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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