借助“低代碼”平臺設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)開展仿真教學(xué)

在高中生物學(xué)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)是重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，但部分復(fù)雜實(shí)驗(yàn)如“植物組織培養(yǎng)”常由于設(shè)備限制、操作難度高、課時緊張等原因難以開展?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標(biāo)”）強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性，要求開展實(shí)驗(yàn)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力和實(shí)踐操作技能。然而，現(xiàn)實(shí)教學(xué)中存在實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴、操作技術(shù)要求高、實(shí)驗(yàn)周期長等困難，導(dǎo)致許多學(xué)校無法開展此類實(shí)驗(yàn)。虛擬實(shí)驗(yàn)作為一種新興的教學(xué)手段，具有靈活性、安全性、低成本、可重復(fù)等特點(diǎn)，為生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新思路。例如，以往采用傳統(tǒng)方法開展“菊花的組織培養(yǎng)”實(shí)驗(yàn)，從準(zhǔn)備到移栽需4—6周，且需配備高壓蒸汽滅菌鍋、超凈工作臺等昂貴設(shè)備及消耗較大的試劑，外植體消毒、接種轉(zhuǎn)接、培養(yǎng)基配制等操作對學(xué)生技術(shù)要求高，稍有差錯實(shí)驗(yàn)就會失敗。虛擬實(shí)驗(yàn)則能降本增效。教師一次性開發(fā)平臺，成本低且無材料消耗。學(xué)生按平臺提示可快速掌握實(shí)驗(yàn)原理和流程，幾分鐘就能完成模擬，還可糾錯復(fù)訓(xùn)。筆者基于“低代碼”iVX平臺開發(fā)了“菊花的組織培養(yǎng)”虛擬實(shí)驗(yàn)，旨在以虛擬實(shí)驗(yàn)的方式，幫助學(xué)生更好地理解和掌握植物組織培養(yǎng)的原理和技術(shù)，提升教學(xué)效果。一、虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)的技術(shù)方法與手段（一）iVX平臺簡介iVX是一款零代碼的全棧編程工具，目前僅支持電腦端創(chuàng)建應(yīng)用和體驗(yàn)。用戶可通過iVX官網(wǎng)注冊登錄后快速開發(fā)應(yīng)用。該平臺編輯器界面功能豐富，使用者可進(jìn)入官網(wǎng)學(xué)習(xí)。本次虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的開發(fā)，筆者主要使用了組件、事件、服務(wù)三個功能。其中，組件是iVX中最核心的要素，應(yīng)用中的各類文本、圖表、音視頻、畫布、系統(tǒng)界面、按鈕等都需要添加組件來實(shí)現(xiàn)。利用“事件”功能，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的交互功能，例如按“開始重疊/點(diǎn)擊/鼠標(biāo)懸停/拖動等”操作時，某物體將會“顯示/隱藏、播放/暫停軌跡、移動至某坐標(biāo)、開始服務(wù)、提交/清空內(nèi)容”等。服務(wù)功能則連接前后臺，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的提交和收集。（二）系統(tǒng)框架及素材準(zhǔn)備參考中央電化教育館虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)服務(wù)系統(tǒng)（NCET）中的“菊花的組織培養(yǎng)”演示實(shí)驗(yàn)并結(jié)合人教版高中生物學(xué)教材，針對實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮妥陨硇枨螅_定該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的框架要素及呈現(xiàn)的主要內(nèi)容（見表1）。表1列出了各框架要素主要包含的內(nèi)容，除了借助iVX平臺直接添加的文字外，還需利用其他軟件繪制或下載圖片、音效等多媒體資源，以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)的沉浸感和交互性。（三）項(xiàng)目開發(fā)流程如圖1所示，選擇開發(fā)環(huán)境后進(jìn)入編輯器界面制作項(xiàng)目，在對象樹前臺和后臺中添加組件、調(diào)整組件屬性并為其添加事件；在后臺添加服務(wù)。需要注意的是，實(shí)驗(yàn)操作部分必須先添加畫布，再在畫布內(nèi)添加其他組件，如此內(nèi)部圖片組件才能設(shè)置“開始重疊”事件。實(shí)驗(yàn)反饋部分（“提交按鈕”）設(shè)置服務(wù)事件：當(dāng)“點(diǎn)擊”提交按鈕時，會“啟動服務(wù)、清空輸入內(nèi)容、顯示‘提交成功’”，以連接前、后臺信息。在制作過程中和制作完成后配合項(xiàng)目預(yù)覽進(jìn)行查看，對系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)覽和測試。例如，添加多個畫布和素材后會導(dǎo)致系統(tǒng)在一定程度上卡頓。為此，筆者在實(shí)驗(yàn)操作部分設(shè)置系統(tǒng)界面提示：“系統(tǒng)卡頓，請點(diǎn)擊步驟1，稍等片刻后將跳轉(zhuǎn)到初始狀態(tài)”。開發(fā)者通過項(xiàng)目預(yù)覽和測試后即可選擇發(fā)布項(xiàng)目，也可掃描二維碼或點(diǎn)擊鏈接直接使用。用智能手機(jī)或平板掃描二維碼或點(diǎn)擊鏈接，可查看最終效果。二、虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)思路（一）實(shí)驗(yàn)原理和目的1902年，哈伯蘭特（Haberlandt）預(yù)言離體的植物細(xì)胞能夠發(fā)育成完整的植物體，并據(jù)此提出植物細(xì)胞全能性的概念[1]。目前，“細(xì)胞全能性”已被許多科學(xué)家證實(shí)并作為植物組織培養(yǎng)的原理或理論基礎(chǔ)。具體來說，大多數(shù)植物細(xì)胞具有該物種全部的遺傳信息，因此在一定激素及營養(yǎng)等條件的誘導(dǎo)下，已經(jīng)分裂分化的細(xì)胞仍然能夠通過脫分化、再分化過程發(fā)育成完整植株。筆者結(jié)合學(xué)情和課標(biāo)要求，確定實(shí)驗(yàn)?zāi)康模耗M操作菊花莖段的組織培養(yǎng)基本過程，并基于操作理解植物組織培養(yǎng)的原理；樹立和強(qiáng)化無菌操作意識。植物激素的濃度、用量的比例對菊花愈傷組織形成和分化的影響可在理論教學(xué)中探究。（二）實(shí)驗(yàn)材料和設(shè)備開展本實(shí)驗(yàn)需選擇如下材料和設(shè)備：幼嫩的菊花莖段、已調(diào)節(jié)好pH的培養(yǎng)基、75%的酒精、1mg/L的芐基腺嘌呤溶液（BA溶液）、1mg/L的萘乙酸溶液（NAA溶液）、次氯酸鈉溶液、無菌水、培養(yǎng)皿、濾紙、燒杯、封口膜、橡皮筋、酒精燈、鑷子、解剖刀、移液槍、超凈工作臺、高壓蒸汽滅菌鍋、恒溫箱等。（三）虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、材料用具、實(shí)驗(yàn)操作和實(shí)驗(yàn)反饋5個部分（如圖2）。實(shí)驗(yàn)操作的大致流程或模塊（如圖3）包括：①配置MS培養(yǎng)基；②外植體消毒；③外植體接種；④培養(yǎng)和移栽。同時，該虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)操作交互主要通過拖曳和點(diǎn)擊物體來完成，部分耗時較長的操作通過動畫（給物體設(shè)置軌跡）快速呈現(xiàn)。1.配置MS培養(yǎng)基該模塊并非教學(xué)重點(diǎn)，僅需要學(xué)生在培養(yǎng)基中滴加兩種植物激素類似物以配置好MS培養(yǎng)基；將封口的培養(yǎng)基、鑷子、解剖刀和培養(yǎng)皿等進(jìn)行高溫滅菌。該模塊使學(xué)生明確植物培養(yǎng)基和微生物培養(yǎng)基的區(qū)別之一是必須加入細(xì)胞分裂素和生長素，同時樹立細(xì)胞培養(yǎng)的無菌操作意識。2.外植體消毒此模塊需要學(xué)生模擬沖洗外植體后在超凈工作臺上進(jìn)行消毒和擦干這一過程。同時，該系統(tǒng)還模擬了超凈工作臺的紫外線消毒及金屬用具的灼燒滅菌，要求學(xué)生使用酒精噴壺對超凈工作臺和雙手消毒，將已經(jīng)高溫滅菌的鑷子和解剖刀進(jìn)行灼燒滅菌。該模塊涉及化學(xué)消毒、物理消毒、灼燒滅菌，鞏固了學(xué)生的“常用消毒和滅菌方法”的相關(guān)知識和技能，并進(jìn)一步提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力。3.外植體接種此模塊需要學(xué)生對外植體切割后將其接種到培養(yǎng)基上，對錐形瓶進(jìn)行封口、標(biāo)記。該過程模擬了外植體接種的相關(guān)操作，使學(xué)生了解接種過程中如何切割外植體和選擇接種部位（莖尖或含側(cè)芽的莖段）。在教學(xué)過程中，教師還需要強(qiáng)調(diào)相關(guān)注意事項(xiàng)。例如：接種時，將外植體的1/3或1/2插入培養(yǎng)基，注意不能倒插。4.培養(yǎng)和移栽該模塊為教學(xué)的重點(diǎn)，需要學(xué)生將含有愈傷組織的錐形瓶放入培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，誘導(dǎo)形成愈傷組織；重復(fù)之前的部分操作，對超凈工作臺消毒、對鑷子和解剖刀灼燒滅菌，將愈傷組織先轉(zhuǎn)接到生芽培養(yǎng)基誘導(dǎo)形成叢芽；轉(zhuǎn)接到生根培養(yǎng)基中誘導(dǎo)生根，得到試管苗；煉苗，移栽（如圖4）。經(jīng)過該模塊的學(xué)習(xí)，學(xué)生對“外植體→誘導(dǎo)愈傷組織→誘導(dǎo)生芽→誘導(dǎo)生根→煉苗→移栽”的植物組織培養(yǎng)過程有完整的認(rèn)識和體驗(yàn)。5.實(shí)驗(yàn)反饋實(shí)驗(yàn)完成后，學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)反饋部分，填寫個人信息、進(jìn)行知識檢測、上傳實(shí)驗(yàn)截圖。其中，知識檢測分別對應(yīng)“植物組織培養(yǎng)的原理”“MS培養(yǎng)基中特殊成分：植物激素”“無菌操作”三方面知識；實(shí)驗(yàn)截圖則是保證學(xué)生完成模擬學(xué)習(xí)。點(diǎn)擊“提交”按鈕后，學(xué)生輸入的內(nèi)容將更新到系統(tǒng)后臺。教師據(jù)此可獲得教學(xué)反饋并改進(jìn)教學(xué)。三、結(jié)論與展望筆者借助iVX平臺設(shè)計(jì)了“菊花的組織培養(yǎng)”虛擬實(shí)驗(yàn)，解決了高中生物學(xué)教學(xué)中植物組織培養(yǎng)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)難以開展的難題[2]，采用虛擬實(shí)驗(yàn)的方式，為學(xué)生提供安全、經(jīng)濟(jì)、可重復(fù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體驗(yàn)。該虛擬實(shí)驗(yàn)不僅再現(xiàn)了植物組織培養(yǎng)的全過程，還借助交互性設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠在模擬環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)的直觀性和參與感。參與這一虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在無需復(fù)雜設(shè)備和充足課時的情況下，深入理解植物組織培養(yǎng)的原理和技術(shù)要點(diǎn)，提升了學(xué)習(xí)效果。（一）虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的持續(xù)優(yōu)化未來，筆者將致力于持續(xù)優(yōu)化這一虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，旨在實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的深度融合，相互取長補(bǔ)短，提升教學(xué)質(zhì)量。優(yōu)化內(nèi)容包括但不限于界面美化的升級、模型構(gòu)建的精細(xì)化、交互邏輯的流暢化、實(shí)驗(yàn)反饋機(jī)制的即時化與個性化，以及實(shí)驗(yàn)類型的多元化創(chuàng)新，例如引入探究式虛擬實(shí)驗(yàn)。教師采用構(gòu)建真實(shí)情境、整合學(xué)習(xí)資源、設(shè)置啟發(fā)性問題等手段，可激發(fā)學(xué)生的深層思考與主動學(xué)習(xí)。筆者在后續(xù)研究中，將基于師生反饋的循環(huán)迭代，對上述多個方面進(jìn)行持續(xù)優(yōu)化，確保用戶體驗(yàn)與學(xué)習(xí)成效持續(xù)提升。（二）平臺應(yīng)用的多元化拓展筆者以“菊花的組織培養(yǎng)”為例，展示了iVX平臺在虛擬實(shí)驗(yàn)開發(fā)中的應(yīng)用潛力。未來可以進(jìn)一步拓展應(yīng)用范圍，開發(fā)更多類型的生物學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)，如“DNA片段的擴(kuò)增及電泳鑒定”和“基因工程”等，以豐富教學(xué)資源，滿足多樣化的教學(xué)需求。此外，iVX平臺也可用于開發(fā)其他數(shù)字化教學(xué)資源，如借助iVX平臺進(jìn)行WebQuest探索性學(xué)習(xí)活動的設(shè)計(jì)與實(shí)施，采用任務(wù)導(dǎo)向、問題驅(qū)動、知識鏈接等方式，引導(dǎo)學(xué)生主動探索、深入研究。利用iVX平臺設(shè)計(jì)互動式課件或互動式動畫，添加多媒體元素和互動環(huán)節(jié)，或是在建模的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)交互式動畫供師生在線上或線下操作演示；進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、操作體驗(yàn)與深度理解。借助平臺素材展示的豐富性和高互動性特點(diǎn)，嘗試將iVX平臺與其他數(shù)字化教學(xué)策略相結(jié)合將大大降低資源開發(fā)及維護(hù)成本。（三）教師技能提升與技術(shù)支撐體系的加固iVX平臺具有“低代碼”的特點(diǎn)，但對于非專業(yè)開發(fā)人員來說，仍需要一定的學(xué)習(xí)和適應(yīng)過程。教師需要一定技術(shù)培訓(xùn)和技術(shù)支持。建議組織培訓(xùn)，提供在線教程，幫助教師快速掌握虛擬實(shí)驗(yàn)的開發(fā)技術(shù)和教學(xué)應(yīng)用方法。另外，對于數(shù)字資源的設(shè)計(jì)開發(fā)可適當(dāng)做減法。除了部分資源