虛擬實驗室在高中生物學線上教學中的應用

劉楊百合??韋艷艷

摘要： 為培養學生的探究精神和創新能力，提高學生的生物學學科核心素養，教師以“分解纖維素的微生物的分離”實驗為例，應用虛擬實驗室創設情境，引導學生探究實驗設計的合理性和可行性，自主設計拓展性實驗，嘗試提出初步的工程學構想，思考生物技術對社會發展和環境的影響。實踐證明，基于虛擬實驗室開展全過程的探究式活動，可以為線上實驗教學錦上添花，達到以虛補實的目的。

關鍵詞：虛擬實驗室；線上教學；探究學習；生物學；核心素養

新冠肺炎疫情防控期間，依托直播平臺授課是常態。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課標》）指出，教師要積極開發和利用信息技術課程資源，在提高課程效率的同時也要服務于學生的自主性學習，全面提升學生的核心素養。科學探究是生物學科核心素養的重要內容。實驗教學是生物學課程重要組成部分，也是提高學生生物學學科核心素養的重要支撐。教師應加大培養學生獲得、處理、分析信息能力和自主學習能力的力度。然而，對于線上實驗教學，教師通常采用“以講代做”或者借助直播平臺播放實驗操作視頻的形式教學，造成部分學生對實驗內容一知半解，無法進行自主探究和實驗拓展創新。針對生物學學科，NOBOOK（以下簡稱NB）虛擬實驗室對信息技術和高中生物學實驗進行了深度整合，可用以開展傳統實驗室無法操作的實驗，并且解決了在傳統實驗室進行探究教學時流于形式的問題。后疫情時期，在線教學不會退出歷史舞臺，只會與時俱進，融合發展，創新應用。生物學教師可利用NB平臺輔助教學，通過直播平臺與學生同步操作，讓學生在線參與小組討論，拓展實驗內容的廣度和深度，開辟培養學生探究和創新能力的新路徑。

一、虛擬實驗室平臺及優勢

NOBOOK虛擬實驗室是一款多功能虛擬實驗室平臺，其應用旨在“讓教學更簡單”。NB平臺多用于物理、化學教學中，目前在生物學實驗教學中的應用逐漸增多。NB平臺功能齊全且具有開拓性，教師應用該平臺開展實驗教學可實現成效最大化。NB平臺支持義務教育階段人教版生物學教材涉及的所有實驗。平臺開發者依據《課標》，針對教學需求，設計實驗，落實生物學學科核心素養要求。實驗具有仿真度高、可操作性強、可重復性高的優勢。在平臺的支持下，教師可以進行可視化操作，更好地向學生介紹或講解相關實驗。同時，學生也可自行下載軟件，與教師同步操作，直觀地感受實驗，提高探究思維能力。

NB平臺的應用很大程度突破了傳統生物實驗室中由于“空間”“實驗環境”“實驗器材”“實驗周期”等方面的限制。例如，“標志重捕法測種群密度”實驗就由于選擇實驗場地十分困難，操作復雜，安全性不高，以傳統方式教學非常困難。教師借助NB平臺讓學生動動鼠標進行簡單的操作就可熟悉具體的實驗過程，得到理想的實驗結果。雖然數字化實驗無法代替真實的實驗，但是在因客觀原因無法有效操作或只能進行線上教學時，借助NB這類虛擬實驗室開展實驗教學或許是最好的選擇之一。

二、虛擬實驗室輔助探究式實驗教學的案例

生物學實驗是培養學生學科核心素養的重要依托，教師在信息技術的輔助下可以最大限度進行有效教學。下面以“分解纖維素的微生物的分離”實驗為例，介紹如何在線上教學的情況下開展探究式實驗教學。

“分解纖維素的微生物的分離”實驗包括兩項內容：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，對維持身體健康有一定作用。近年分解纖維素的微生物技術發展迅猛，其對處理秸稈廢棄物有相助功效。學生參與該實驗活動，不僅可以了解微生物分離技術，而且可以深刻認識生物技術對社會及環境發展的重要性。在此之前，學生已經學習了培養基的配制、無菌技術、微生物的培養及數量測定等知識，對微生物培養技術已有了解。教師采用“探究式教學方法”，在明晰原理后，引導學生對實驗作出設想。學生在NB平臺輔助下，驗證設想，開展接續探究，此過程環環相扣。這樣，不僅激發了學生的學習興趣，而且通過線上教學提高了學生的探究思維能力，在探究的過程中培養了學生的生物學學科核心素養。如何運用NB平臺開展探究式實驗教學？筆者設計了教學流程（如圖1）。

（一）創設情境，激發學生學習興趣

植物的根、莖、葉等器官都含有大量纖維素。纖維素內含葡萄糖，蘊含能量。以前人們處理水稻、小麥秸稈往往一燒了之，方法雖簡單，但會造成環境污染。隨著科技不斷發展，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行酒精發酵。“如何將秸稈‘變廢為寶’，從土壤中分離纖維素酶呢？”在準備階段，教師讓學生查閱資料，了解秸稈廢棄物“變廢為寶”的歷程，通過自我感悟，增強環保意識，認識生物學對工業生產的作用。

（二）與舊知呼應，引起認知沖突

1.獲取土樣

教師引導學生思考，選取土樣的方法是否與“土壤中分解尿素的細菌的分離與計數”實驗一樣。“土樣的選取有哪些條件？濕潤還是干燥？如果沒有現成合適的土樣，可以采用什么方法獲取土樣？”教師引導學生回憶之前學過的知識，承上啟下，并通過土樣的選擇條件問題引起認知沖突，讓學生理解生物學與環境的關系。

在教師引導下學生討論得出結論：采集土樣時，要從纖維素豐富的環境中選擇，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天后再從腐爛的濾紙片上篩選纖維素分解菌。

2.配制培養基

教師提出問題：“培養分離纖維素的微生物所需的培養基配制原料有哪些？與培養分解尿素的細菌的培養基原料是否相同？”教師登錄NB平臺，點擊“土壤中分解尿素的細菌的分離與計數”和“分解纖維素的微生物的分離”兩個實驗，通過共享桌面分別展示兩個實驗中配制的培養基原料。相較于文字介紹，教師借助NB平臺畫面直觀地向學生展示兩個實驗中培養基的差異，更能加深學生印象。同時，教師引導學生探究“該培養基是否對分離纖維素的微生物有選擇作用”，要求學生課后以小組為單位設計一個對照實驗，對培養基的選用進行說明，以此培養學生的總結能力和科學思維能力。

（三）明晰原理，引導學生進行實驗假設

教師登錄NB平臺，點擊“分離纖維素的微生物的分離”實驗，分別展示頁面下方的“實驗原理”“實驗目的”“材料用具”“討論要點”。教師介紹常用的兩種剛果紅染色法：一種是先培養微生物，再加入剛果紅溶液進行顏色反應；另一種是在倒平板時加入剛果紅溶液。學生分組進行線上討論，自主查閱資料，類比“土壤中分解尿素的細菌的分離”，設計實驗并假設結果。學生借助NB平臺學習實驗原理等知識，在教師引導下自主設計實驗，培養了自學能力及搜集資料能力，同時通過自主感知，掌握了生物學實驗的設計流程，提高了合作學習能力和科學探究能力。

（四）師生同步操作，驗證實驗假設

教師點擊“開始實驗”，并通過在線直播軟件（如“騰訊會議”“釘釘”等）共享畫面。NB平臺上，該實驗分五步完成。

第一步，配制培養基。在NB平臺上，教師首先對頁面左側“步驟”進行說明，讓學生了解該操作的意義和具體流程，然后拖動鼠標完成培養基的配制及滅菌。教師點擊并展示頁面右下角的“討論要點”：為什么選擇培養能夠“濃縮”所需的微生物？學生思考、討論后得出結論：適應目的菌繁殖，不適應其他微生物繁殖。

第二步，配制土壤菌液。教師根據頁面左側“步驟”，依次點擊“錐形瓶”和“土樣”，完成土樣與培養基混合的操作，將其拖動至“恒溫振蕩培養箱”內。在此過程中，教師引導學生思考：實驗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平臺讓學生了解生物學實驗的基本操作規范，養成科學實驗的嚴謹習慣和認真態度。

第三步，倒平板。教師點擊含有鑒別培養基的“錐形瓶”，拖至左側“培養皿”處，完成倒平板操作。教師點擊“平板”將其倒置冷卻，播放平板倒置的動畫，引出問題“為什么要將未接種的平板倒置冷卻”，引導學生聯系之前所學知識找到答案：一是避免培養基與培養皿脫離；二是拿取方便。

第四步，稀釋、接種、培養。教師點擊“移液管”頭部，將其拖至放置選擇培養基的“錐形瓶”內，吸取1 mL土樣提取液，將“移液管”拖至試管一內（含9 mL無菌水），配制10倍稀釋液。教師再次點擊“移液管”，將其拖至試管一內，吸取1 mL試管一內的稀釋液，放入試管二（含9 mL無菌水），配制10倍稀釋液。教師重復上述操作，依次制備10、10、10倍的土壤稀釋液。隨后，繼續點擊“滴管”，使其吸取10倍稀釋土壤菌液，再將“滴管”拖至鑒別培養皿處，點擊“滴管”頭部兩次，滴兩滴10倍稀釋土壤菌液在鑒別培養皿平板上。完成上述操作后，NB平臺上出現用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”拖至培養皿平板上均勻涂布。教師重復上述操作，分別接種10、10、10倍稀釋的土壤菌液，點擊10—10稀釋土壤菌液的“培養皿”，拖至“恒溫培養箱”處，倒置培養48 h。

教師在操作過程中，不斷提示學生進行觀察，總結微生物學實驗注意事項（如灼燒涂布器、移液管不能深入試管等）。教師操作完成后，邀請小組代表對比自己的實驗設計與NB平臺選取的土壤菌液稀釋倍數有何不同，并分析原因。同時，教師提問“為什么要將接種后的平板倒置放入恒溫箱內”，引導學生明確原因：一是利于菌種的生長和繁殖；二是防止培養過程中雜菌污染平板；三是有利于營養物質富集，方便觀察計數。教師通過NB平臺進行仿真操作，提高了學生的總結能力，強化了對微生物實驗基本流程的掌握。

第五步，鑒別剛果紅。教師根據頁面左側文字提示進行操作，分別點擊兩次“剛果紅溶液”，將其加入10倍稀釋土壤菌液的“培養皿”中。教師點擊“培養皿”，搖勻液體，待頁面下方的染色時間進度條完成后，再次點擊“培養皿”，倒去“剛果紅溶液”。教師對頁面中的“NaCl溶液”進行同樣的操作，觀察透明菌圈。至此虛擬實驗完成。上述過程中，教師將探究實驗與NB平臺的應用相結合，以實驗流程為主線，步步深入。教師通過NB平臺虛擬操作實驗，讓學生了解具體步驟，同時在每步操作中，引導學生理解操作的目的和意義，思考是否可以進一步優化操作。這樣，學生不僅更好地理解了“分離纖維素的微生物的分離”實驗原理，而且掌握了實驗的基本規范。在實驗過程中學生的批判性思維能力也得到了提升，他們對很多問題有深度思考，如虛擬實驗室中配制的土壤菌液是否真的會得到理想的實驗結果，不同的菌液濃度對實驗結果有何影響?？梢?，NB平臺能幫助學生從多角度理解生物學實驗原理及操作，同時教師利用NB平臺優化在線上教學，培養學生的科學思維及科學探究能力。

（五）歸納總結，拓展實驗嘗試更多可能

教師操作完成后，讓學生分組討論，探究該虛擬實驗的多種可能，例如在倒平板時就加入剛果紅溶液進行染色是否能達到理想的實驗結果。教師引導學生分析兩種剛果紅染色法的優缺點，對照虛擬實驗室和自己小組的實驗設計，選擇最佳的操作方法。教師展示NB平臺實驗結果，提出問題 ：該實驗現象中，以透明圈大小作為菌株產纖維素酶活力大小的定量指標是否可靠？教師展示實驗結果示意圖，引導學生討論，鼓勵學生自主設計發酵產纖維素酶的實驗，嘗試提出初步的工程學構想，從而提高學生的科學思維和科學探究能力。教師進一步拓展實驗，引導學生對生活中與生物技術有關的話題進行思考，增強他們的社會責任意識。

三、虛擬實驗室結合線上教學，提升學生生物學學科核心素養

在“分離纖維素的微生物的分離”線上實驗教學中，在條件受限的情況下，教師借助NB平臺輔助教學，取得了較為理想的實驗教學效果。在實驗中，教師運用虛擬實驗室，創設情境，向學生直觀展示操作過程，讓學生體驗實驗，了解原理。同時，在操作過程中教師根據教學需求隨時暫停，引導學生思考下一步如何操作。對于學生難以理解、掌握的內容，教師重復演示，直至學生掌握實驗流程和規范。教師針對不同的實驗內容，設計小組討論、分組比賽等活動，在培養學生合作能力的同時，培養學生的科學探究能力。例如，在該案例中，教師基于教學設計進行仿真操作，在操作過程引導學生探究該實驗設計的合理性和可行性，并思考生物技術對社會發展和環境影響。在完成實驗操作后，教師鼓勵學生自主設計拓展性實驗，嘗試提出初步的工程學構想。學生參與環環相扣的實驗活動，生物學學科核心素養得以提升。除NB平臺外，PhET和A&P等軟件對實驗教學也很有幫助。

教師在開展線上教學時，要優化教學設計，實現教學的個性化、多樣化。教師要善于運用多種教學資源和輔助軟件，調動學生在線學習的能動性，讓軟件服務于教學，培養學生的科學探究能力，提高學生的素養與能力。

參考文獻

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

責任編輯：祝元志