利用虚拟实验平台，构建数字实验教学

曹喜军

摘要 通过实例介绍，对虚拟实验平台，特别是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

文献标志码B

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。初中生物学中有着众多的实验。通过实验，把动眼、动手和动脑有机地结合起来，既能培养学生的实际操作能力，也有利于提高学生的观察和思维能力、探究能力。初中生物学的课时安排、教师的授课班级数、学生人数等客观现状，以及生物学在初中教学中的重视程度、实验室建设等问题的存在，再加上部分实验持续时间长、实验材料不易获得、实验的安全性等因素，导致教师不可能把课本上的所有实验都演示给学生，更不可能完全由学生动手完成。

《义务教育生物学课程标准（2011年版）》指出：“计算机、多媒体以极强的交互性和模拟功能显示出它在生物学教学中的重要作用，生物学教师应该在教学中充分利用各种教学软件，包括教师自制的教学软件，提高教学效率。”因此，在生物学教学中应用现代信息技术手段能够达到良好的教学效果。随着信息技术的发展，近些年来，虚拟实验平台异军突起，在实验教学中显现出重要作用，为传统实验的数字化教学奠定了基础。

1 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。此类软件能将传统实验数字化，模拟真实的实验环境，教师和学生借助电脑或手机就能完成实验操作，得出实验结果，为实验教学插上信息技术手段的翅膀。在这些虚拟实验平台中，No-Book生物实验（以下简称NB生物）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模型制作而成，视觉效果清晰震撼，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、探究類等实验资源，分为动物学、植物学、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°旋转，多维立体展示，效果逼真，科技感强，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。

2 数字化实验的优点

2.1 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。如果单纯依靠教师讲授或者观看视频，学生无法获得直观的实验结果，影响学生对知识的掌握。如果教师利用虚拟实验平台则能避免这些尴尬问题。

“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，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是很理想。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（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误差更小，避免了人为因素的影响，实际效果好于传统教学手段。

“酒精对水蚤心率的影响”需要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等原因，实验很难真正开展。在NB生物中，完全可以克服上述困难，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，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，主动建构自己的知识体系，锻炼自己的实验能力。

2.2 不会造成安全性问题

现在的学生大多数都是独生子女，父母十分爱护，再加上社会舆论、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，从而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，利用化学药品进行模拟实验，但实验药品价格昂贵、效果不佳、体验不真实。在NB生物中，学生能够体验到真实的血型鉴定的所有步骤（图2），观察到实验结果，却避免了传染病、感染等危险因素，体现了学生的参与性，有助于知识的掌握。

“观察眼球的结构”一般使用模型教具，模型虽然能够较好的实现眼球各结构的认识，但是对于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（图3），局部与整体关系清晰，对于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，既可以避免造成学生的人身伤害，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。

2.3 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，同时现在的显微镜质量不佳，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（图4），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还是有很大帮助。

在“观察蚯蚓的结构”实验中，由于部分学生对活蚯蚓有畏惧感，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（图5），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，还可以观察到蚯蚓的内部结构。

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，能够随时随地学习和练习。多次的重复操作对于学生实验技能的提高有很大的帮助，也能获得很好的实验体验，提高学生的学习兴趣。

3 虛拟实验平台的不足之处。

3.1 实验过于程序化

虚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。

3.2 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已经表现出来。在“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。

3.3 图片不够清晰，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，甚至是简陋的矢量图。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。同时部分实验，特别是显微镜的实验，操作比较复杂，不是很准确，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，这些问题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。教师需要不断学习、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。