生物模擬仿真實(shí)驗(yàn)課件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

范郭昌驊　徐英萍　李建珍

摘 要：生物模擬仿真實(shí)驗(yàn)課件由于其成本低、危險(xiǎn)性小、可反復(fù)操作等特點(diǎn)，現(xiàn)已成為生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種有效的教學(xué)工具。本文就筆者親身參與生物模擬仿真實(shí)驗(yàn)課件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，對(duì)于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行了總結(jié)，以期為今后相關(guān)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：生物仿真實(shí)驗(yàn)；課件設(shè)計(jì)；課件開(kāi)發(fā)

中圖分類(lèi)號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2009）04-0059-04

一、引言

生物學(xué)是建立在科學(xué)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的自然科學(xué)，科學(xué)實(shí)驗(yàn)不僅是推動(dòng)生物科學(xué)發(fā)展的重要力量，也是生物學(xué)教學(xué)不可缺少的組成部分。通過(guò)科學(xué)實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)基本技能和能力是培養(yǎng)學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)的要求，也是生物學(xué)教學(xué)的重要任務(wù)。[1] 但是在傳統(tǒng)的生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)過(guò)程中，由于實(shí)驗(yàn)空間的限制，大部分學(xué)生無(wú)法全方位觀察到實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，對(duì)于一些操作細(xì)節(jié)和難點(diǎn)更是難以重復(fù)演示，每次實(shí)驗(yàn)都會(huì)造成實(shí)驗(yàn)材料的重復(fù)浪費(fèi)，這些都給生物實(shí)驗(yàn)帶來(lái)許多困難，難以達(dá)到使學(xué)生掌握學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)基本技能和能力的培養(yǎng)目標(biāo)。[2]

模擬仿真技術(shù)的出現(xiàn)給生物實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了新的生機(jī)，它組合圖像、動(dòng)畫(huà)、視頻、聲音等多種信息，提供形象逼真的實(shí)驗(yàn)器材和材料，生動(dòng)逼真的模擬實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，成為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種有效的教學(xué)工具。模擬仿真實(shí)驗(yàn)還具有成本低、危險(xiǎn)性小、可反復(fù)操作等優(yōu)勢(shì)，受到廣大實(shí)驗(yàn)教學(xué)人員和學(xué)生的歡迎。鑒于此，西北師范大學(xué)教育技術(shù)與傳播學(xué)院楊改學(xué)教授決定開(kāi)發(fā)一套生物動(dòng)植物模擬仿真實(shí)驗(yàn)課件。筆者有幸參與了此次設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的全過(guò)程，對(duì)于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的一些關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了總結(jié)，希望能夠?yàn)榻窈箢?lèi)似實(shí)驗(yàn)的開(kāi)發(fā)提供參考和借鑒。

二、生物模擬仿真實(shí)驗(yàn)課件的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

生物模擬仿真實(shí)驗(yàn)課件的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)是一個(gè)系統(tǒng)工程，需要多學(xué)科教學(xué)人員共同參與，各個(gè)環(huán)節(jié)認(rèn)真準(zhǔn)備，因此，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的準(zhǔn)備工作就顯得尤為重要。

1.模擬仿真實(shí)驗(yàn)課件內(nèi)容的選擇

由于該模擬仿真實(shí)驗(yàn)課件定位是中學(xué)、中職和高校生物動(dòng)植物實(shí)驗(yàn)的自學(xué)及輔助教學(xué)使用的課件。因此，我們選擇的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容必須是中學(xué)、中職和高校生物實(shí)驗(yàn)中都有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容；選擇的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容都能涵蓋生物試驗(yàn)中植物和動(dòng)物標(biāo)本制作實(shí)驗(yàn)中的多個(gè)類(lèi)別，還具有一定的代表性。通過(guò)實(shí)際的調(diào)查和需要，我們選擇了植物方面的木槿標(biāo)本制作、淀粉粒的觀察、洋蔥磷葉表皮細(xì)胞和金色狗尾草標(biāo)本等10個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，選擇了動(dòng)物方面的蝴蝶標(biāo)本、家鴿標(biāo)本、家兔標(biāo)本等5個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

2.模擬仿真實(shí)驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

為了加快實(shí)驗(yàn)課件的開(kāi)發(fā)進(jìn)度，我們采取模塊化的開(kāi)發(fā)思想，將所有實(shí)驗(yàn)內(nèi)容按照動(dòng)物和植物分為兩類(lèi)，分別制作成DVD光盤(pán)。教學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們按照生物實(shí)驗(yàn)的要求，將實(shí)驗(yàn)分解為實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)視頻和模擬實(shí)驗(yàn)四個(gè)基本的過(guò)程，這樣模塊化的分解有利于開(kāi)發(fā)工作的同步進(jìn)行。其整個(gè)模擬仿真實(shí)驗(yàn)體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

生物模擬仿真實(shí)驗(yàn)的體系結(jié)構(gòu)都是通過(guò)Authorware 7.02軟件設(shè)計(jì)制作的，目錄下面包括具體的每一個(gè)模擬仿真實(shí)驗(yàn)，是一個(gè)完整的體系。實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)步驟部分以文本的形式分別呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)材料、實(shí)驗(yàn)器材、進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的詳細(xì)步驟以及實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要注意的事項(xiàng)，主要是幫助學(xué)習(xí)者了解實(shí)驗(yàn)的具體情況，做好實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備工作。

實(shí)驗(yàn)視頻是通過(guò)對(duì)一個(gè)完整的教師實(shí)際操作過(guò)程的全方位拍攝，運(yùn)用Premiere pro7.0視頻編輯軟件制作而成。視頻不僅清晰，而且伴有詳細(xì)解說(shuō)，讓學(xué)習(xí)者全面了解整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，學(xué)習(xí)者可以通過(guò)暫停、回放等功能，仔細(xì)學(xué)習(xí)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)操作技能。

模擬實(shí)驗(yàn)是整個(gè)課件的核心部分，學(xué)習(xí)者進(jìn)入模擬仿真學(xué)習(xí)時(shí)，可以操作工具區(qū)的工具和實(shí)驗(yàn)材料，通過(guò)拖動(dòng)、點(diǎn)擊等操作進(jìn)行交互，按照實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行，操作錯(cuò)誤都有相關(guān)的提示，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者正確操作。在實(shí)驗(yàn)?zāi)M操作完成后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)詢(xún)問(wèn)“實(shí)驗(yàn)操作完成，是否重新操作該實(shí)驗(yàn)？”如果點(diǎn)擊“是”按鈕，系統(tǒng)就自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，學(xué)習(xí)者進(jìn)行再次實(shí)驗(yàn)操作練習(xí)。如果選擇點(diǎn)擊“否”按鈕，系統(tǒng)就自動(dòng)返回目錄，學(xué)習(xí)者可以選擇學(xué)習(xí)其它實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。另外，我們?cè)谡n件的設(shè)計(jì)中還加入音樂(lè)，讓學(xué)習(xí)者在輕松的氣氛中學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)的基本技能和能力，學(xué)習(xí)者也可以選擇關(guān)閉音樂(lè)。

3.設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)人員的組成

生物模擬仿真實(shí)驗(yàn)課件的開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，需要生物學(xué)科、教育技術(shù)學(xué)科等多學(xué)科人員的共同參與。在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，為了保證開(kāi)發(fā)工作的效率和質(zhì)量，我們成立了專(zhuān)門(mén)的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)，有生物學(xué)科專(zhuān)家、生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教師、生物學(xué)學(xué)生、信息技術(shù)教師，軟件設(shè)計(jì)、教學(xué)設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)教師、播音以及美工人員等。為了便于管理，我們將所有的人員分為平臺(tái)搭建組、界面設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)組、技術(shù)攻關(guān)組及素材處理組，各個(gè)小組同時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，保證了開(kāi)發(fā)的效率。

三、生物模擬仿真實(shí)驗(yàn)課件的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

此次生物模擬仿真實(shí)驗(yàn)課件的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是嚴(yán)格按照軟件開(kāi)發(fā)的流程，包括教學(xué)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、腳本編寫(xiě)、素材加工、程序?qū)崿F(xiàn)、試用修改和產(chǎn)品出版等各個(gè)環(huán)節(jié)。[3]下面主要就本課件核心部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行介紹。

1.設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工具的選擇

工欲善其事，必先利其器。選取優(yōu)秀的開(kāi)發(fā)工具是課件開(kāi)發(fā)成功的基礎(chǔ)和保障。此次課件開(kāi)發(fā)的思想是選取的開(kāi)發(fā)工具技術(shù)難度低、跨平臺(tái)性好、交互性好、界面美觀。

通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)Visual Basic、3D MAX、Macromedia Flash等軟件都具有開(kāi)發(fā)課件功能，但是通過(guò)比較和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，我們選擇了Macromedia Flash 8作為我們模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)K開(kāi)發(fā)的主工具。該軟件是矢量圖形編輯和動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作專(zhuān)業(yè)軟件，本身具有強(qiáng)大的動(dòng)畫(huà)創(chuàng)作功能，還自帶了面向?qū)ο缶幊痰腁ctionScript 內(nèi)置腳本語(yǔ)言，這極大地增加了課件設(shè)計(jì)及創(chuàng)作的自由度，開(kāi)發(fā)者在不必編寫(xiě)大量程序的情況下就能夠輕松開(kāi)發(fā)出交互性極強(qiáng)的仿真實(shí)驗(yàn)。

Authorware 7.02軟件是一種基于圖標(biāo)和流線的多媒體開(kāi)發(fā)工具，該軟件最大的特點(diǎn)在于能夠?qū)⒏鞣N文字、圖片、聲音、視頻等素材進(jìn)行組合，而且其交互性非常好，因此，選擇其作為課件平臺(tái)搭建的工具軟件。在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們還使用了其它一些工具軟件，Adobe Photoshop CS用于處理圖像，Cool Edit音頻編輯軟件處理聲音信息，Premiere pro7.0視頻編輯軟件用于編輯實(shí)驗(yàn)視頻，這些軟件都輔助生物模擬仿真實(shí)驗(yàn)課件的開(kāi)發(fā)。

2.平臺(tái)的搭建與實(shí)現(xiàn)

生物模擬仿真實(shí)驗(yàn)課件的平臺(tái)是運(yùn)用Authorware 7.02軟件搭建的，分為動(dòng)物實(shí)驗(yàn)課件平臺(tái)和植物實(shí)驗(yàn)平臺(tái)兩部分，其平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)是相同的，都有三層。第一層結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要是首頁(yè)、按鈕、課件標(biāo)題文本和各個(gè)實(shí)驗(yàn)。第二層結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要是背景、音樂(lè)開(kāi)關(guān)、菜單以及實(shí)驗(yàn)的四個(gè)部分。第三層是實(shí)驗(yàn)的具體每一步驟的實(shí)現(xiàn)，包括文本、視頻和模擬實(shí)驗(yàn)的嵌入。

視頻的嵌入方法：雙擊【實(shí)驗(yàn)視頻】群組圖標(biāo)，進(jìn)入第三層，拖動(dòng)【數(shù)字電影】圖標(biāo)到主流程線上，右擊【屬性】菜單，單擊【導(dǎo)入】按鈕，導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)視頻，進(jìn)行屬性設(shè)置后即可。嵌入模擬仿真實(shí)驗(yàn)方法：雙擊【模擬實(shí)驗(yàn)】群組圖標(biāo)，進(jìn)入第三層，單擊【插入】【媒體】【Flash Movie】菜單，彈出【Flash Asset Properties】對(duì)話框，單擊【Browse...】按鈕，然后選擇自己的模擬實(shí)驗(yàn)，最后單擊【OK】按鈕即可將Flash 文件導(dǎo)入Authorware 7.02流程圖中，完成模擬實(shí)驗(yàn)在平臺(tái)中的嵌入。

3.界面的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

模擬仿真實(shí)驗(yàn)的界面是學(xué)習(xí)者和計(jì)算機(jī)進(jìn)行交互的平臺(tái)，學(xué)習(xí)者在操作過(guò)程中獲得反饋信息以便繼續(xù)下一步的操作。因此，交互界面的設(shè)計(jì)對(duì)于我們的模擬實(shí)驗(yàn)至關(guān)重要。在此次生物模擬仿真實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中，我們的界面設(shè)計(jì)如圖4所示。

我們將實(shí)驗(yàn)的操作平臺(tái)分為實(shí)驗(yàn)工具材料區(qū)和實(shí)驗(yàn)操作區(qū)，如此劃分的目的在于，使學(xué)習(xí)者明白實(shí)驗(yàn)所用到的材料和實(shí)驗(yàn)儀器工具，明白實(shí)驗(yàn)的操作順序。在實(shí)驗(yàn)工具材料區(qū)，我們將儀器和工具都做成按鈕元件，不僅便于控制和操作，而且當(dāng)學(xué)習(xí)者將鼠標(biāo)移到其上時(shí)，自動(dòng)變大，這樣可以防止錯(cuò)誤的操作。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們對(duì)于下一步的操作用紅色閃爍箭頭標(biāo)示，學(xué)習(xí)者可以很方便地找到需要的儀器繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。

在軟件的測(cè)試過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，其實(shí)很多學(xué)生對(duì)于實(shí)驗(yàn)過(guò)程并不熟悉，操作過(guò)程中存在交互問(wèn)題，因此我們?cè)O(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)注意和實(shí)驗(yàn)提示區(qū)（如圖4所示），集中在操作區(qū)的左上角，對(duì)實(shí)驗(yàn)的下一步操作進(jìn)行提示，以免造成學(xué)生的誤操作。實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)則主要是對(duì)實(shí)驗(yàn)中的重點(diǎn)和需要注意的問(wèn)題，給學(xué)生以提示，確保學(xué)生在操作過(guò)程中熟記每一步的操作技巧和要領(lǐng)。

4.微觀技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

生物學(xué)科由于其實(shí)驗(yàn)對(duì)象的特殊性，許多實(shí)驗(yàn)都是需要進(jìn)行微觀操作的，比如本課件中的木槿標(biāo)本、洋蔥磷葉表皮細(xì)胞、淀粉粒的觀察以及蝴蝶標(biāo)本等都需要微觀操作，如圖5所示。

對(duì)于模擬實(shí)驗(yàn)中的微觀技術(shù)我們采用了Flash中的“遮罩層”，如圖6所示。它是Flash中一個(gè)非常特殊的功能，利用它可以實(shí)現(xiàn)特殊形式的動(dòng)畫(huà)。如果將某一層設(shè)為遮罩層時(shí)，其下一層就是被遮罩層，遮罩層的圖形可以是任意圖形，如圖5中就是一個(gè)圓形，這就是“視窗”。Flash播放時(shí)，被遮罩的對(duì)象就是通過(guò)“視窗”顯示出來(lái)，而視窗之外的東西就被遮罩住了。[4]

如圖6所示，遮罩效果的實(shí)現(xiàn)方法具體如下：首先，在原圖層上新建圖層并命名為“大標(biāo)本”，然后將原圖放大到適中后插入到該圖層，并移動(dòng)使其與原圖的位置基本吻合。其次，在“大標(biāo)本”層上新建層并命名為“遮罩層”，在遮罩層上新建層命名為“遮罩框”，然后用工具區(qū)的圓形工具繪制圓形，并調(diào)整大小和透明度，將其移動(dòng)到適合的位置。將圓形的內(nèi)部作為遮罩部分，留在遮罩層，將圓形的邊框剪切后粘貼到“遮罩框”層。最后選中遮罩層右擊，將該層設(shè)置為【遮罩層】命令，圖層自動(dòng)鎖定，這樣就形成了如圖5的放大鏡效果，形象逼真。這樣的顯示效果有利于學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)操作的技巧。

四、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)后續(xù)的課件調(diào)試、評(píng)價(jià)以及封裝等工作，整套課件現(xiàn)已開(kāi)發(fā)完成，該生物模擬仿真實(shí)驗(yàn)課件擬于2009年在高等教育出版社出版。雖然設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的工作告一段落，但是整個(gè)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中出現(xiàn)的一些問(wèn)題還是需要我們注意，視頻素材的處理技術(shù)，F(xiàn)lash的高級(jí)腳本語(yǔ)言的編寫(xiě)，以及開(kāi)發(fā)人員的有效組織和協(xié)調(diào)的問(wèn)題，還有在具體實(shí)驗(yàn)教學(xué)中如何更好的運(yùn)用該課件的問(wèn)題，這些都需要我們持續(xù)地關(guān)注和研究。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：隗爽）