借助“低代码”平台设计虚拟实验开展仿真教学

在高中生物学教学中，实验是重要的教学环节，但部分复杂实验如“植物组织培养”常由于设备限制、操作难度高、课时紧张等原因难以开展。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“课标”）强调实验教学的重要性，要求开展实验培养学生科学探究能力和实践操作技能。然而，现实教学中存在实验设备昂贵、操作技术要求高、实验周期长等困难，导致许多学校无法开展此类实验。虚拟实验作为一种新兴的教学手段，具有灵活性、安全性、低成本、可重复等特点，为生物学实验教学提供了新思路。例如，以往采用传统方法开展“菊花的组织培养”实验，从准备到移栽需4—6周，且需配备高压蒸汽灭菌锅、超净工作台等昂贵设备及消耗较大的试剂，外植体消毒、接种转接、培养基配制等操作对学生技术要求高，稍有差错实验就会失败。虚拟实验则能降本增效。教师一次性开发平台，成本低且无材料消耗。学生按平台提示可快速掌握实验原理和流程，几分钟就能完成模拟，还可纠错复训。笔者基于“低代码”iVX平台开发了“菊花的组织培养”虚拟实验，旨在以虚拟实验的方式，帮助学生更好地理解和掌握植物组织培养的原理和技术，提升教学效果。一、虚拟实验开发的技术方法与手段（一）iVX平台简介iVX是一款零代码的全栈编程工具，目前仅支持电脑端创建应用和体验。用户可通过iVX官网注册登录后快速开发应用。该平台编辑器界面功能丰富，使用者可进入官网学习。本次虚拟实验系统的开发，笔者主要使用了组件、事件、服务三个功能。其中，组件是iVX中最核心的要素，应用中的各类文本、图表、音视频、画布、系统界面、按钮等都需要添加组件来实现。利用“事件”功能，可以实现复杂的交互功能，例如按“开始重叠/点击/鼠标悬停/拖动等”操作时，某物体将会“显示/隐藏、播放/暂停轨迹、移动至某坐标、开始服务、提交/清空内容”等。服务功能则连接前后台，可实现数据的提交和收集。（二）系统框架及素材准备参考中央电化教育馆虚拟实验教学服务系统（NCET）中的“菊花的组织培养”演示实验并结合人教版高中生物学教材，针对实验目的和自身需求，确定该虚拟实验系统的框架要素及呈现的主要内容（见表1）。表1列出了各框架要素主要包含的内容，除了借助iVX平台直接添加的文字外，还需利用其他软件绘制或下载图片、音效等多媒体资源，以增强实验的沉浸感和交互性。（三）项目开发流程如图1所示，选择开发环境后进入编辑器界面制作项目，在对象树前台和后台中添加组件、调整组件属性并为其添加事件；在后台添加服务。需要注意的是，实验操作部分必须先添加画布，再在画布内添加其他组件，如此内部图片组件才能设置“开始重叠”事件。实验反馈部分（“提交按钮”）设置服务事件：当“点击”提交按钮时，会“启动服务、清空输入内容、显示‘提交成功’”，以连接前、后台信息。在制作过程中和制作完成后配合项目预览进行查看，对系统进行预览和测试。例如，添加多个画布和素材后会导致系统在一定程度上卡顿。为此，笔者在实验操作部分设置系统界面提示：“系统卡顿，请点击步骤1，稍等片刻后将跳转到初始状态”。开发者通过项目预览和测试后即可选择发布项目，也可扫描二维码或点击链接直接使用。用智能手机或平板扫描二维码或点击链接，可查看最终效果。二、虚拟实验教学思路（一）实验原理和目的1902年，哈伯兰特（Haberlandt）预言离体的植物细胞能够发育成完整的植物体，并据此提出植物细胞全能性的概念[1]。目前，“细胞全能性”已被许多科学家证实并作为植物组织培养的原理或理论基础。具体来说，大多数植物细胞具有该物种全部的遗传信息，因此在一定激素及营养等条件的诱导下，已经分裂分化的细胞仍然能够通过脱分化、再分化过程发育成完整植株。笔者结合学情和课标要求，确定实验目的：模拟操作菊花茎段的组织培养基本过程，并基于操作理解植物组织培养的原理；树立和强化无菌操作意识。植物激素的浓度、用量的比例对菊花愈伤组织形成和分化的影响可在理论教学中探究。（二）实验材料和设备开展本实验需选择如下材料和设备：幼嫩的菊花茎段、已调节好pH的培养基、75%的酒精、1mg/L的苄基腺嘌呤溶液（BA溶液）、1mg/L的萘乙酸溶液（NAA溶液）、次氯酸钠溶液、无菌水、培养皿、滤纸、烧杯、封口膜、橡皮筋、酒精灯、镊子、解剖刀、移液枪、超净工作台、高压蒸汽灭菌锅、恒温箱等。（三）虚拟实验教学流程该虚拟实验系统分为实验目的、实验原理、材料用具、实验操作和实验反馈5个部分（如图2）。实验操作的大致流程或模块（如图3）包括：①配置MS培养基；②外植体消毒；③外植体接种；④培养和移栽。同时，该虚拟实验系统的实验操作交互主要通过拖曳和点击物体来完成，部分耗时较长的操作通过动画（给物体设置轨迹）快速呈现。1.配置MS培养基该模块并非教学重点，仅需要学生在培养基中滴加两种植物激素类似物以配置好MS培养基；将封口的培养基、镊子、解剖刀和培养皿等进行高温灭菌。该模块使学生明确植物培养基和微生物培养基的区别之一是必须加入细胞分裂素和生长素，同时树立细胞培养的无菌操作意识。2.外植体消毒此模块需要学生模拟冲洗外植体后在超净工作台上进行消毒和擦干这一过程。同时，该系统还模拟了超净工作台的紫外线消毒及金属用具的灼烧灭菌，要求学生使用酒精喷壶对超净工作台和双手消毒，将已经高温灭菌的镊子和解剖刀进行灼烧灭菌。该模块涉及化学消毒、物理消毒、灼烧灭菌，巩固了学生的“常用消毒和灭菌方法”的相关知识和技能，并进一步提升学生的实验操作能力。3.外植体接种此模块需要学生对外植体切割后将其接种到培养基上，对锥形瓶进行封口、标记。该过程模拟了外植体接种的相关操作，使学生了解接种过程中如何切割外植体和选择接种部位（茎尖或含侧芽的茎段）。在教学过程中，教师还需要强调相关注意事项。例如：接种时，将外植体的1/3或1/2插入培养基，注意不能倒插。4.培养和移栽该模块为教学的重点，需要学生将含有愈伤组织的锥形瓶放入培养箱中培养，诱导形成愈伤组织；重复之前的部分操作，对超净工作台消毒、对镊子和解剖刀灼烧灭菌，将愈伤组织先转接到生芽培养基诱导形成丛芽；转接到生根培养基中诱导生根，得到试管苗；炼苗，移栽（如图4）。经过该模块的学习，学生对“外植体→诱导愈伤组织→诱导生芽→诱导生根→炼苗→移栽”的植物组织培养过程有完整的认识和体验。5.实验反馈实验完成后，学生进入实验反馈部分，填写个人信息、进行知识检测、上传实验截图。其中，知识检测分别对应“植物组织培养的原理”“MS培养基中特殊成分：植物激素”“无菌操作”三方面知识；实验截图则是保证学生完成模拟学习。点击“提交”按钮后，学生输入的内容将更新到系统后台。教师据此可获得教学反馈并改进教学。三、结论与展望笔者借助iVX平台设计了“菊花的组织培养”虚拟实验，解决了高中生物学教学中植物组织培养传统实验难以开展的难题[2]，采用虚拟实验的方式，为学生提供安全、经济、可重复的实验教学体验。该虚拟实验不仅再现了植物组织培养的全过程，还借助交互性设计，使学生能够在模拟环境中进行实验操作，增强了学习的直观性和参与感。参与这一虚拟实验，学生在无需复杂设备和充足课时的情况下，深入理解植物组织培养的原理和技术要点，提升了学习效果。（一）虚拟实验系统的持续优化未来，笔者将致力于持续优化这一虚拟实验系统，旨在实现与传统实验教学模式的深度融合，相互取长补短，提升教学质量。优化内容包括但不限于界面美化的升级、模型构建的精细化、交互逻辑的流畅化、实验反馈机制的即时化与个性化，以及实验类型的多元化创新，例如引入探究式虚拟实验。教师采用构建真实情境、整合学习资源、设置启发性问题等手段，可激发学生的深层思考与主动学习。笔者在后续研究中，将基于师生反馈的循环迭代，对上述多个方面进行持续优化，确保用户体验与学习成效持续提升。（二）平台应用的多元化拓展笔者以“菊花的组织培养”为例，展示了iVX平台在虚拟实验开发中的应用潜力。未来可以进一步拓展应用范围，开发更多类型的生物学虚拟实验，如“DNA片段的扩增及电泳鉴定”和“基因工程”等，以丰富教学资源，满足多样化的教学需求。此外，iVX平台也可用于开发其他数字化教学资源，如借助iVX平台进行WebQuest探索性学习活动的设计与实施，采用任务导向、问题驱动、知识链接等方式，引导学生主动探索、深入研究。利用iVX平台设计互动式课件或互动式动画，添加多媒体元素和互动环节，或是在建模的基础上设计交互式动画供师生在线上或线下操作演示；进一步增强学生的学习兴趣、操作体验与深度理解。借助平台素材展示的丰富性和高互动性特点，尝试将iVX平台与其他数字化教学策略相结合将大大降低资源开发及维护成本。（三）教师技能提升与技术支撑体系的加固iVX平台具有“低代码”的特点，但对于非专业开发人员来说，仍需要一定的学习和适应过程。教师需要一定技术培训和技术支持。建议组织培训，提供在线教程，帮助教师快速掌握虚拟实验的开发技术和教学应用方法。另外，对于数字资源的设计开发可适当做减法。除了部分资源