利用虚拟实验平台，构建数字实验教学

摘 要：生物学是一门以实验为基础的探究性自然科学，观察和实验是生物学研究的基本方法。由于各种因素的存在，实验教学不能完全开展。随着信息技术的发展，虚拟实验平台在实验教学中显现出的重要作用，为传统实验的数字化教学奠定了基础。文章通过实例介绍，对虚拟实验平台，特别是对NOBOOK生物实验的优越性和不足之处进行了简单分析，对利用虚拟实验平台、构建数字化实验教学提出了展望。

关键词：初中生物学；实验；数字化；虚拟实验平台

中图分类号：G633.91 文献标识码：A 收稿日期：2018-07-08

作者简介：曹喜军（1975—），男，河南洛阳人，河南省洛阳市第四十八中学教师，一级教师。

一、传统实验的数字化工具——虚拟实验平台

计算机功能和技术的发展，以及实际教学的需要，催生了一系列虚拟实验平台。此类软件将传统实验数字化，能够模拟真实的实验环境，借助电脑或手机完成实验操作，得出实验结果。在这些虚拟实验平台中，NOBOOK生物（以下简称“NB生物”）实验是其中的佼佼者。

NB生物是一款能够在电脑或手机上使用的，基于HTML5技术开发的跨平台学科工具。NB生物采用高精度3D模型制作，视觉效果清晰震撼，所展示的生物结构、生命现象、生命活动规律以及原理一目了然。NB生物包含观察类、演示类、动手操作、探究类等实验资源，分为动物学、植物學、人体生理、微生物、遗传学、生态学六大模块，同时兼具高清图片、3D模型、3D动画300个以上，3D模型支持360度旋转、多维立体展示，效果逼真，可进行放大缩小等操作。这些优点使NB生物成为一款优秀的虚拟实验平台，配合其他虚拟实验软件，为数字化实验教学提供了技术支持，也使实验的数字化成为可能。

二、数字化实验的优越性

1.模拟完成课堂上难以开展、完成的传统实验

在初中生物学实验中，有些实验是利用现有实验室条件难以完成的。这些实验由于实验材料难以获得、学生所处生活环境、学生的实验能力等原因，难以在课堂上开展、完成。在传统条件下，单纯依靠教师讲授或者观看视频，无法获得直观的实验结果，影响学生对知识的掌握。如果利用虚拟实验平台则能避免这些尴尬现象。

“模拟保护色的形成”是有关生物对环境的适应、环境影响生物、生物进化的一个十分典型的实验，课本中实验的设计是把学生作为捕食者，把不同颜色的纸片作为被捕食者，通过模拟捕食和繁殖，得出相应的结论。在实际实验时，由于人的注意力和习惯、颜色的对比差别等原因，部分学生会下意识地寻找某些颜色的纸片，难以真正实现随机性选择，从而使实验的效果不很理想。在NB生物中，通过计算机随机对不同颜色的青蛙进行捕食，计算剩余青蛙的数量，产生相应数量的后代，记录数据并多次重复（如图1），最终得到与背景颜色近似的青蛙存活率最大，从而得出相应的结论。由于计算机的随机选择比人的选择公平性更大些，避免了人为因素的影响，实际效果好于传统手段。

“酒精对水蚤心率的影响”这一实验设计很好，通过计数不同浓度酒精溶液中水蚤的心率，得出不同浓度酒精对水蚤心率的影响。在实际实验过程中，由于水蚤很小，需要用显微镜观察，而显微镜的视野范围比较小，运动的水蚤很快就离开视野；水蚤的心率比较快，又在运动中，计数比较困难；城市中水蚤不易获得；学生期末时间有限等原 因，实验很难真正开展。在NB生物中，完全无视上述困难，在高清动态图片中观察并计数不同浓度酒精溶液中水蚤的心率（如图2），然后通过对比得出结论，既减少了教师的工作量，又降低了学生实验的难度。

在虚拟实验平台中，把实验数字化，对于用传统方法难以在现实教学中开展、完成的实验，通过虚拟手段完成，给学生直观的实验感受。这样比单纯的讲授，或者播放视频更容易提高学生的主动性和积极性，学生也更容易参与实验，掌握知识。

2.不会造成安全性问题

现在的学生大多都是独生子女，父母十分爱护，加上社会舆论、法律意识、经济利益等因素，一些原本能够在课堂上开展的实验，出于安全性的考虑，教师不敢开展，影响学生的实验体验。

“血型鉴定”是学生比较喜欢的一个实验，学生也希望通过该实验知道自己的血型。出于安全性考虑，初中生物学不再进行真实的血型鉴定，利用化学药品的模拟实验存在药品价格昂贵、效果不佳、体验不真实等问题。在NB生物中，学生能够体验到真实的血型鉴定的所有步骤（如图3），观察到实验结果，避免了传染病、感染等危险因素，体现了学生的参与，有助于知识的掌握。

“观察眼球的结构”一般使用模型教具，模型虽然能够较好地实现眼球各结构的认识，但是对各结构之间的空间关系不好表现，不容易弄清整体与局部的联系。在NB生物中，在观察眼球结构的某一部分时，需要观察的部分用带色彩的图形表示，其他部分用网状线条描绘（如图4），局部与整体关系清晰，对学生弄清各结构的空间位置和联系，有很好的效果。

使用数字化的虚拟实验平台，既可以避免对学生造成人身伤害，也可以解决教师购买和保存实验材料的麻烦，避免实验材料的浪费，达到较好的实验效果。

3.实现学生的自主学习和练习

实验的操作能力是学生必备的技能。传统实验只能在实验课上进行操作练习，离开实验室，学生无法进行实验操作训练，观看视频也只能有整体的认知，没有实际的动手操作，不能提高动手能力。

显微镜的操作不仅是初中学生的基本实验技能，也是中招实验考试的重要内容。由于学生人数多，显微镜少，学生没有充足的时间进行练习，同时现有的显微镜质量不佳，一台新的显微镜用不了多长时间，就会出现滑丝等故障，造成显微镜的损坏。在NB生物中，学生可以虚拟操作显微镜，实时观察操作结果（如图5），实现对显微镜结构的掌握，熟练显微镜的使用方法。学生还可以随时多次重复练习，虽然不能替代真正的显微镜操作，但是对于技能的熟练有很大帮助。

在“观察蚯蚓的结构”实验中，部分学生由于对活蚯蚓有畏惧感，不敢进行实验操作，实验时间过长也容易造成蚯蚓的死亡。利用NB生物，观察的是高清图片，而不需要面对真实的蚯蚓，克服了学生的畏惧感，多次练习操作时也不需要担心蚯蚓的死亡，还可以观察蚯蚓的内部结构（如图6）。

使用虚拟实验平台，实现数字化实验教学，在电脑或手机中进行实验操作，实现了随时随地的学习和练习。多次的重复操作，对于学生实验技能的提高有很大的帮助，也能让学生获得很好的实验体验，提高其学习兴趣。

三、虚拟实验平台的不足之处

1.有些实验过于程序化

虛拟实验平台是在程序设计的基础上实现虚拟实验操作，不可避免地要受到程序设计的影响，从而造成实验比较程序化，预设性较强，不能体现真实实验的各种意外表现，这是CAI所不可避免的[2]。

2.有些实验设计不够合理

虚拟实验平台需要收费，因此包括推广阶段的NB生物在内，虽然集合了大量生物教师的意见，但是毕竟使用人群较少，一些问题可能还没有发现，一些设计不够合理的部分却已经表现出来。“模拟保护色的形成”这个实验中，以下设计就不够合理：①绿色的青蛙与背景色差距较大，还是很容易被点击而捕食。②点击A青蛙后消失的不是A青蛙，而是B青蛙。③青蛙颜色的设置不合适，蓝青蛙和红青蛙在现实生活中基本没有。其他虚拟实验平台和虚拟实验也有相应问题，需要设计者加以改正。

3.有些图片不够清晰，有些实验操作起来比较复杂

虚拟实验平台所使用的部分图片不够清晰，甚至是简单的矢量图。NB生物宣传的是高清大图，但是实际上部分图片的效果并不是很好，可能和设计者获得的途径有关（图7是笔者自己实际拍摄的显微照片，效果明显好于图8NB生物所使用的图片）。同时部分实验，特别是显微镜的实验，操作比较复杂，不很准确，另外一些需要用到滴管的实验没有提示要点击滴管的胶头等，这些瑕疵影响了数字化实验体验。

随着信息技术的飞速发展，信息技术在生物教学上必将有更为广泛的应用、更进一步的发展，虚拟实验软件的效果也会更加逼真，更加接近于传统实验，实验体验感会更好，也能实现更多实验的数字化、更为自由的实验组合。我们需要不断地学习、研究，充分利用数字化实验手段，并与传统实验手段优化组合，发挥各自优势，弥补各自的局限性，力争获得理想的教学效果。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部.义务教育生物学课程标准（2011年版）[M].北京：北京师范大学出版社，2012.

[2]赵山鹰.多媒体环境下的教学设计和资源应用[M].开封：河南大学出版社，2012.