VR技术在植物细胞质壁分离实验操作考试中的应用

商 勇 蔡树男

(广东省深圳市华侨城中学 深圳 518053)

1 生物学实验操作考试现状

生物学是一门基础自然学科，实验教学以及与之评价相关的实验操作考试应该是生物学教学中的重要组成部分。目前主要针对实验理论方面进行纸笔考试，实验操作考试的开展相对滞后，无法有效反映学生的真实操作能力。即使对于少数开展实验操作考试的学校，也大都以教师现场定性评价为主，其结果较易受到主观因素影响，同时也需要较多人力、物力的参与。如何让生物学实验操作考试更加有效和公平也是值得探讨的问题。随着社会的发展，信息技术也在逐步和教育教学紧密结合，为智能化实验操作考试的建立奠定基础。

2 VR技术与生物学实验教学

VR技术(Virtual Reality)即虚拟现实技术，它是结合多媒体技术、传感技术、网络技术等通过计算机生成的一种虚拟环境，让用户沉浸其中并且能与环境进行具有真实感体验的交互技术[1, 2]。是继多媒体技术、计算机辅助技术在教育领域应用后的另外一种新型信息技术，具有交互性、沉浸性和构想性的特点[3]。

目前，虚拟现实技术在高校的生物学实验教学中已有比较多的应用，如： 构建虚拟生物学实验室进行一些课堂上因为时间或者实验材料原因难以完成的实验[3]。在高中实验操作方面，通过VR技术演示教学，有利于学生主动参与课堂，提高学生的积极性和主动性，对于培养学生的学习能力和创新能力都具有重要意义[2]。

将信息化的技术手段应用于生物学实验操作考试方面，已有基于DIS技术的实验考评系统研发，主要通过传感器和数据采集器等方式来对实验操作进行实时监测，对关键步骤和过程设定评价标准并予以赋分，从而克服在实验操作考试中人为主观因素的干扰[4]。

本文则从VR方向上探讨其在实验操作考试中的应用，所研发的案例也是本校承担的广东省教育研究院重点课题“高中生物学实验操作考试研究与实践”的内容之一，随着VR技术的进一步发展和相关硬件设备的普及，相信它在教育领域中的应用也将更为广泛。

3 基于VR技术的质壁分离实验操作考试研究过程

3.1 研究思路 质壁分离实验是高中生物学必修1中的探究类实验，主要实验步骤有： 制作洋葱鳞片叶外表皮临时装片、低倍镜观察中央液泡、细胞失水发生质壁分离以及质壁分离的复原观察等步骤，根据这些实验步骤的重要性，笔者在虚拟操作的实验系统中根据不同步骤设置了相应分数，学生操作正确则会得到相应分数，如果操作不当，系统设定了相应提示，但不会给分；实验相关材料(如显微镜、刀片、洋葱鳞片叶、滴管、蔗糖溶液、载玻片、吸水纸等)通过虚拟建模的方式内置于操作系统中，且整个实验室的空间和实验操作台也通过计算机模拟的方式产生虚拟空间，学生打开zSpace3D操作平台相应软件即可进入虚拟的实验室(图1)。

图1 质壁分离实验操作考试虚拟实验室开始界面

3.2 方法步骤 包括以下9个步骤：

(1) 学生佩戴zSpace追踪眼镜，打开zSpace3D展示平台上的实验软件，进入植物细胞质壁分离实验操作考试实验室(图1)，学生进入系统之前需要输入自己的学号和准考证号，以确认身份。

(2) 用zSpace触笔在虚拟实验台上首先选取正确的洋葱鳞片叶表皮细胞，这个环节是第一个重要考点，实验台上分别提供了洋葱鳞片叶的外表皮和内表皮供学生选择，正确的实验材料应该是外表皮，如果学生选择错误，系统会提示正确选择以保证实验的继续进行，但此时不会给予分值。

(3) 用镊子撕取适当洋葱鳞片叶外表皮并制作临时装片，此步骤涉及到取载玻片后要先滴加1滴蒸馏水到载玻片中央，学生如果没有进行此步操作，系统会扣除一定分值。

(4) 在显微镜下进行观察，学生将制备好的临时装片放入显微镜的载物台上，并调节粗、细准焦螺旋以获得清晰图像。

(5) 取下临时装片并在一侧滴加蔗糖溶液进行细胞失水的操作(图2)；这个步骤还包括滴加蔗糖溶液后用吸水纸引流。

图2 滴加蔗糖溶液进行植物细胞失水操作

(6) 细胞失水操作结束后，把临时装片放置在显微镜下观察，和步骤(4)操作基本一致，其目的在于观察蔗糖溶液处理后的质壁分离现象(图3)。

图3 显微镜下的植物细胞质壁分离图像

(7) 取下临时装片并在一侧滴加蒸馏水进行细胞质壁分离复原的操作。

(8) 在显微镜下观察植物细胞质壁分离复原的结果。

图4 实验操作考试结束后的成绩反馈

(9) 实验操作考试完成，点击提交实验，系统会给出实时评价结果，图4所给出的是操作完全正确的情况下所得到的反馈，如果学生中间有步骤操作不当则会失去相应的分数，系统最后给出的结果除了分数还包括操作错误之处在哪里。

学生佩戴zSpace追踪眼镜后，整个实验过程在zSpace触笔的控制下完成，通过学生的实际操作发现考试完成时间大概在5～7分钟之间，对于zSpace触笔的使用学生也能很快熟悉，考试期间无需人工监考并且实现智能化评价。

除了作为考试使用，此实验也可以用于课堂演示教学，在传统的教师个人操作示范中，只有部分学生能够观察到实验流程，而VR条件下的实验展示能够让班级所有学生都看得清楚，同时也进一步激发学生对实验课的学习兴趣。

4 VR技术的应用展望

生物学是一门实验学科，由于目前有效实验考核体系的缺乏导致生物学实验教学并没有得到很好重视。

也有学校正在逐步尝试诸如对学生实验操作进行录像然后通过电脑统一评价的方式来提高考试效率，不过它仍然带有一定的主观性。

相比之下，本文的案例发现： 基于VR技术的生物学实验操作考试体系可能是一个新的解决方案，只要是实验环节涉及的材料用具都可以通过虚拟建模的方式呈现在学生面前，让他们通过使用zSpace触笔控制的方式完成整个实验流程；另外VR技术条件下的实验操作考试还有其他一些优点，如： ①不用等待必要的反应过程；②虚拟实验侧重针对实验操作流程和结果，因此也大大减少了完成整个实验的时间；③整个实验过程不涉及有危害的实验药品，相对较为安全，而且模拟实验用具和材料可以重复使用等。以上这些从考试的角度上说，既降低了成本又提升了考试效率。不过也必须看到，虚拟实验仍然不是真实的实验操作，对于学生实验操作技能的培养还必须依靠传统的实验操作训练。