了學(xué)生實驗的難度。

在虛擬實驗平臺把實驗數(shù)字化，對于用傳統(tǒng)方法難以在現(xiàn)實教學(xué)中開展、完成的實驗，通過虛擬手段完成，給學(xué)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(xué)生的主動性和積極性，學(xué)生也更容易參與實驗，主動建構(gòu)自己的知識體系，鍛煉自己的實驗?zāi)芰Α?/p>

2.2 不會造成安全性問題

現(xiàn)在的學(xué)生大多數(shù)都是獨生子女，父母十分愛護，再加上社會輿論、法律意識、經(jīng)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，從而影響學(xué)生的實驗體驗。

“血型鑒定”是學(xué)生比較喜歡的一個實驗，學(xué)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(xué)不再進行真實的血型鑒定，利用化學(xué)藥品進行模擬實驗，但實驗藥品價格昂貴、效果不佳、體驗不真實。在NB生物中，學(xué)生能夠體驗到真實的血型鑒定的所有步驟（圖2），觀察到實驗結(jié)果，卻避免了傳染病、感染等危險因素，體現(xiàn)了學(xué)生的參與性，有助于知識的掌握。

“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現(xiàn)眼球各結(jié)構(gòu)的認識，但是對于各結(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，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)字化的虛擬實驗平臺，既可以避免造成學(xué)生的人身傷害，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。

2.3 實現(xiàn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和練習(xí)

實驗的操作能力是學(xué)生必備的技能。傳統(tǒng)實驗只能在實驗課上進行操作練習(xí)，離開實驗室，學(xué)生無法進行實驗操作訓(xùn)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(xué)生的基本實驗技能，也是實驗考試的重要內(nèi)容。由于學(xué)生人數(shù)多，顯微鏡少，學(xué)生沒有充足的時間進行練習(xí)，同時現(xiàn)在的顯微鏡質(zhì)量不佳，一臺新的顯微鏡用不了多長時間，就會出現(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，實時觀察操作結(jié)果（圖4），實現(xiàn)對顯微鏡結(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，但是對于技能的熟練還是有很大幫助。

在“觀察蚯蚓的結(jié)構(gòu)”實驗中，由于部分學(xué)生對活蚯蚓有畏懼感，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（圖5），克服了學(xué)生的畏懼感，多次練習(xí)操作時也不需要擔(dān)心蚯蚓的死亡，還可以觀察到蚯蚓的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

使用虛擬實驗平臺，實現(xiàn)數(shù)字化實驗教學(xué)，在電腦或手機中進行實驗操作，能夠隨時隨地學(xué)習(xí)和練習(xí)。多次的重復(fù)操作對于學(xué)生實驗技能的提高有很大的幫助，也能獲得很好的實驗體驗，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3 虛擬實驗平臺的不足之處。

3.1 實驗過于程序化

虛擬實驗平臺是在程序設(shè)計的基礎(chǔ)上實現(xiàn)虛擬實驗操作，不可避免受到程序設(shè)計的影響，從而造成實驗比較程序化，預(yù)設(shè)性較強，不能體現(xiàn)真實實驗的各種意外表現(xiàn)，這是CAI所不可避免的。

3.2 實驗設(shè)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(nèi)，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(fā)現(xiàn)，一些設(shè)計不夠合理的部分已經(jīng)表現(xiàn)出來。在“模擬保護色的形成”這個實驗中，以下設(shè)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(shè)置不合適，藍青蛙和紅青蛙在現(xiàn)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(yīng)問題，需要設(shè)計者加以改正。

3.3 圖片不夠清晰，實驗操作起來比較復(fù)雜

虛擬實驗平臺所使用的部分圖片不夠清晰，甚至是簡陋的矢量圖。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(shè)計者獲得的途徑有關(guān)。同時部分實驗，特別是顯微鏡的實驗，操作比較復(fù)雜，不是很準確，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，這些問題影響了數(shù)字化實驗體驗。

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，更進一步的發(fā)展，虛擬實驗軟件的效果也會更加逼真，更加接近于傳統(tǒng)實驗，實驗體驗感會更好，也能實現(xiàn)更多實驗的數(shù)字化，更為自由的實驗組合。教師需要不斷學(xué)習(xí)、研究，充分利用數(shù)字化實驗手段，并與傳統(tǒng)實驗手段優(yōu)化組合，發(fā)揮各自優(yōu)勢，彌補各自的局限性，力爭獲得理想的教學(xué)效果。