吴荣华，程 凯

(福建省华渔教育研究院，福州 350200)

引言

教育部2019年11月29日发布了《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，要求各地各校对实验教学方式进行创新，丰富实验教学的实施形式，促进传统教学与现代新兴科技的结合，从而增强实验教学的趣味性和吸引力[1]。理科类学科是以实验为基础的科学，对应的教学必须以实验为基础。这里的实验是指在人为控制条件下利用科学仪器、设备，使相关的实验现象反复再现，从而有目的地进行观测研究的一种方法[2]。为了让实验现象再现时能清晰明显，实验的呈现方式除了常规实物实验的直接观察方式外，还可以借助信息技术来优化实验的“可视化”，技术优化的方式包括但不限于不同形式的视频拍摄、虚拟仿真呈现(桌面式虚拟、VR、AR)、接入数据传感器的实物实验、模拟视频、图表、文字、示意图等方式。特别针对危险、宏观、复杂、微观、抽象、实物不好操作的实验，比较适合信息化技术来辅助呈现。通过超前的科学可视化创新技术，利用高保真视频或数字化图像呈现实验的物态变化与现象、微观结构以及标准操作程序，提升实验教学的演示质量，促进概念的极致讲解。我们对不同类型实验、信息技术的特征进行了分析，探究出不同实验的呈现方式与不同类型实验的匹配关系。

一、实物实验

1.常规实物实验呈现方式

常规实物实验是指通过实验仪器、药品进行的实验操作，教材中以实验形式呈现的实验都可以进行常规实物实验，但是在进行演示及分组实验时会存在一些实验现象不明显以及因实验条件控制不准确而导致实验现象偏差的问题。

2.接入数据传感器的实物实验

利用传感器、接口技术和微电脑连接，对实物实验进行实时显示实验数据并图形化，真实自然的可视化可以再现实验现象，明析实验的本质。针对一些需要呈现实验数据、进行定量呈现及数据处理的实验，可以接入数据传感器来更好地呈现实验现象。比如化学：酸碱中和滴定；物理：探究合力的功与动能变化的关系。

3.借助实物投影的实物实验

运用实物投影辅助方式，记录物理实验的真实情景，通过电脑屏幕的慢放、快放、镜头定格，局部区域放大，局部微观呈现等播放方式，清晰实验现象，扩大观察范围，宏观把握整体规律。适合一些实验器材或实验现象本身受限、实验效果(太快或太慢)不明显或实验可观察面太小、不容易观察清楚的这类型实验。比如物理中的机械波的形成和传播的绳波，化学中的钠与水的反应。

二、实拍视频

1.延时摄影的实拍视频

延时摄影是一种以较低的帧率拍下图像序列后，通过后期加工成音视频的成品。延时摄影在播放时采用正常或者较快的速率来播放画面的技术。对于一些反应很慢或实验现象需要很长时间才能逐步展示出来的实验适合用延时摄影的方式进行呈现。比如化学中的晶体结晶(NaCl、Na2SO3、NH4Cl、K2Cr2O7等晶体的结晶)，生物中的微生物培养(大肠杆菌的纯化培养)。

2.高速摄影的实拍视频

高速摄影是使用非常快的快门速度来捕捉图像的技术。这种摄影一般有两种方式：一是照片本身体现出运动的静止状态，二是在高速频率下拍摄一系列照片。每个片段的实际发生时间都小于1秒。将高速拍摄的图片导成25帧/秒的视频，相当于比正常拍摄放慢120倍。有一些实验反应非常快，以至肉眼难以观察整个反应过程的实验，适合用高速摄影的方式进行呈现。比如物理中的运动学(滑冰运动中的物理原理)，化学中的沉淀反应(氯化银、碘化铅、铬酸银、硫酸钡、Fe(OH)3、Ni(OH)2、Ag2CrO4等沉淀生成的反应)。

3.显微摄影的实拍视频

显微摄影是利用复式显微镜拍摄被放大的标本的跽片，并将拍摄得到的素材在课堂上进行投影供学生观看，实现比人人都用显微镜观察方便得多的一种呈现方式。多用于中学生物学、解剖学、病理学等教学中。适用于所呈现的现象为微观现象，肉眼难以观察到而需借助显微镜来观察的实验。比如生物中的显微观察类(培养液中酵母菌种群数量的变化)，物理中的微粒运动(用显微镜观察小炭粒的运动)，化学中的晶体结晶时晶枝的生长、沉淀在溶液中生成时的形态等。

4.微距摄影的实拍视频

微距摄影指利用照相机镜头的光学能力，对实际物体进行等大(1∶1)或比实际物体稍小进行拍摄，从而获得对应的图像。微距摄影放大的倍率一般在1—10倍之间。通过微距摄影清晰地拍摄出反应变化的过程,将实验反应现象以明确的视角呈现给学生。对于一些肉眼观察不清晰、需要在一定角度重点放大呈现实验的现象，便于清晰观察到现象细节变化的实验可以通过微距摄影的方式进行呈现。比如物理中的液体表面张力，化学中的不同元素对应物质的形态呈现等类型的实验。

5.红外热成像的实拍视频

红外热成像是通过光电技术检测物体热辐射出来的红外线的波段信号，再将该信号转换成人的视觉能分辨的图像或图形，并通过计算规则得出物体的温度值。红外热成像技术帮助人类超越了本身视觉的障碍，让人们能够直观地“看到”物体表面的温度及分布状况。对于一些涉及热反应、热辐射现象的实验都适合用红外热成像的形式进行呈现。如物理中的电磁波的热效应，化学中的钠与水反应、酸碱中和反应。

6.慢镜头的实拍视频

慢镜头是一种慢动作的呈现方式，是以正常频率放映(每秒24幅)摄影师通过加快拍摄频率(如每秒拍48幅)的画面来实现。有一些反应较快、肉眼难以清晰观察整个反应过程的实验可以通过慢镜头的方式来呈现。如物理中的开尔文—赫姆霍兹波现象，化学中的燃烧反应等类型的实验。

7.情境化的实拍视频

通过构建具体情境和故事情节进行有关知识和知识间关系展示。有一些实验需要结合具体情境来讲解，营造一种情况氛围帮助学生更好地掌握相关的知识点。如生活及工业生产流程类实验(氯碱工业)、调查分析类实验(生物多样性调查实验)。

三、模拟视频

1.动画/Flash模型模拟视频

通过Flash的方式，把物质微观结构及实验过程进行微观图像化/动态化的呈现，把微观结构和相互作用置于学生的可视化情景之中，加深学生理解[3]。有一部分是现象需要形象化呈现且物质或现象难以观察到的实验，如生物中的DNA甲基化检测，化学中的有机结构(甲烷结构)。

2.互动性动画模拟视频

把相关物质的结构模型通过Flash的方式，设置简单的互动形式，动态呈现实验反应机理，明确实验本质。查阅文献和数据后，用计算机制作3D模型和交互式动画，展示物理变化或化学变化的原理来促进学生对相关知识的理解，这一类实验原理本质比较抽象。如反应机理呈现(加成反应、取代反应等)。

四、虚拟实验

1.桌面式3D/2D虚拟实验

桌面式虚拟实验室是运用三维图形绘制技术对模型进行建模，营造一个与真实世界尽可能仿真的虚拟世界。通过屏幕这个窗口来观察和感受营造的虚拟境界，通过键盘和鼠标等传统的输入设备实现与虚拟环境的交互。这类实验呈现方式会导致观察时缺乏沉浸感，但实现起来比较简单，容易进行普及和推广[4]。

适合这类型的实验特征如下：(1)需要立体视角呈现；(2)需要对仪器进行3D视角观察、拆装等；(3)实验需要多种器材、器材易损坏、创设不同实验条件进行对比与探究；(4)实验需要反复操作、错误操作、危险等理想实验；(5)受时间空间制约，发生时间太长/短；(5)知识、概念、原理抽象类实验；(6)现象过于宏观/微观的实验；(7)实验过程需要记录相关数据等。如物理中的电磁学系列(通电螺线管的磁场方向)、力学系列(研究受迫振动的频率)，科学中的观察植物的一生，生物中的测定种子的发芽率等实验。

2.VR类虚拟实验

VR沉浸式虚拟实验通过搭配各种交互式的设备(如数据手套和头盔显示器等)，让使用者获得置身于现实环境的沉浸感，该系统对应的设备相对昂贵且对技术要求较高，是一套复杂的系统[4]。适合这类型的实验特征如下：(1)需要立体视角呈现；(2)现象过于宏观/微观的实验；(3)对沉浸感要求高的实验；(4)涉及抽象类知识的实验；(5)存在时空地点限制类实验；(6)危险且实物不好操作类(如爆炸、时间成本高、耗材大)。如化学中的晶体结构及原子结构等空间结构，地理中的生态环境、宏观地理景象，生物中的细胞免疫机制，英语中的描述性词汇和抽象词汇的展示，历史中的历史战争等。

同时，操作技能类实验也适合用VR虚拟实验形式呈现，特别是用于现在初高中实验操作技能考试前的训练。针对这一类型的实验，央馆虚拟实验(https://vlab.eduyun.cn)整体特征比较明显。

3.AR类虚拟实验

AR是一种增强型的虚拟实验系统，使用者运用轻便AR设备(别于VR设备)营造出一种虚拟和真实相结合的新环境，一部分依然为真实环境，另一部分则由虚拟环境替代，从而达到一种适应现实、保留现实的综合效果，增强了选择性信息化，降低了资源生产的时间及制作成本，实现体验过程的高效认知和交互，同时让使用者不与真实世界隔离。适合于需要立体视角、虚拟的学习内容与真实环境发生有意义关联类(角色参与)的实验。如化学中的微观粒子交互式实验，物理中的磁场与磁感线。

五、其他辅助类

1.图片呈现

图片呈现类包括时间和空间的关系图、一些矢量分析图等，利用实验的连续性或图形的整体性，把实物、实验仪器、实验装置、物质结构等进行图片化处理，把相关的图片可视化，将可视化作为一种工具，直观全面地展现出图片文字间的各量关系，启发学生的思维。适合这类的实验特征：(1)实验现象具备真实情境；(2)实验装置(过滤、蒸发等)和实验操作示范类；(3)实验细节需要清晰展示；(4)注重与现实生活联系的化学实验；(5)史实讲解类实验。

2.图表呈现

呈现方式是通过整齐有序、条理清楚的表格，简单明了、鲜明直观的线图来传达相关信息。图表的这种呈现方式有助于培养学生发现问题、分析问题和解决问题的能力。一般包含表、图的结合，涉及需实验数据呈现、辅助得出实验结论和分析类的实验。

3.示意图呈现

示意图呈现主要是指由物件(仪器、工具)外部的轮廓线条构成的矢量图。可以通过计算机对各种矢量图进行绘制，从而得到各种直线、圆、矩形、曲线、图表等示意图，一般有2D和3D两种形态。主要有操作示意图 、实验装置示意图、解析示意图等。

4.文字呈现

文字呈现是实验最基本、最重要、最常见的一种呈现方式。通过文字、符号(元素、化学式、方程式)等信息来实现教学信息的传达。一般通过标签的方式呈现，实验知识的归纳、实验原理和实验结论的说明，与其他呈现方式结合，需突出强调的内容用文字来呈现、注意文字基本属性的运用类实验。

结束语

实验内容的技术创新与呈现的研发，展现出宏观的实验现象与操作，模拟难以观察的微观结构与过程，构建出一种由现象到分析再到思维抽象的科学实验过程，能够丰富课堂教学情景，降低实验教学的风险，在潜移默化之中培养学生的创造性素质和能力，促进概念的极致讲解，激发学生的求知欲，促进信息化实验教学的发展。