利用虛擬實驗平臺，構(gòu)建數(shù)字實驗教學(xué)

摘 要：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。由于各種因素的存在，實驗教學(xué)不能完全開展。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬實驗平臺在實驗教學(xué)中顯現(xiàn)出的重要作用，為傳統(tǒng)實驗的數(shù)字化教學(xué)奠定了基礎(chǔ)。文章通過實例介紹，對虛擬實驗平臺，特別是對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)識碼：A 收稿日期：2018-07-08

作者簡介：曹喜軍（1975—），男，河南洛陽人，河南省洛陽市第四十八中學(xué)教師，一級教師。

一、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。此類軟件將傳統(tǒng)實驗數(shù)字化，能夠模擬真實的實驗環(huán)境，借助電腦或手機完成實驗操作，得出實驗結(jié)果。在這些虛擬實驗平臺中，NOBOOK生物（以下簡稱“NB生物”）實驗是其中的佼佼者。

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，視覺效果清晰震撼，所展示的生物結(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度旋轉(zhuǎn)、多維立體展示，效果逼真，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。

二、數(shù)字化實驗的優(yōu)越性

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，有些實驗是利用現(xiàn)有實驗室條件難以完成的。這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。在傳統(tǒng)條件下，單純依靠教師講授或者觀看視頻，無法獲得直觀的實驗結(jié)果，影響學(xué)生對知識的掌握。如果利用虛擬實驗平臺則能避免這些尷尬現(xiàn)象。

“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，把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)（如圖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公平性更大些，避免了人為因素的影響，實際效果好于傳統(tǒng)手段。

“酒精對水蚤心率的影響”這一實驗設(shè)計很好，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)生期末時間有限等原 因，實驗很難真正開展。在NB生物中，完全無視上述困難，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（如圖2），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。

在虛擬實驗平臺中，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，掌握知識。

2.不會造成安全性問題

現(xiàn)在的學(xué)生大多都是獨生子女，父母十分愛護，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，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)藥品的模擬實驗存在藥品價格昂貴、效果不佳、體驗不真實等問題。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（如圖3），觀察到實驗結(jié)果，避免了傳染病、感染等危險因素，體現(xiàn)了學(xué)生的參與，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，模型雖然能夠較好地實現(xiàn)眼球各結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，但是對各結(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（如圖4），局部與整體關(guān)系清晰，對學(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，既可以避免對學(xué)生造成人身傷害，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。

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(rèn)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，也是中招實驗考試的重要內(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)有的顯微鏡質(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（如圖5），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有很大幫助。

在“觀察蚯蚓的結(jié)構(gòu)”實驗中，部分學(xué)生由于對活蚯蚓有畏懼感，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，而不需要面對真實的蚯蚓，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，還可以觀察蚯蚓的內(nèi)部結(jié)構(gòu)（如圖6）。

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，實現(xiàn)了隨時隨地的學(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，也能讓學(xué)生獲得很好的實驗體驗，提高其學(xué)習(xí)興趣。

三、虛擬實驗平臺的不足之處

1.有些實驗過于程序化

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，不可避免地要受到程序設(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[2]。

2.有些實驗設(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)計不夠合理的部分卻已經(jīng)表現(xiàn)出來?！澳M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.有些圖片不夠清晰，有些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，甚至是簡單的矢量圖。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)（圖7是筆者自己實際拍攝的顯微照片，效果明顯好于圖8NB生物所使用的圖片）。同時部分實驗，特別是顯微鏡的實驗，操作比較復(fù)雜，不很準(zhǔn)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，這些瑕疵影響了數(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。我們需要不斷地學(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。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2012.

[2]趙山鷹.多媒體環(huán)境下的教學(xué)設(shè)計和資源應(yīng)用[M].開封：河南大學(xué)出版社，2012.