VR技術在植物細胞質壁分離實驗操作考試中的應用

商 勇 蔡樹男

(廣東省深圳市華僑城中學 深圳 518053)

1 生物學實驗操作考試現狀

生物學是一門基礎自然學科，實驗教學以及與之評價相關的實驗操作考試應該是生物學教學中的重要組成部分。目前主要針對實驗理論方面進行紙筆考試，實驗操作考試的開展相對滯后，無法有效反映學生的真實操作能力。即使對于少數開展實驗操作考試的學校，也大都以教師現場定性評價為主，其結果較易受到主觀因素影響，同時也需要較多人力、物力的參與。如何讓生物學實驗操作考試更加有效和公平也是值得探討的問題。隨著社會的發展，信息技術也在逐步和教育教學緊密結合，為智能化實驗操作考試的建立奠定基礎。

2 VR技術與生物學實驗教學

VR技術(Virtual Reality)即虛擬現實技術，它是結合多媒體技術、傳感技術、網絡技術等通過計算機生成的一種虛擬環境，讓用戶沉浸其中并且能與環境進行具有真實感體驗的交互技術[1, 2]。是繼多媒體技術、計算機輔助技術在教育領域應用后的另外一種新型信息技術，具有交互性、沉浸性和構想性的特點[3]。

目前，虛擬現實技術在高校的生物學實驗教學中已有比較多的應用，如： 構建虛擬生物學實驗室進行一些課堂上因為時間或者實驗材料原因難以完成的實驗[3]。在高中實驗操作方面，通過VR技術演示教學，有利于學生主動參與課堂，提高學生的積極性和主動性，對于培養學生的學習能力和創新能力都具有重要意義[2]。

將信息化的技術手段應用于生物學實驗操作考試方面，已有基于DIS技術的實驗考評系統研發，主要通過傳感器和數據采集器等方式來對實驗操作進行實時監測，對關鍵步驟和過程設定評價標準并予以賦分，從而克服在實驗操作考試中人為主觀因素的干擾[4]。

本文則從VR方向上探討其在實驗操作考試中的應用，所研發的案例也是本校承擔的廣東省教育研究院重點課題“高中生物學實驗操作考試研究與實踐”的內容之一，隨著VR技術的進一步發展和相關硬件設備的普及，相信它在教育領域中的應用也將更為廣泛。

3 基于VR技術的質壁分離實驗操作考試研究過程

3.1 研究思路 質壁分離實驗是高中生物學必修1中的探究類實驗，主要實驗步驟有： 制作洋蔥鱗片葉外表皮臨時裝片、低倍鏡觀察中央液泡、細胞失水發生質壁分離以及質壁分離的復原觀察等步驟，根據這些實驗步驟的重要性，筆者在虛擬操作的實驗系統中根據不同步驟設置了相應分數，學生操作正確則會得到相應分數，如果操作不當，系統設定了相應提示，但不會給分；實驗相關材料(如顯微鏡、刀片、洋蔥鱗片葉、滴管、蔗糖溶液、載玻片、吸水紙等)通過虛擬建模的方式內置于操作系統中，且整個實驗室的空間和實驗操作臺也通過計算機模擬的方式產生虛擬空間，學生打開zSpace3D操作平臺相應軟件即可進入虛擬的實驗室(圖1)。

圖1 質壁分離實驗操作考試虛擬實驗室開始界面

3.2 方法步驟 包括以下9個步驟：

(1) 學生佩戴zSpace追蹤眼鏡，打開zSpace3D展示平臺上的實驗軟件，進入植物細胞質壁分離實驗操作考試實驗室(圖1)，學生進入系統之前需要輸入自己的學號和準考證號，以確認身份。

(2) 用zSpace觸筆在虛擬實驗臺上首先選取正確的洋蔥鱗片葉表皮細胞，這個環節是第一個重要考點，實驗臺上分別提供了洋蔥鱗片葉的外表皮和內表皮供學生選擇，正確的實驗材料應該是外表皮，如果學生選擇錯誤，系統會提示正確選擇以保證實驗的繼續進行，但此時不會給予分值。

(3) 用鑷子撕取適當洋蔥鱗片葉外表皮并制作臨時裝片，此步驟涉及到取載玻片后要先滴加1滴蒸餾水到載玻片中央，學生如果沒有進行此步操作，系統會扣除一定分值。

(4) 在顯微鏡下進行觀察，學生將制備好的臨時裝片放入顯微鏡的載物臺上，并調節粗、細準焦螺旋以獲得清晰圖像。

(5) 取下臨時裝片并在一側滴加蔗糖溶液進行細胞失水的操作(圖2)；這個步驟還包括滴加蔗糖溶液后用吸水紙引流。

圖2 滴加蔗糖溶液進行植物細胞失水操作

(6) 細胞失水操作結束后，把臨時裝片放置在顯微鏡下觀察，和步驟(4)操作基本一致，其目的在于觀察蔗糖溶液處理后的質壁分離現象(圖3)。

圖3 顯微鏡下的植物細胞質壁分離圖像

(7) 取下臨時裝片并在一側滴加蒸餾水進行細胞質壁分離復原的操作。

(8) 在顯微鏡下觀察植物細胞質壁分離復原的結果。

圖4 實驗操作考試結束后的成績反饋

(9) 實驗操作考試完成，點擊提交實驗，系統會給出實時評價結果，圖4所給出的是操作完全正確的情況下所得到的反饋，如果學生中間有步驟操作不當則會失去相應的分數，系統最后給出的結果除了分數還包括操作錯誤之處在哪里。

學生佩戴zSpace追蹤眼鏡后，整個實驗過程在zSpace觸筆的控制下完成，通過學生的實際操作發現考試完成時間大概在5～7分鐘之間，對于zSpace觸筆的使用學生也能很快熟悉，考試期間無需人工監考并且實現智能化評價。

除了作為考試使用，此實驗也可以用于課堂演示教學，在傳統的教師個人操作示范中，只有部分學生能夠觀察到實驗流程，而VR條件下的實驗展示能夠讓班級所有學生都看得清楚，同時也進一步激發學生對實驗課的學習興趣。

4 VR技術的應用展望

生物學是一門實驗學科，由于目前有效實驗考核體系的缺乏導致生物學實驗教學并沒有得到很好重視。

也有學校正在逐步嘗試諸如對學生實驗操作進行錄像然后通過電腦統一評價的方式來提高考試效率，不過它仍然帶有一定的主觀性。

相比之下，本文的案例發現： 基于VR技術的生物學實驗操作考試體系可能是一個新的解決方案，只要是實驗環節涉及的材料用具都可以通過虛擬建模的方式呈現在學生面前，讓他們通過使用zSpace觸筆控制的方式完成整個實驗流程；另外VR技術條件下的實驗操作考試還有其他一些優點，如： ①不用等待必要的反應過程；②虛擬實驗側重針對實驗操作流程和結果，因此也大大減少了完成整個實驗的時間；③整個實驗過程不涉及有危害的實驗藥品，相對較為安全，而且模擬實驗用具和材料可以重復使用等。以上這些從考試的角度上說，既降低了成本又提升了考試效率。不過也必須看到，虛擬實驗仍然不是真實的實驗操作，對于學生實驗操作技能的培養還必須依靠傳統的實驗操作訓練。