借助“低代碼”平臺設計虛擬實驗開展仿真教學

在高中生物學教學中，實驗是重要的教學環節，但部分復雜實驗如“植物組織培養”常由于設備限制、操作難度高、課時緊張等原因難以開展。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）強調實驗教學的重要性，要求開展實驗培養學生科學探究能力和實踐操作技能。然而，現實教學中存在實驗設備昂貴、操作技術要求高、實驗周期長等困難，導致許多學校無法開展此類實驗。虛擬實驗作為一種新興的教學手段，具有靈活性、安全性、低成本、可重復等特點，為生物學實驗教學提供了新思路。例如，以往采用傳統方法開展“菊花的組織培養”實驗，從準備到移栽需4—6周，且需配備高壓蒸汽滅菌鍋、超凈工作臺等昂貴設備及消耗較大的試劑，外植體消毒、接種轉接、培養基配制等操作對學生技術要求高，稍有差錯實驗就會失敗。虛擬實驗則能降本增效。教師一次性開發平臺，成本低且無材料消耗。學生按平臺提示可快速掌握實驗原理和流程，幾分鐘就能完成模擬，還可糾錯復訓。筆者基于“低代碼”iVX平臺開發了“菊花的組織培養”虛擬實驗，旨在以虛擬實驗的方式，幫助學生更好地理解和掌握植物組織培養的原理和技術，提升教學效果。

一、虛擬實驗開發的技術方法與手段

（一）iVX平臺簡介

iVX是一款零代碼的全棧編程工具，目前僅支持電腦端創建應用和體驗。用戶可通過iVX官網注冊登錄后快速開發應用。該平臺編輯器界面功能豐富，使用者可進入官網學習。本次虛擬實驗系統的開發，筆者主要使用了組件、事件、服務三個功能。其中，組件是iVX中最核心的要素，應用中的各類文本、圖表、音視頻、畫布、系統界面、按鈕等都需要添加組件來實現。利用“事件”功能，可以實現復雜的交互功能，例如按“開始重疊/點擊/鼠標懸停/拖動等”操作時，某物體將會“顯示/隱藏、播放/暫停軌跡、移動至某坐標、開始服務、提交/清空內容”等。服務功能則連接前后臺，可實現數據的提交和收集。

（二）系統框架及素材準備

參考中央電化教育館虛擬實驗教學服務系統（NCET）中的“菊花的組織培養”演示實驗并結合人教版高中生物學教材，針對實驗目的和自身需求，確定該虛擬實驗系統的框架要素及呈現的主要內容（見表1）。

表1列出了各框架要素主要包含的內容，除了借助iVX平臺直接添加的文字外，還需利用其他軟件繪制或下載圖片、音效等多媒體資源，以增強實驗的沉浸感和交互性。

（三）項目開發流程

如圖1所示，選擇開發環境后進入編輯器界面制作項目，在對象樹前臺和后臺中添加組件、調整組件屬性并為其添加事件；在后臺添加服務。需要注意的是，實驗操作部分必須先添加畫布，再在畫布內添加其他組件，如此內部圖片組件才能設置“開始重疊”事件。實驗反饋部分（“提交按鈕”）設置服務事件：當“點擊”提交按鈕時，會“啟動服務、清空輸入內容、顯示‘提交成功’”，以連接前、后臺信息。

在制作過程中和制作完成后配合項目預覽進行查看，對系統進行預覽和測試。例如，添加多個畫布和素材后會導致系統在一定程度上卡頓。為此，筆者在實驗操作部分設置系統界面提示：“系統卡頓，請點擊步驟1，稍等片刻后將跳轉到初始狀態”。開發者通過項目預覽和測試后即可選擇發布項目，也可掃描二維碼或點擊鏈接直接使用。用智能手機或平板掃描二維碼或點擊鏈接，可查看最終效果。

二、虛擬實驗教學思路

（一）實驗原理和目的

1902年，哈伯蘭特（Haberlandt）預言離體的植物細胞能夠發育成完整的植物體，并據此提出植物細胞全能性的概念^[1]。目前，“細胞全能性”已被許多科學家證實并作為植物組織培養的原理或理論基礎。具體來說，大多數植物細胞具有該物種全部的遺傳信息，因此在一定激素及營養等條件的誘導下，已經分裂分化的細胞仍然能夠通過脫分化、再分化過程發育成完整植株。

筆者結合學情和課標要求，確定實驗目的：模擬操作菊花莖段的組織培養基本過程，并基于操作理解植物組織培養的原理；樹立和強化無菌操作意識。植物激素的濃度、用量的比例對菊花愈傷組織形成和分化的影響可在理論教學中探究。

（二）實驗材料和設備

開展本實驗需選擇如下材料和設備：幼嫩的菊花莖段、已調節好pH的培養基、75%的酒精、1 mg/L的芐基腺嘌呤溶液（BA溶液）、1 mg/L的萘乙酸溶液（NAA溶液）、次氯酸鈉溶液、無菌水、培養皿、濾紙、燒杯、封口膜、橡皮筋、酒精燈、鑷子、解剖刀、移液槍、超凈工作臺、高壓蒸汽滅菌鍋、恒溫箱等。

（三）虛擬實驗教學流程

該虛擬實驗系統分為實驗目的、實驗原理、材料用具、實驗操作和實驗反饋5個部分（如圖2）。實驗操作的大致流程或模塊（如圖3）包括：①配置MS培養基；②外植體消毒；③外植體接種；④培養和移栽。同時，該虛擬實驗系統的實驗操作交互主要通過拖曳和點擊物體來完成，部分耗時較長的操作通過動畫（給物體設置軌跡）快速呈現。

1.配置MS培養基

該模塊并非教學重點，僅需要學生在培養基中滴加兩種植物激素類似物以配置好MS培養基；將封口的培養基、鑷子、解剖刀和培養皿等進行高溫滅菌。該模塊使學生明確植物培養基和微生物培養基的區別之一是必須加入細胞分裂素和生長素，同時樹立細胞培養的無菌操作意識。

2.外植體消毒

此模塊需要學生模擬沖洗外植體后在超凈工作臺上進行消毒和擦干這一過程。同時，該系統還模擬了超凈工作臺的紫外線消毒及金屬用具的灼燒滅菌，要求學生使用酒精噴壺對超凈工作臺和雙手消毒，將已經高溫滅菌的鑷子和解剖刀進行灼燒滅菌。該模塊涉及化學消毒、物理消毒、灼燒滅菌，鞏固了學生的“常用消毒和滅菌方法”的相關知識和技能，并進一步提升學生的實驗操作能力。

3.外植體接種

此模塊需要學生對外植體切割后將其接種到培養基上，對錐形瓶進行封口、標記。該過程模擬了外植體接種的相關操作，使學生了解接種過程中如何切割外植體和選擇接種部位（莖尖或含側芽的莖段）。在教學過程中，教師還需要強調相關注意事項。例如：接種時，將外植體的1/3或1/2插入培養基，注意不能倒插。

4.培養和移栽

該模塊為教學的重點，需要學生將含有愈傷組織的錐形瓶放入培養箱中培養，誘導形成愈傷組織；重復之前的部分操作，對超凈工作臺消毒、對鑷子和解剖刀灼燒滅菌，將愈傷組織先轉接到生芽培養基誘導形成叢芽；轉接到生根培養基中誘導生根，得到試管苗；煉苗，移栽（如圖4）。經過該模塊的學習，學生對“外植體→誘導愈傷組織→誘導生芽→誘導生根→煉苗→移栽”的植物組織培養過程有完整的認識和體驗。

5.實驗反饋

實驗完成后，學生進入實驗反饋部分，填寫個人信息、進行知識檢測、上傳實驗截圖。其中，知識檢測分別對應“植物組織培養的原理”“MS培養基中特殊成分：植物激素”“無菌操作”三方面知識；實驗截圖則是保證學生完成模擬學習。點擊“提交”按鈕后，學生輸入的內容將更新到系統后臺。教師據此可獲得教學反饋并改進教學。

三、結論與展望

筆者借助iVX平臺設計了“菊花的組織培養”虛擬實驗，解決了高中生物學教學中植物組織培養傳統實驗難以開展的難題^[2]，采用虛擬實驗的方式，為學生提供安全、經濟、可重復的實驗教學體驗。該虛擬實驗不僅再現了植物組織培養的全過程，還借助交互性設計，使學生能夠在模擬環境中進行實驗操作，增強了學習的直觀性和參與感。參與這一虛擬實驗，學生在無需復雜設備和充足課時的情況下，深入理解植物組織培養的原理和技術要點，提升了學習效果。

（一）虛擬實驗系統的持續優化

未來，筆者將致力于持續優化這一虛擬實驗系統，旨在實現與傳統實驗教學模式的深度融合，相互取長補短，提升教學質量。優化內容包括但不限于界面美化的升級、模型構建的精細化、交互邏輯的流暢化、實驗反饋機制的即時化與個性化，以及實驗類型的多元化創新，例如引入探究式虛擬實驗。教師采用構建真實情境、整合學習資源、設置啟發性問題等手段，可激發學生的深層思考與主動學習。筆者在后續研究中，將基于師生反饋的循環迭代，對上述多個方面進行持續優化，確保用戶體驗與學習成效持續提升。

（二）平臺應用的多元化拓展

筆者以“菊花的組織培養”為例，展示了iVX平臺在虛擬實驗開發中的應用潛力。未來可以進一步拓展應用范圍，開發更多類型的生物學虛擬實驗，如“DNA片段的擴增及電泳鑒定”和“基因工程”等，以豐富教學資源，滿足多樣化的教學需求。此外，iVX平臺也可用于開發其他數字化教學資源，如借助iVX平臺進行WebQuest探索性學習活動的設計與實施，采用任務導向、問題驅動、知識鏈接等方式，引導學生主動探索、深入研究。利用iVX平臺設計互動式課件或互動式動畫，添加多媒體元素和互動環節，或是在建模的基礎上設計交互式動畫供師生在線上或線下操作演示；進一步增強學生的學習興趣、操作體驗與深度理解。借助平臺素材展示的豐富性和高互動性特點，嘗試將iVX平臺與其他數字化教學策略相結合將大大降低資源開發及維護成本。

（三）教師技能提升與技術支撐體系的加固

iVX平臺具有“低代碼”的特點，但對于非專業開發人員來說，仍需要一定的學習和適應過程。教師需要一定技術培訓和技術支持。建議組織培訓，提供在線教程，幫助教師快速掌握虛擬實驗的開發技術和教學應用方法。另外，對于數字資源的設計開發可適當做減法。除了部分資源可通過網站直接下載外，還可借助人工智能等技術手段智能生成實驗內容以豐富實驗設計、構建虛擬實驗環境以提升實驗的逼真度和創意性、優化個性化學習和智能指導，提高學生學習效果。例如，可以借助人工智能幫助教師快速創建和優化實驗場景的布局，自動生成實驗中所需的2D或3D模型和動畫效果，甚至提供智能建議和故障排除等服務。這種方式不僅能夠減少教師的學習成本和時間投入，還有助于提高虛擬實驗的質量和吸引力。

參考文獻

[1] 農春仕，孟國忠，尹佟明，等.植物組培再生虛擬仿真實驗的設計與應用[J].實驗技術與管理，2020（6）：5-9.

[2] 楊旭，錢紅梅，程立寶.園藝植物組織培養實驗教學改革與創新探索[J].西南師范大學學報（自然科學版），2019（9）：129-132.

（作者陳秋菊系云南師范大學生命科學學院研究生；許波系云南師范大學生命科學學院教授，本文通訊作者）

責任編輯：祝元志