利用虛擬實驗平臺，構建數字實驗教學

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

文獻標志碼B

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。初中生物學中有著眾多的實驗。通過實驗，把動眼、動手和動腦有機地結合起來，既能培養學生的實際操作能力，也有利于提高學生的觀察和思維能力、探究能力。初中生物學的課時安排、教師的授課班級數、學生人數等客觀現狀，以及生物學在初中教學中的重視程度、實驗室建設等問題的存在，再加上部分實驗持續時間長、實驗材料不易獲得、實驗的安全性等因素，導致教師不可能把課本上的所有實驗都演示給學生，更不可能完全由學生動手完成。

《義務教育生物學課程標準（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教學中的重要作用，生物學教師應該在教學中充分利用各種教學軟件，包括教師自制的教學軟件，提高教學效率。”因此，在生物學教學中應用現代信息技術手段能夠達到良好的教學效果。隨著信息技術的發展，近些年來，虛擬實驗平臺異軍突起，在實驗教學中顯現出重要作用，為傳統實驗的數字化教學奠定了基礎。

1 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。此類軟件能將傳統實驗數字化，模擬真實的實驗環境，教師和學生借助電腦或手機就能完成實驗操作，得出實驗結果，為實驗教學插上信息技術手段的翅膀。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技術開發的跨平臺學科工具。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°旋轉，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。

2 數字化實驗的優點

2.1 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。如果單純依靠教師講授或者觀看視頻，學生無法獲得直觀的實驗結果，影響學生對知識的掌握。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，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，計算剩余青蛙的數量，產生相應數量的后代，記錄數據并多次重復（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誤差更小，避免了人為因素的影響，實際效果好于傳統教學手段。

“酒精對水蚤心率的影響”需要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，在高清動態圖片中觀察并計數不同濃度酒精溶液中水蚤的心率，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，主動建構自己的知識體系，鍛煉自己的實驗能力。

2.2 不會造成安全性問題

現在的學生大多數都是獨生子女，父母十分愛護，再加上社會輿論、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，從而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），觀察到實驗結果，卻避免了傳染病、感染等危險因素，體現了學生的參與性，有助于知識的掌握。

“觀察眼球的結構”一般使用模型教具，模型雖然能夠較好的實現眼球各結構的認識，但是對于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（圖3），局部與整體關系清晰，對于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，既可以避免造成學生的人身傷害，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，同時現在的顯微鏡質量不佳，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（圖4），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還是有很大幫助。

在“觀察蚯蚓的結構”實驗中，由于部分學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，還可以觀察到蚯蚓的內部結構。

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，能夠隨時隨地學習和練習。多次的重復操作對于學生實驗技能的提高有很大的幫助，也能獲得很好的實驗體驗，提高學生的學習興趣。

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計的基礎上實現虛擬實驗操作，不可避免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。

3.2 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已經表現出來。在“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。

3.3 圖片不夠清晰，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，可能和設計者獲得的途徑有關。同時部分實驗，特別是顯微鏡的實驗，操作比較復雜，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。教師需要不斷學習、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。