虛擬實(shí)驗(yàn)室在高中生物學(xué)線上教學(xué)中的應(yīng)用

劉楊百合??韋艷艷

摘要： 為培養(yǎng)學(xué)生的探究精神和創(chuàng)新能力，提高學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，教師以“分解纖維素的微生物的分離”實(shí)驗(yàn)為例，應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)室創(chuàng)設(shè)情境，引導(dǎo)學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性和可行性，自主設(shè)計(jì)拓展性實(shí)驗(yàn)，嘗試提出初步的工程學(xué)構(gòu)想，思考生物技術(shù)對(duì)社會(huì)發(fā)展和環(huán)境的影響。實(shí)踐證明，基于虛擬實(shí)驗(yàn)室開展全過程的探究式活動(dòng)，可以為線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)錦上添花，達(dá)到以虛補(bǔ)實(shí)的目的。

關(guān)鍵詞：虛擬實(shí)驗(yàn)室；線上教學(xué)；探究學(xué)習(xí)；生物學(xué)；核心素養(yǎng)

新冠肺炎疫情防控期間，依托直播平臺(tái)授課是常態(tài)。《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課標(biāo)》）指出，教師要積極開發(fā)和利用信息技術(shù)課程資源，在提高課程效率的同時(shí)也要服務(wù)于學(xué)生的自主性學(xué)習(xí)，全面提升學(xué)生的核心素養(yǎng)?？茖W(xué)探究是生物學(xué)科核心素養(yǎng)的重要內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是生物學(xué)課程重要組成部分，也是提高學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要支撐。教師應(yīng)加大培養(yǎng)學(xué)生獲得、處理、分析信息能力和自主學(xué)習(xí)能力的力度。然而，對(duì)于線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師通常采用“以講代做”或者借助直播平臺(tái)播放實(shí)驗(yàn)操作視頻的形式教學(xué)，造成部分學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容一知半解，無(wú)法進(jìn)行自主探究和實(shí)驗(yàn)拓展創(chuàng)新。針對(duì)生物學(xué)學(xué)科，NOBOOK（以下簡(jiǎn)稱NB）虛擬實(shí)驗(yàn)室對(duì)信息技術(shù)和高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了深度整合，可用以開展傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室無(wú)法操作的實(shí)驗(yàn)，并且解決了在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行探究教學(xué)時(shí)流于形式的問題。后疫情時(shí)期，在線教學(xué)不會(huì)退出歷史舞臺(tái)，只會(huì)與時(shí)俱進(jìn)，融合發(fā)展，創(chuàng)新應(yīng)用。生物學(xué)教師可利用NB平臺(tái)輔助教學(xué)，通過直播平臺(tái)與學(xué)生同步操作，讓學(xué)生在線參與小組討論，拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的廣度和深度，開辟培養(yǎng)學(xué)生探究和創(chuàng)新能力的新路徑。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)及優(yōu)勢(shì)

NOBOOK虛擬實(shí)驗(yàn)室是一款多功能虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)，其應(yīng)用旨在“讓教學(xué)更簡(jiǎn)單”。NB平臺(tái)多用于物理、化學(xué)教學(xué)中，目前在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用逐漸增多。NB平臺(tái)功能齊全且具有開拓性，教師應(yīng)用該平臺(tái)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)可實(shí)現(xiàn)成效最大化。NB平臺(tái)支持義務(wù)教育階段人教版生物學(xué)教材涉及的所有實(shí)驗(yàn)。平臺(tái)開發(fā)者依據(jù)《課標(biāo)》，針對(duì)教學(xué)需求，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)要求。實(shí)驗(yàn)具有仿真度高、可操作性強(qiáng)、可重復(fù)性高的優(yōu)勢(shì)。在平臺(tái)的支持下，教師可以進(jìn)行可視化操作，更好地向?qū)W生介紹或講解相關(guān)實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，學(xué)生也可自行下載軟件，與教師同步操作，直觀地感受實(shí)驗(yàn)，提高探究思維能力。

NB平臺(tái)的應(yīng)用很大程度突破了傳統(tǒng)生物實(shí)驗(yàn)室中由于“空間”“實(shí)驗(yàn)環(huán)境”“實(shí)驗(yàn)器材”“實(shí)驗(yàn)周期”等方面的限制。例如，“標(biāo)志重捕法測(cè)種群密度”實(shí)驗(yàn)就由于選擇實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地十分困難，操作復(fù)雜，安全性不高，以傳統(tǒng)方式教學(xué)非常困難。教師借助NB平臺(tái)讓學(xué)生動(dòng)動(dòng)鼠標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)單的操作就可熟悉具體的實(shí)驗(yàn)過程，得到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。雖然數(shù)字化實(shí)驗(yàn)無(wú)法代替真實(shí)的實(shí)驗(yàn)，但是在因客觀原因無(wú)法有效操作或只能進(jìn)行線上教學(xué)時(shí)，借助NB這類虛擬實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)或許是最好的選擇之一。

二、虛擬實(shí)驗(yàn)室輔助探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)的案例

生物學(xué)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)的重要依托，教師在信息技術(shù)的輔助下可以最大限度進(jìn)行有效教學(xué)。下面以“分解纖維素的微生物的分離”實(shí)驗(yàn)為例，介紹如何在線上教學(xué)的情況下開展探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

“分解纖維素的微生物的分離”實(shí)驗(yàn)包括兩項(xiàng)內(nèi)容：纖維素和纖維素酶；纖維素分解菌的篩選。纖維素是自然界含量最多、分布最廣的一種多糖，對(duì)維持身體健康有一定作用。近年分解纖維素的微生物技術(shù)發(fā)展迅猛，其對(duì)處理秸稈廢棄物有相助功效。學(xué)生參與該實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，不僅可以了解微生物分離技術(shù)，而且可以深刻認(rèn)識(shí)生物技術(shù)對(duì)社會(huì)及環(huán)境發(fā)展的重要性。在此之前，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了培養(yǎng)基的配制、無(wú)菌技術(shù)、微生物的培養(yǎng)及數(shù)量測(cè)定等知識(shí)，對(duì)微生物培養(yǎng)技術(shù)已有了解。教師采用“探究式教學(xué)方法”，在明晰原理后，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)作出設(shè)想。學(xué)生在NB平臺(tái)輔助下，驗(yàn)證設(shè)想，開展接續(xù)探究，此過程環(huán)環(huán)相扣。這樣，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且通過線上教學(xué)提高了學(xué)生的探究思維能力，在探究的過程中培養(yǎng)了學(xué)生的生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。如何運(yùn)用NB平臺(tái)開展探究式實(shí)驗(yàn)教學(xué)？筆者設(shè)計(jì)了教學(xué)流程（如圖1）。

（一）創(chuàng)設(shè)情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

植物的根、莖、葉等器官都含有大量纖維素。纖維素內(nèi)含葡萄糖，蘊(yùn)含能量。以前人們處理水稻、小麥秸稈往往一燒了之，方法雖簡(jiǎn)單，但會(huì)造成環(huán)境污染。隨著科技不斷發(fā)展，人們能夠用纖維素酶將纖維素分解為葡萄糖，再用酵母菌將葡萄糖進(jìn)行酒精發(fā)酵?！叭绾螌⒔斩挕儚U為寶’，從土壤中分離纖維素酶呢？”在準(zhǔn)備階段，教師讓學(xué)生查閱資料，了解秸稈廢棄物“變廢為寶”的歷程，通過自我感悟，增強(qiáng)環(huán)保意識(shí)，認(rèn)識(shí)生物學(xué)對(duì)工業(yè)生產(chǎn)的作用。

（二）與舊知呼應(yīng)，引起認(rèn)知沖突

1.獲取土樣

教師引導(dǎo)學(xué)生思考，選取土樣的方法是否與“土壤中分解尿素的細(xì)菌的分離與計(jì)數(shù)”實(shí)驗(yàn)一樣?！巴翗拥倪x取有哪些條件？濕潤(rùn)還是干燥？如果沒有現(xiàn)成合適的土樣，可以采用什么方法獲取土樣？”教師引導(dǎo)學(xué)生回憶之前學(xué)過的知識(shí)，承上啟下，并通過土樣的選擇條件問題引起認(rèn)知沖突，讓學(xué)生理解生物學(xué)與環(huán)境的關(guān)系。

在教師引導(dǎo)下學(xué)生討論得出結(jié)論：采集土樣時(shí)，要從纖維素豐富的環(huán)境中選擇，如樹林中多年落葉形成的腐殖土。如果沒有腐殖土，可將富含纖維素的濾紙片埋入土壤，30天后再?gòu)母癄€的濾紙片上篩選纖維素分解菌。

2.配制培養(yǎng)基

教師提出問題：“培養(yǎng)分離纖維素的微生物所需的培養(yǎng)基配制原料有哪些？與培養(yǎng)分解尿素的細(xì)菌的培養(yǎng)基原料是否相同？”教師登錄NB平臺(tái)，點(diǎn)擊“土壤中分解尿素的細(xì)菌的分離與計(jì)數(shù)”和“分解纖維素的微生物的分離”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，通過共享桌面分別展示兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中配制的培養(yǎng)基原料。相較于文字介紹，教師借助NB平臺(tái)畫面直觀地向?qū)W生展示兩個(gè)實(shí)驗(yàn)中培養(yǎng)基的差異，更能加深學(xué)生印象。同時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生探究“該培養(yǎng)基是否對(duì)分離纖維素的微生物有選擇作用”，要求學(xué)生課后以小組為單位設(shè)計(jì)一個(gè)對(duì)照實(shí)驗(yàn)，對(duì)培養(yǎng)基的選用進(jìn)行說明，以此培養(yǎng)學(xué)生的總結(jié)能力和科學(xué)思維能力。

（三）明晰原理，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)假設(shè)

教師登錄NB平臺(tái)，點(diǎn)擊“分離纖維素的微生物的分離”實(shí)驗(yàn)，分別展示頁(yè)面下方的“實(shí)驗(yàn)原理”“實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹薄安牧嫌镁摺薄坝懻撘c(diǎn)”。教師介紹常用的兩種剛果紅染色法：一種是先培養(yǎng)微生物，再加入剛果紅溶液進(jìn)行顏色反應(yīng)；另一種是在倒平板時(shí)加入剛果紅溶液。學(xué)生分組進(jìn)行線上討論，自主查閱資料，類比“土壤中分解尿素的細(xì)菌的分離”，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)并假設(shè)結(jié)果。學(xué)生借助NB平臺(tái)學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理等知識(shí)，在教師引導(dǎo)下自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)了自學(xué)能力及搜集資料能力，同時(shí)通過自主感知，掌握了生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)流程，提高了合作學(xué)習(xí)能力和科學(xué)探究能力。

（四）師生同步操作，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)假設(shè)

教師點(diǎn)擊“開始實(shí)驗(yàn)”，并通過在線直播軟件（如“騰訊會(huì)議”“釘釘”等）共享畫面。NB平臺(tái)上，該實(shí)驗(yàn)分五步完成。

第一步，配制培養(yǎng)基。在NB平臺(tái)上，教師首先對(duì)頁(yè)面左側(cè)“步驟”進(jìn)行說明，讓學(xué)生了解該操作的意義和具體流程，然后拖動(dòng)鼠標(biāo)完成培養(yǎng)基的配制及滅菌。教師點(diǎn)擊并展示頁(yè)面右下角的“討論要點(diǎn)”：為什么選擇培養(yǎng)能夠“濃縮”所需的微生物？學(xué)生思考、討論后得出結(jié)論：適應(yīng)目的菌繁殖，不適應(yīng)其他微生物繁殖。

第二步，配制土壤菌液。教師根據(jù)頁(yè)面左側(cè)“步驟”，依次點(diǎn)擊“錐形瓶”和“土樣”，完成土樣與培養(yǎng)基混合的操作，將其拖動(dòng)至“恒溫振蕩培養(yǎng)箱”內(nèi)。在此過程中，教師引導(dǎo)學(xué)生思考：實(shí)驗(yàn)中酒精燈起什么作用；打開錐形瓶上的牛皮紙后，為何必須夾持錐形瓶口過火焰才能往下操作？教師借助NB平臺(tái)讓學(xué)生了解生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本操作規(guī)范，養(yǎng)成科學(xué)實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)習(xí)慣和認(rèn)真態(tài)度。

第三步，倒平板。教師點(diǎn)擊含有鑒別培養(yǎng)基的“錐形瓶”，拖至左側(cè)“培養(yǎng)皿”處，完成倒平板操作。教師點(diǎn)擊“平板”將其倒置冷卻，播放平板倒置的動(dòng)畫，引出問題“為什么要將未接種的平板倒置冷卻”，引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)系之前所學(xué)知識(shí)找到答案：一是避免培養(yǎng)基與培養(yǎng)皿脫離；二是拿取方便。

第四步，稀釋、接種、培養(yǎng)。教師點(diǎn)擊“移液管”頭部，將其拖至放置選擇培養(yǎng)基的“錐形瓶”內(nèi)，吸取1 mL土樣提取液，將“移液管”拖至試管一內(nèi)（含9 mL無(wú)菌水），配制10倍稀釋液。教師再次點(diǎn)擊“移液管”，將其拖至試管一內(nèi)，吸取1 mL試管一內(nèi)的稀釋液，放入試管二（含9 mL無(wú)菌水），配制10倍稀釋液。教師重復(fù)上述操作，依次制備10、10、10倍的土壤稀釋液。隨后，繼續(xù)點(diǎn)擊“滴管”，使其吸取10倍稀釋土壤菌液，再將“滴管”拖至鑒別培養(yǎng)皿處，點(diǎn)擊“滴管”頭部?jī)纱?，滴兩?0倍稀釋土壤菌液在鑒別培養(yǎng)皿平板上。完成上述操作后，NB平臺(tái)上出現(xiàn)用75%酒精浸泡的“涂布器”。教師將“涂布器”拖至“酒精燈”火焰上灼燒，冷卻后，再將“涂布器”拖至培養(yǎng)皿平板上均勻涂布。教師重復(fù)上述操作，分別接種10、10、10倍稀釋的土壤菌液，點(diǎn)擊10—10稀釋土壤菌液的“培養(yǎng)皿”，拖至“恒溫培養(yǎng)箱”處，倒置培養(yǎng)48 h。

教師在操作過程中，不斷提示學(xué)生進(jìn)行觀察，總結(jié)微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)（如灼燒涂布器、移液管不能深入試管等）。教師操作完成后，邀請(qǐng)小組代表對(duì)比自己的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與NB平臺(tái)選取的土壤菌液稀釋倍數(shù)有何不同，并分析原因。同時(shí)，教師提問“為什么要將接種后的平板倒置放入恒溫箱內(nèi)”，引導(dǎo)學(xué)生明確原因：一是利于菌種的生長(zhǎng)和繁殖；二是防止培養(yǎng)過程中雜菌污染平板；三是有利于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)富集，方便觀察計(jì)數(shù)。教師通過NB平臺(tái)進(jìn)行仿真操作，提高了學(xué)生的總結(jié)能力，強(qiáng)化了對(duì)微生物實(shí)驗(yàn)基本流程的掌握。

第五步，鑒別剛果紅。教師根據(jù)頁(yè)面左側(cè)文字提示進(jìn)行操作，分別點(diǎn)擊兩次“剛果紅溶液”，將其加入10倍稀釋土壤菌液的“培養(yǎng)皿”中。教師點(diǎn)擊“培養(yǎng)皿”，搖勻液體，待頁(yè)面下方的染色時(shí)間進(jìn)度條完成后，再次點(diǎn)擊“培養(yǎng)皿”，倒去“剛果紅溶液”。教師對(duì)頁(yè)面中的“NaCl溶液”進(jìn)行同樣的操作，觀察透明菌圈。至此虛擬實(shí)驗(yàn)完成。上述過程中，教師將探究實(shí)驗(yàn)與NB平臺(tái)的應(yīng)用相結(jié)合，以實(shí)驗(yàn)流程為主線，步步深入。教師通過NB平臺(tái)虛擬操作實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生了解具體步驟，同時(shí)在每步操作中，引導(dǎo)學(xué)生理解操作的目的和意義，思考是否可以進(jìn)一步優(yōu)化操作。這樣，學(xué)生不僅更好地理解了“分離纖維素的微生物的分離”實(shí)驗(yàn)原理，而且掌握了實(shí)驗(yàn)的基本規(guī)范。在實(shí)驗(yàn)過程中學(xué)生的批判性思維能力也得到了提升，他們對(duì)很多問題有深度思考，如虛擬實(shí)驗(yàn)室中配制的土壤菌液是否真的會(huì)得到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不同的菌液濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有何影響。可見，NB平臺(tái)能幫助學(xué)生從多角度理解生物學(xué)實(shí)驗(yàn)原理及操作，同時(shí)教師利用NB平臺(tái)優(yōu)化在線上教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維及科學(xué)探究能力。

（五）歸納總結(jié)，拓展實(shí)驗(yàn)嘗試更多可能

教師操作完成后，讓學(xué)生分組討論，探究該虛擬實(shí)驗(yàn)的多種可能，例如在倒平板時(shí)就加入剛果紅溶液進(jìn)行染色是否能達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。教師引導(dǎo)學(xué)生分析兩種剛果紅染色法的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)照虛擬實(shí)驗(yàn)室和自己小組的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，選擇最佳的操作方法。教師展示NB平臺(tái)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提出問題 ：該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中，以透明圈大小作為菌株產(chǎn)纖維素酶活力大小的定量指標(biāo)是否可靠？教師展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖，引導(dǎo)學(xué)生討論，鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)發(fā)酵產(chǎn)纖維素酶的實(shí)驗(yàn)，嘗試提出初步的工程學(xué)構(gòu)想，從而提高學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。教師進(jìn)一步拓展實(shí)驗(yàn)，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)生活中與生物技術(shù)有關(guān)的話題進(jìn)行思考，增強(qiáng)他們的社會(huì)責(zé)任意識(shí)。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)室結(jié)合線上教學(xué)，提升學(xué)生生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)

在“分離纖維素的微生物的分離”線上實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，在條件受限的情況下，教師借助NB平臺(tái)輔助教學(xué)，取得了較為理想的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。在實(shí)驗(yàn)中，教師運(yùn)用虛擬實(shí)驗(yàn)室，創(chuàng)設(shè)情境，向?qū)W生直觀展示操作過程，讓學(xué)生體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)，了解原理。同時(shí)，在操作過程中教師根據(jù)教學(xué)需求隨時(shí)暫停，引導(dǎo)學(xué)生思考下一步如何操作。對(duì)于學(xué)生難以理解、掌握的內(nèi)容，教師重復(fù)演示，直至學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)流程和規(guī)范。教師針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，設(shè)計(jì)小組討論、分組比賽等活動(dòng)，在培養(yǎng)學(xué)生合作能力的同時(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。例如，在該案例中，教師基于教學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真操作，在操作過程引導(dǎo)學(xué)生探究該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性和可行性，并思考生物技術(shù)對(duì)社會(huì)發(fā)展和環(huán)境影響。在完成實(shí)驗(yàn)操作后，教師鼓勵(lì)學(xué)生自主設(shè)計(jì)拓展性實(shí)驗(yàn)，嘗試提出初步的工程學(xué)構(gòu)想。學(xué)生參與環(huán)環(huán)相扣的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)得以提升。除NB平臺(tái)外，PhET和A&P等軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)也很有幫助。

教師在開展線上教學(xué)時(shí)，要優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)的個(gè)性化、多樣化。教師要善于運(yùn)用多種教學(xué)資源和輔助軟件，調(diào)動(dòng)學(xué)生在線學(xué)習(xí)的能動(dòng)性，讓軟件服務(wù)于教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力，提高學(xué)生的素養(yǎng)與能力。

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（作者劉楊百合系廣西師范大學(xué)碩士研究生；韋艷艷系廣西師范大學(xué)副教授，華中師范大學(xué)博士研究生，本文通信作者）

責(zé)任編輯：祝元志