摘 要：生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的探究性自然科學(xué)，觀察和實(shí)驗(yàn)是生物學(xué)研究的基本方法。由于各種因素的存在，實(shí)驗(yàn)教學(xué)不能完全開展。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中顯現(xiàn)出的重要作用，為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)字化教學(xué)奠定了基礎(chǔ)。文章通過實(shí)例介紹，對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，特別是對(duì)NOBOOK生物實(shí)驗(yàn)的優(yōu)越性和不足之處進(jìn)行了簡(jiǎn)單分析，對(duì)利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、構(gòu)建數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了展望。

關(guān)鍵詞：初中生物學(xué)；實(shí)驗(yàn)；數(shù)字化；虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 收稿日期：2018-07-08

作者簡(jiǎn)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(jí)教師。

一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的數(shù)字化工具——虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

計(jì)算機(jī)功能和技術(shù)的發(fā)展，以及實(shí)際教學(xué)的需要，催生了一系列虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。此類軟件將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)數(shù)字化，能夠模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，借助電腦或手機(jī)完成實(shí)驗(yàn)操作，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在這些虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，NOBOOK生物（以下簡(jiǎn)稱“NB生物”）實(shí)驗(yàn)是其中的佼佼者。

NB生物是一款能夠在電腦或手機(jī)上使用的，基于HTML5技術(shù)開發(fā)的跨平臺(tái)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(dòng)規(guī)律以及原理一目了然。NB生物包含觀察類、演示類、動(dòng)手操作、探究類等實(shí)驗(yàn)資源，分為動(dòng)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(shí)兼具高清圖片、3D模型、3D動(dòng)畫300個(gè)以上，3D模型支持360度旋轉(zhuǎn)、多維立體展示，效果逼真，可進(jìn)行放大縮小等操作。這些優(yōu)點(diǎn)使NB生物成為一款優(yōu)秀的虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，配合其他虛擬實(shí)驗(yàn)軟件，為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了技術(shù)支持，也使實(shí)驗(yàn)的數(shù)字化成為可能。

二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)越性

1.模擬完成課堂上難以開展、完成的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

在初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中，有些實(shí)驗(yàn)是利用現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)室條件難以完成的。這些實(shí)驗(yàn)由于實(shí)驗(yàn)材料難以獲得、學(xué)生所處生活環(huán)境、學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ仍颍y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(shí)驗(yàn)結(jié)果，影響學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握。如果利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)則能避免這些尷尬現(xiàn)象。

“模擬保護(hù)色的形成”是有關(guān)生物對(duì)環(huán)境的適應(yīng)、環(huán)境影響生物、生物進(jìn)化的一個(gè)十分典型的實(shí)驗(yàn)，課本中實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)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(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于人的注意力和習(xí)慣、顏色的對(duì)比差別等原因，部分學(xué)生會(huì)下意識(shí)地尋找某些顏色的紙片，難以真正實(shí)現(xiàn)隨機(jī)性選擇，從而使實(shí)驗(yàn)的效果不很理想。在NB生物中，通過計(jì)算機(jī)隨機(jī)對(duì)不同顏色的青蛙進(jìn)行捕食，計(jì)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(jì)算機(jī)的隨機(jī)選擇比人的選擇公平性更大些，避免了人為因素的影響，實(shí)際效果好于傳統(tǒng)手段。

“酒精對(duì)水蚤心率的影響”這一實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)很好，通過計(jì)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(duì)水蚤心率的影響。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)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(yùn)動(dòng)的水蚤很快就離開視野；水蚤的心率比較快，又在運(yùn)動(dòng)中，計(jì)數(shù)比較困難；城市中水蚤不易獲得；學(xué)生期末時(shí)間有限等原 因，實(shí)驗(yàn)很難真正開展。在NB生物中，完全無視上述困難，在高清動(dòng)態(tài)圖片中觀察并計(jì)數(shù)不同濃度酒精溶液中水蚤的心率（如圖2），然后通過對(duì)比得出結(jié)論，既減少了教師的工作量，又降低了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的難度。

在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中，把實(shí)驗(yàn)數(shù)字化，對(duì)于用傳統(tǒng)方法難以在現(xiàn)實(shí)教學(xué)中開展、完成的實(shí)驗(yàn)，通過虛擬手段完成，給學(xué)生直觀的實(shí)驗(yàn)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(dòng)性和積極性，學(xué)生也更容易參與實(shí)驗(yàn)，掌握知識(shí)。

2.不會(huì)造成安全性問題

現(xiàn)在的學(xué)生大多都是獨(dú)生子女，父母十分愛護(hù)，加上社會(huì)輿論、法律意識(shí)、經(jīng)濟(jì)利益等因素，一些原本能夠在課堂上開展的實(shí)驗(yàn)，出于安全性的考慮，教師不敢開展，影響學(xué)生的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。

“血型鑒定”是學(xué)生比較喜歡的一個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生也希望通過該實(shí)驗(yàn)知道自己的血型。出于安全性考慮，初中生物學(xué)不再進(jìn)行真實(shí)的血型鑒定，利用化學(xué)藥品的模擬實(shí)驗(yàn)存在藥品價(jià)格昂貴、效果不佳、體驗(yàn)不真實(shí)等問題。在NB生物中，學(xué)生能夠體驗(yàn)到真實(shí)的血型鑒定的所有步驟（如圖3），觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，避免了傳染病、感染等危險(xiǎn)因素，體現(xiàn)了學(xué)生的參與，有助于知識(shí)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(shí)現(xiàn)眼球各結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)，但是對(duì)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(shí)，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(duì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，既可以避免對(duì)學(xué)生造成人身傷害，也可以解決教師購(gòu)買和保存實(shí)驗(yàn)材料的麻煩，避免實(shí)驗(yàn)材料的浪費(fèi)，達(dá)到較好的實(shí)驗(yàn)效果。

3.實(shí)現(xiàn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)和練習(xí)

實(shí)驗(yàn)的操作能力是學(xué)生必備的技能。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)只能在實(shí)驗(yàn)課上進(jìn)行操作練習(xí)，離開實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生無法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作訓(xùn)練，觀看視頻也只能有整體的認(rèn)知，沒有實(shí)際的動(dòng)手操作，不能提高動(dòng)手能力。

顯微鏡的操作不僅是初中學(xué)生的基本實(shí)驗(yàn)技能，也是中招實(shí)驗(yàn)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(shí)間進(jìn)行練習(xí)，同時(shí)現(xiàn)有的顯微鏡質(zhì)量不佳，一臺(tái)新的顯微鏡用不了多長(zhǎng)時(shí)間，就會(huì)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(shí)時(shí)觀察操作結(jié)果（如圖5），實(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)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(duì)于技能的熟練有很大幫助。

在“觀察蚯蚓的結(jié)構(gòu)”實(shí)驗(yàn)中，部分學(xué)生由于對(duì)活蚯蚓有畏懼感，不敢進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)驗(yàn)時(shí)間過長(zhǎng)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(duì)真實(shí)的蚯蚓，克服了學(xué)生的畏懼感，多次練習(xí)操作時(shí)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在電腦或手機(jī)中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，實(shí)現(xiàn)了隨時(shí)隨地的學(xué)習(xí)和練習(xí)。多次的重復(fù)操作，對(duì)于學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的提高有很大的幫助，也能讓學(xué)生獲得很好的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，提高其學(xué)習(xí)興趣。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的不足之處

1.有些實(shí)驗(yàn)過于程序化

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是在程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)操作，不可避免地要受到程序設(shè)計(jì)的影響，從而造成實(shí)驗(yàn)比較程序化，預(yù)設(shè)性較強(qiáng)，不能體現(xiàn)真實(shí)實(shí)驗(yàn)的各種意外表現(xiàn)，這是CAI所不可避免的[2]。

2.有些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)不夠合理

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要收費(fèi)，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(jì)不夠合理的部分卻已經(jīng)表現(xiàn)出來?！澳M保護(hù)色的形成”這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，以下設(shè)計(jì)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(diǎn)擊而捕食。②點(diǎn)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(lán)青蛙和紅青蛙在現(xiàn)實(shí)生活中基本沒有。其他虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和虛擬實(shí)驗(yàn)也有相應(yīng)問題，需要設(shè)計(jì)者加以改正。

3.有些圖片不夠清晰，有些實(shí)驗(yàn)操作起來比較復(fù)雜

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)所使用的部分圖片不夠清晰，甚至是簡(jiǎn)單的矢量圖。NB生物宣傳的是高清大圖，但是實(shí)際上部分圖片的效果并不是很好，可能和設(shè)計(jì)者獲得的途徑有關(guān)（圖7是筆者自己實(shí)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(shí)部分實(shí)驗(yàn)，特別是顯微鏡的實(shí)驗(yàn)，操作比較復(fù)雜，不很準(zhǔn)確，另外一些需要用到滴管的實(shí)驗(yàn)沒有提示要點(diǎn)擊滴管的膠頭等，這些瑕疵影響了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)。

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(jìn)一步的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的效果也會(huì)更加逼真，更加接近于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)感會(huì)更好，也能實(shí)現(xiàn)更多實(shí)驗(yàn)的數(shù)字化、更為自由的實(shí)驗(yàn)組合。我們需要不斷地學(xué)習(xí)、研究，充分利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)手段，并與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段優(yōu)化組合，發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)各自的局限性，力爭(zhēng)獲得理想的教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國(guó)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(jì)和資源應(yīng)用[M].開封：河南大學(xué)出版社，2012.