王志剛 楊青香 王麗莉 郭玉風 李一婧
摘?要:高中生物實驗“DNA粗提取與鑒定”是《生物技術實踐》專題五“DNA和蛋白質技術”的基礎實驗之一。為擴展教師教學的資源,本文基于“鑫銳虛擬現(xiàn)實課程開發(fā)平臺(XRCS)”,對“DNA粗提取與鑒定”實驗進行虛擬仿真實驗腳本的設計,涵蓋了“DNA粗提取與鑒定”實驗的知識點10個、教學實訓任務7個、實驗步驟15個、操作環(huán)節(jié)28個、操作動作122個,總計知識設計182個。各知識點進行應用對象、拍攝手法、教學流程、關鍵詞以及功能設計5部分的策劃設計。通過對“DNA粗提取與鑒定實驗”的虛擬仿真實驗設計,達成培養(yǎng)學生科學探究和核心素養(yǎng)的能力,開發(fā)出符合新時代中學實驗教學要求的教育教學資源,為今后生物實驗教學的實施開辟了新途徑。
關鍵詞:高中生物實驗;DNA粗提取與鑒定;虛擬仿真
虛擬仿真(VR)實驗是由人工模擬的三維形式的逼真實驗環(huán)境,通過多媒體和計算機技術,將生物實驗的情景呈現(xiàn)在電子屏幕上,讓VR實驗者有真實實驗室的體驗,并且具備良好的交互性、沉浸性和想象性等特點。它突破了傳統(tǒng)實驗在時間和空間上的限制,且能有效地改善教育資源分配不均的問題,為實驗教學發(fā)展開辟新途徑。
在高中生物學習中,實驗的作用非常重要,是提高學生探究和創(chuàng)新能力的重要手段。傳統(tǒng)實驗教學存在專業(yè)實驗人員匱乏和實驗設備不完善等問題?!读x務教育生物學課程標準(2022年版)》第六項第五點就提及了推進現(xiàn)代信息技術與教學深度融合,要求教師應用現(xiàn)代信息技術手段開發(fā)和利用數(shù)字化教學資源。在該課標中,提到實驗91次,并提到教師應具備虛擬實驗的設計能力。
本VR實驗設計以高中生物實驗“DNA的粗提取與鑒定”為研究對象,進行虛擬仿真實驗設計,基于鑫銳虛擬現(xiàn)實課程開發(fā)平臺(XRCS),構建實驗腳本及設計方案,完成了該虛擬實驗的設計流程。通過探索其在中學生物實驗教學中的應用,達到培養(yǎng)學生科學探究和核心素養(yǎng)的能力。
1?“DNA粗提取與鑒定”虛擬實驗設計
對于本VR實驗設計,首先進行實驗內(nèi)容腳本編寫,即對該實驗的基本信息和課程介紹進行設計。其中,基本信息主要從教學目標、教學方法以及教輔材料展開,課程介紹從實驗原理、實驗儀器與試劑、實驗過程、考核方式等一系列內(nèi)容展開,如圖1所示。
1.1?基本信息
本實驗教學目標依據(jù)2022版生物學課程標準的核心素養(yǎng)制定。學生掌握DNA的結構、功能、DNA粗提取與鑒定的原理和方法,理解結構與功能相適應的生命觀;學生通過查閱資料和比較遷移,選擇不同實驗材料和方法,對原有實驗進行改進,培養(yǎng)創(chuàng)造性和批判性的發(fā)展性思維;通過小組分工合作,比較和分析不同提取方法對DNA提取量和純度的影響,領悟“設計實驗、交流討論”等科學探究方法;體會科學研究的艱辛和成功的樂趣,初步養(yǎng)成求實、創(chuàng)新及勇于探究的科學精神和態(tài)度。該虛擬仿真實驗通過“VR實驗+線下課堂”教學模式進行混合式教學。學生首先進行VR實驗,體驗完整的操作過程,對實驗有初步了解,并且掌握該實驗的原理操作、結果分析和注意事項。學生可反復練習直至熟練掌握實驗操作,當線上成績合格后,學生即可申請線下實驗操作。完成后,通過“過程性評價+總結性評價”的方式進行評價。學生學習VR實驗后,利用平臺設置的考題進行自測,隨后填寫實驗報告,平臺對VR實驗的學習過程進行考核,最終形成總結性評價。VR實驗過程中,平臺對學生的學習情況進行實時反饋,讓學生學會自主學習和不斷課后反思的習慣。多種考核方式也將對學生的實驗應用能力和實驗效果進行反饋,以提升學生的綜合素質。
1.2?課程介紹
該實驗的課程介紹包括實驗原理、所需儀器和試劑、操作過程。具體如圖2、圖3所示。
1.3?考核方法
本VR實驗過程性考核內(nèi)容以實驗考試/考核、VR實驗操作賦分模型、實驗報告三種形式評價學生的學習效果?;谡n程標準及考綱內(nèi)容要求,可對實驗學習中知識點和技能掌握情況設置試卷;對VR實驗的每一項操作從步驟用時、步驟滿分、步驟達成度和成績類型四方面進行賦分設計;書寫實驗報告,需要寫清楚實驗目的,實驗原理,實驗儀器、試劑和材料,實驗操作步驟、實驗注意事項,結果與分析。教師可通過平臺數(shù)據(jù)和實驗報告掌握學生對虛擬實驗學習的情況。
2?“DNA粗提取與鑒定”實驗策劃流程
完成上述實驗腳本編寫后,對實驗的知識點從課程知識策劃和實訓任務策劃兩部分進行設計。
2.1?課程知識策劃
該實驗課程策劃中,角色策劃應用單一角色VS機器,策劃的邏輯結構應用單線串/并聯(lián)。課程介紹策劃部分,設計知識點10個,分別為生物實驗室安全常識、實驗儀器和器皿的使用、化學試劑的配制、實驗原理、實驗材料的選擇、樣品預處理、DNA的粗提取、DNA的鑒定、結果與分析和資料拓展。在實訓任務策劃部分,設計任務7個、實驗步驟15個、操作環(huán)節(jié)28個、操作動作122個,總計策劃知識點172個。對于每一個知識點,分別從應用對象、拍攝手法、教學流程、關鍵詞和功能設計這五方面進行對應呈現(xiàn)方式的策劃。
2.2?課程流程圖繪制
本VR實驗設計的主流程有7個,分別包括實驗室安全、實驗儀器和器皿的正確使用、配制試劑、樣品的預處理、DNA的粗提取、DNA的鑒定、結果與分析。學生進入VR實訓階段后,依次以上述7個主流程進行模擬實操。進入實驗室安全部分,學生可學習實驗室規(guī)章制度、檢查實驗者實驗衣著、了解實驗室安全設施、儀器和試劑的安全常識以及實驗室的應急處理5部分內(nèi)容。隨即進入實驗儀器、器皿的正確使用部分,學生分別學習實驗儀器和玻璃器皿的正確使用,其中,實驗儀器2個、玻璃器皿9個,包括使用方法和對應的注意事項。該部分內(nèi)容完成后,學生進入下一個流程,即配制試劑。本VR實驗共需要試劑6種,分別為研磨液、二苯胺試劑、HCl溶液(2mol/L)、NaCl溶液(2mol/L)、NaCl溶液(0.14mol/L)和檸檬酸鈉溶液(0.1g/mL),學生學習并掌握對應試劑的配制方法。下一部分是樣品預處理,對于本VR實驗的材料,選擇的原則是含有DNA的材料。本VR實驗選擇了2種材料,分別為雞血紅細胞和菜花。下一步,學生學習DNA的粗提取,其包括破碎細胞獲取濾液、去除雜質和DNA的析出3部分。通過這一系列的操作,學生隨即提取到所需要的白色絲狀物。最后一步即為DNA的鑒定,來檢驗提取物質是否為DNA,并進行實驗的結果與分析。
對本VR實驗內(nèi)容的學習,系統(tǒng)設計正常完成時間為2小時。學生進入VR學習界面后,每一個知識點的學習,都會設置不同的關卡,學生通過選擇關卡來完成VR實驗的完整體驗。在整個流程中,并列設置多種實驗方向,學生通過選擇實驗方向來學習,當然,學生也可以學習全部的實驗方向,以此來擴充自己的知識面。例如,在實驗材料選擇部分,有2種材料的選擇,學生可以選擇動物材料,也可以選擇植物材料。選擇不同的實驗材料,都可以完成后續(xù)的VR實驗內(nèi)容,學生也可以完成2種材料的學習。在去除雜質部分,設計了3種去雜方案,分別為根據(jù)控制NaCl溶液濃度去除雜質、DNA對高溫的耐受性以及DNA對酶的耐受性去除雜質。學生可以選擇任何一種去雜方案,來完成后續(xù)的學習。
3?結論
本VR實驗設計基于“XRCS虛擬現(xiàn)實課程開發(fā)平臺”,對“DNA粗提取與鑒定”實驗進行虛擬仿真實驗腳本的設計和實驗方案的策劃,設計內(nèi)容涵蓋了“DNA粗提取與鑒定”實驗的知識點10個、教學實訓任務7個、實驗步驟15個、操作環(huán)節(jié)28個、操作動作122個,總計知識設計182個。各知識點進行應用對象、拍攝手法、教學流程、關鍵詞以及功能設計5部分的策劃設計。充分利用了文字、圖片以及動畫視頻等數(shù)字化資源,模擬現(xiàn)實實驗,給學生提供了新的學習方法。通過優(yōu)化教學過程,來直觀、生動地體現(xiàn)教學內(nèi)容,采用文字、表格、流程圖等方式將VR實驗內(nèi)容呈現(xiàn)在報告內(nèi)容中,以此來鑒定教師能否依據(jù)核心素養(yǎng)制定教學目標。將VR實驗課程與教學融合,培養(yǎng)出能依據(jù)核心素養(yǎng)制定教學目標、教學過程中重視探究活動的教師,還要培養(yǎng)敢于突破限制,發(fā)掘新教學資源的教師。
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基金項目:甘肅省教育科學“十三五”規(guī)劃課題:基于OBE理念的生物制藥類專業(yè)課程“四維一體”模塊化體系構建(編號:GS[2020]GHB4819)
作者簡介:王志剛(1981—?),男,甘肅天水人,本科,天水市羅玉中學教師,從事中學生物等課程教學。
*通訊作者:李一婧(1981—?),女,甘肅正寧人,碩士研究生,天水師范學院生物工程與技術學院副教授,從事生物化學等課程教學。