摘 要：实验是初高中理化生学科的重要组成部分，也是课堂教学的重要环节，由于学生群体的数量庞大和教学实验设备建设的不足，学校的实验设备已经不能满足学生多次、随时的学习一门实验的要求。因此，通州区教师研修中心与康邦科技合作建立了虚拟实验室系统，为学生创造了良好的实验环境，进一步提高学习效率。
关键词：理化生虚拟实验室系统；建设；应用
一、需求调研
1、解决学生随时随地实验练习需求
由于学生群体的数量庞大和教学实验设备建设的不足，学校的实验设备已经不能满足学生多次、随时的学习一门实验的要求。
2、实验的安全性与便捷性
保证学生实验的安全性是第一要素，如何在有限的课时内让学生参与更多的实验操作，同时提高学习兴趣提高实验效率。
3、实验资源建设，如何服务于所有师生
实验课件资源匮乏，而且资源相对分散，学科教师需要花费大量的精力寻找合适的资源；资源的匹配性较差，尤其是希望动态展示的器材元器件，大多数是静态的图片形式或是只能按照固定步骤操作的flash形式，很难满足常规的教学需求；能实现配合实际习题讲解的实验资源几乎没有；有些需要理想实验环境才能完成的实验，很难展示或实际演示。
4、需要长周期才能完成的实验，课堂效率和效果如何保障
实验课时较短，需要长周期才能完成的实验，课堂效果不理想，所以，目前课堂的实际情况是，只能靠教师“说”实验，学生很难理解。
5、实验教学模式固定，教学模式需要创新
固定的教学模式，缺乏自主创新。实验主要分为：讲实验、做实验和画实验三大部分。其中，“讲实验”大多数是靠教师讲，学生听，很难给学生直观、立体的视觉冲击，效果大打折扣；“做实验”是我们一直提倡学生需要动手去体验、去操作的，但现实情况往往是没有办法满足学生随时多次的实验练习需求；“画实验”一般是教师在黑板上画实验的相关结构图、原理图等，比如物理的电路图等，这种画图是必要的，但存在的问题是，很难全方位动态展示效果以及内部的逻辑关系，比如电路图，无法展示电路中各元器件之间的动态逻辑关系，但是如果有专业的辅助软件，不仅高效，而且能形象地展示出电路中的各种动态关系，形象、直观、高效。
二、建设目标
针对师生这些迫切需求，通州区需要建立一套完整的虚拟实验室系统，满足师生随时多次使用。虚拟实验室系统提供实验中实用、好用、难找的实验资源和实验工具。
当然，实验教学，需要鼓励和提倡学生进行实际的实验操作，这是任何的资源和软件都不能替代的功能，所以，实验云平台的定位是——辅助实验教学。
NOOBOOK实验（简称NB实验）云平台紧贴教学大纲，满足师生仿真实验优质资源的需要，并在此基础上，引领教师开展基于常态化的教学实践活动。在丰富校本资源建设的同时，协助教师备课、上课；降低实验操作成本与难度，增加学生对实验的兴趣，保障实验结果的准确性与安全性。
NB实验提供标准化接口，满足区级平台信息化建设的需求。NB实验提供平台之间云端对接，同时也提供区级平台实验资源私有化部署，解决区级平台多种需求。平台将多媒体技术、应用仿真技术以及人机交互技术有机结合在一起，制作数字化资源课件。课件需要具有在线仿真交互实操特性，以增强教学的实践性、针对性、实效性、高效性，从而提高教学质量。用户可以在pc、ios、Android设备上用浏览器直接在线访问实验。
图1：NB实验云平台问题解决示意图
三、虚拟实验平台的架构
提供NB实验云平台系统与通州区教育云平台系统对接，师生登录通州区教育云平台即可在线访问NB实验，全平台注册用户通用，无需二次登录，直接访问。
使用终端上，支持跨平台访问，windows、IOS、Android全平台适应，满足实际教学需求。
实现易用的人机互动，生物实验、物理实验、化学实验都需要以实际动手演练为训练主线。系统包含丰富的互动控件和事件的支持，用户在实验中要能够操作诸如点选按钮、选择菜单、鼠标拖拽、键盘快捷等一系列的人机交互的动作，用户可以在完全脱离真实应用场景（实际软件）的环境下，通过交互仿真方式完成操作练习。
实现方便的操作引导，所有设计的实验器材操作与真实实验器材结构和功能一样，所有实验步骤和真实实验相同。
支持互联网操作，生物实验、物理实验、化学实验要可以运行在本地计算机（PC）、移动端（Andorid、iOS）、局域网（LAN）、互联网（Internet）等多种计算机环境下。
四、建设内容
1、物理实验
软件初高中物理通用，涵盖了常用的实验器材240多个，基础实验200个，支持不同地域不同版本的实验教学对应。支持时时在线保存，云平台存储，一帐号多平台无障碍使用，教师可自主DIY和模拟无数个实验，实现真正意义上的实验即时生成性常规化教学活动。
图：NOBOOK云平台物理操作界面图
2、化学实验
化学涵盖常用的实验器材100余个，药品200余种，组合实验130多个，支持不同地域不同版本的实验教学。内置自主研发的热力学引擎、重力引擎、粒子引擎以及速率系统、化学平衡系统等，实现了传统实验室无法完成的易燃易爆、有毒性以及其他高危险性实验,逼真动态展示化学反应现象、任意化学药品在任意液体中的溶解度关系、药品之间的反应速率、化学反应即时生成化学方程式等，真正意义上实现自主DIY，完全满足常规性的教学活动。
图：NB云平台化学操作界面图
3、生物实验
采用高精度3D模型制作而成，生动逼真的3D实验教学环境，能在短时间内调动学生多种感官参与其中，使学生获得动态信息，化繁为简，引领学生感悟微观世界。涵盖了国内主流教材版本的观察演示类以及动手操作类实验近300个，资源近300个；其中，初中生物：实验194个，资源200多个；高中生物：实验93个，资源80多种。
图：NB云平台生物界面图
五、应用效果
2018年通州区教师研修中心理化生三个学科的研修员分别组织全区初、高中理化生教师进行了虚拟实验平台使用的培训，教师们对这个具有直观性、创新性的虚拟实验平台给予了很高的评价，认为这将有利于学生创新能力和实验能力的发展，对于辅助强化通州区实验教学的“教”与“学”能力会有极大的帮助，对于在面对互联网时代的实验教学，是一个创新性的高端引领平台，虚拟三维技术给师生创建了更加良好的实验技术支撑。已有部分学校的教师已将此平台运用到课堂教学之中。
六、结束语
互联网时代的虚拟实验平台，是一个创新性的高端引领平台，它具备了真实 实验中所没有的特殊优势，开阔学生眼界，提高学生学习兴趣，虽然虚拟实验室还不能完全取代实验教学，但事实证明：只要运用恰当方法将虚拟实验与真实实验有机结合起来，才能发挥其应有的作用。
参考文献
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