虚拟实验室在高中生物学线上教学中的应用

刘杨百合  韦艳艳

摘要： 为培养学生的探究精神和创新能力，提高学生的生物学学科核心素养，教师以“分解纤维素的微生物的分离”实验为例，应用虚拟实验室创设情境，引导学生探究实验设计的合理性和可行性，自主设计拓展性实验，尝试提出初步的工程学构想，思考生物技术对社会发展和环境的影响。实践证明，基于虚拟实验室开展全过程的探究式活动，可以为线上实验教学锦上添花，达到以虚补实的目的。

关键词：虚拟实验室；线上教学；探究学习；生物学；核心素养

新冠肺炎疫情防控期间，依托直播平台授课是常态。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课标》）指出，教师要积极开发和利用信息技术课程资源，在提高课程效率的同时也要服务于学生的自主性学习，全面提升学生的核心素养。科学探究是生物学科核心素养的重要内容。实验教学是生物学课程重要组成部分，也是提高学生生物学学科核心素养的重要支撑。教师应加大培养学生获得、处理、分析信息能力和自主学习能力的力度。然而，对于线上实验教学，教师通常采用“以讲代做”或者借助直播平台播放实验操作视频的形式教学，造成部分学生对实验内容一知半解，无法进行自主探究和实验拓展创新。针对生物学学科，NOBOOK（以下简称NB）虚拟实验室对信息技术和高中生物学实验进行了深度整合，可用以开展传统实验室无法操作的实验，并且解决了在传统实验室进行探究教学时流于形式的问题。后疫情时期，在线教学不会退出历史舞台，只会与时俱进，融合发展，创新应用。生物学教师可利用NB平台辅助教学，通过直播平台与学生同步操作，让学生在线参与小组讨论，拓展实验内容的广度和深度，开辟培养学生探究和创新能力的新路径。

一、虚拟实验室平台及优势

NOBOOK虚拟实验室是一款多功能虚拟实验室平台，其应用旨在“让教学更简单”。NB平台多用于物理、化学教学中，目前在生物学实验教学中的应用逐渐增多。NB平台功能齐全且具有开拓性，教师应用该平台开展实验教学可实现成效最大化。NB平台支持义务教育阶段人教版生物学教材涉及的所有实验。平台开发者依据《课标》，针对教学需求，设计实验，落实生物学学科核心素养要求。实验具有仿真度高、可操作性强、可重复性高的优势。在平台的支持下，教师可以进行可视化操作，更好地向学生介绍或讲解相关实验。同时，学生也可自行下载软件，与教师同步操作，直观地感受实验，提高探究思维能力。

NB平台的应用很大程度突破了传统生物实验室中由于“空间”“实验环境”“实验器材”“实验周期”等方面的限制。例如，“标志重捕法测种群密度”实验就由于选择实验场地十分困难，操作复杂，安全性不高，以传统方式教学非常困难。教师借助NB平台让学生动动鼠标进行简单的操作就可熟悉具体的实验过程，得到理想的实验结果。虽然数字化实验无法代替真实的实验，但是在因客观原因无法有效操作或只能进行线上教学时，借助NB这类虚拟实验室开展实验教学或许是最好的选择之一。

二、虛拟实验室辅助探究式实验教学的案例

生物学实验是培养学生学科核心素养的重要依托，教师在信息技术的辅助下可以最大限度进行有效教学。下面以“分解纤维素的微生物的分离”实验为例，介绍如何在线上教学的情况下开展探究式实验教学。

“分解纤维素的微生物的分离”实验包括两项内容：纤维素和纤维素酶；纤维素分解菌的筛选。纤维素是自然界含量最多、分布最广的一种多糖，对维持身体健康有一定作用。近年分解纤维素的微生物技术发展迅猛，其对处理秸秆废弃物有相助功效。学生参与该实验活动，不仅可以了解微生物分离技术，而且可以深刻认识生物技术对社会及环境发展的重要性。在此之前，学生已经学习了培养基的配制、无菌技术、微生物的培养及数量测定等知识，对微生物培养技术已有了解。教师采用“探究式教学方法”，在明晰原理后，引导学生对实验作出设想。学生在NB平台辅助下，验证设想，开展接续探究，此过程环环相扣。这样，不仅激发了学生的学习兴趣，而且通过线上教学提高了学生的探究思维能力，在探究的过程中培养了学生的生物学学科核心素养。如何运用NB平台开展探究式实验教学？笔者设计了教学流程（如图1）。

（一）创设情境，激发学生学习兴趣

植物的根、茎、叶等器官都含有大量纤维素。纤维素内含葡萄糖，蕴含能量。以前人们处理水稻、小麦秸秆往往一烧了之，方法虽简单，但会造成环境污染。随着科技不断发展，人们能够用纤维素酶将纤维素分解为葡萄糖，再用酵母菌将葡萄糖进行酒精发酵。“如何将秸秆‘变废为宝’，从土壤中分离纤维素酶呢？”在准备阶段，教师让学生查阅资料，了解秸秆废弃物“变废为宝”的历程，通过自我感悟，增强环保意识，认识生物学对工业生产的作用。

（二）与旧知呼应，引起认知冲突

1.获取土样

教师引导学生思考，选取土样的方法是否与“土壤中分解尿素的细菌的分离与计数”实验一样。“土样的选取有哪些条件？湿润还是干燥？如果没有现成合适的土样，可以采用什么方法获取土样？”教师引导学生回忆之前学过的知识，承上启下，并通过土样的选择条件问题引起认知冲突，让学生理解生物学与环境的关系。

在教师引导下学生讨论得出结论：采集土样时，要从纤维素丰富的环境中选择，如树林中多年落叶形成的腐殖土。如果没有腐殖土，可将富含纤维素的滤纸片埋入土壤，30天后再从腐烂的滤纸片上筛选纤维素分解菌。

2.配制培养基

教师提出问题：“培养分离纤维素的微生物所需的培养基配制原料有哪些？与培养分解尿素的细菌的培养基原料是否相同？”教师登录NB平台，点击“土壤中分解尿素的细菌的分离与计数”和“分解纤维素的微生物的分离”两个实验，通过共享桌面分别展示两个实验中配制的培养基原料。相较于文字介绍，教师借助NB平台画面直观地向学生展示两个实验中培养基的差异，更能加深学生印象。同时，教师引导学生探究“该培养基是否对分离纤维素的微生物有选择作用”，要求学生课后以小组为单位设计一个对照实验，对培养基的选用进行说明，以此培养学生的总结能力和科学思维能力。

（三）明晰原理，引导学生进行实验假设

教师登录NB平台，点击“分离纤维素的微生物的分离”实验，分别展示页面下方的“实验原理”“实验目的”“材料用具”“讨论要点”。教师介绍常用的两种刚果红染色法：一种是先培养微生物，再加入刚果红溶液进行颜色反应；另一种是在倒平板时加入刚果红溶液。学生分组进行线上讨论，自主查阅资料，类比“土壤中分解尿素的细菌的分离”，设计实验并假设结果。学生借助NB平台学习实验原理等知识，在教师引导下自主设计实验，培养了自学能力及搜集资料能力，同时通过自主感知，掌握了生物学实验的设计流程，提高了合作学习能力和科学探究能力。

（四）师生同步操作，验证实验假设

教师点击“开始实验”，并通过在线直播软件（如“腾讯会议”“钉钉”等）共享画面。NB平台上，该实验分五步完成。

第一步，配制培养基。在NB平台上，教师首先对页面左侧“步骤”进行说明，让学生了解该操作的意义和具体流程，然后拖动鼠标完成培养基的配制及灭菌。教师点击并展示页面右下角的“討论要点”：为什么选择培养能够“浓缩”所需的微生物？学生思考、讨论后得出结论：适应目的菌繁殖，不适应其他微生物繁殖。

第二步，配制土壤菌液。教师根据页面左侧“步骤”，依次点击“锥形瓶”和“土样”，完成土样与培养基混合的操作，将其拖动至“恒温振荡培养箱”内。在此过程中，教师引导学生思考：实验中酒精灯起什么作用；打开锥形瓶上的牛皮纸后，为何必须夹持锥形瓶口过火焰才能往下操作？教师借助NB平台让学生了解生物学实验的基本操作规范，养成科学实验的严谨习惯和认真态度。

第三步，倒平板。教师点击含有鉴别培养基的“锥形瓶”，拖至左侧“培养皿”处，完成倒平板操作。教师点击“平板”将其倒置冷却，播放平板倒置的动画，引出问题“为什么要将未接种的平板倒置冷却”，引导学生联系之前所学知识找到答案：一是避免培养基与培养皿脱离；二是拿取方便。

第四步，稀释、接种、培养。教师点击“移液管”头部，将其拖至放置选择培养基的“锥形瓶”内，吸取1 mL土样提取液，将“移液管”拖至试管一内（含9 mL无菌水），配制10倍稀释液。教师再次点击“移液管”，将其拖至试管一内，吸取1 mL试管一内的稀释液，放入试管二（含9 mL无菌水），配制10倍稀释液。教师重复上述操作，依次制备10、10、10倍的土壤稀释液。随后，继续点击“滴管”，使其吸取10倍稀释土壤菌液，再将“滴管”拖至鉴别培养皿处，点击“滴管”头部两次，滴两滴10倍稀释土壤菌液在鉴别培养皿平板上。完成上述操作后，NB平台上出现用75%酒精浸泡的“涂布器”。教师将“涂布器”拖至“酒精灯”火焰上灼烧，冷却后，再将“涂布器”拖至培养皿平板上均匀涂布。教师重复上述操作，分别接种10、10、10倍稀释的土壤菌液，点击10—10稀释土壤菌液的“培养皿”，拖至“恒温培养箱”处，倒置培养48 h。

教师在操作过程中，不断提示学生进行观察，总结微生物学实验注意事项（如灼烧涂布器、移液管不能深入试管等）。教师操作完成后，邀请小组代表对比自己的实验设计与NB平台选取的土壤菌液稀释倍数有何不同，并分析原因。同时，教师提问“为什么要将接种后的平板倒置放入恒温箱内”，引导学生明确原因：一是利于菌种的生长和繁殖；二是防止培养过程中杂菌污染平板；三是有利于营养物质富集，方便观察计数。教师通过NB平台进行仿真操作，提高了学生的总结能力，强化了对微生物实验基本流程的掌握。

第五步，鉴别刚果红。教师根据页面左侧文字提示进行操作，分别点击两次“刚果红溶液”，将其加入10倍稀释土壤菌液的“培养皿”中。教师点击“培养皿”，摇匀液体，待页面下方的染色时间进度条完成后，再次点击“培养皿”，倒去“刚果红溶液”。教师对页面中的“NaCl溶液”进行同样的操作，观察透明菌圈。至此虚拟实验完成。上述过程中，教师将探究实验与NB平台的应用相结合，以实验流程为主线，步步深入。教师通过NB平台虚拟操作实验，让学生了解具体步骤，同时在每步操作中，引导学生理解操作的目的和意义，思考是否可以进一步优化操作。这样，学生不仅更好地理解了“分离纤维素的微生物的分离”实验原理，而且掌握了实验的基本规范。在实验过程中学生的批判性思维能力也得到了提升，他们对很多问题有深度思考，如虚拟实验室中配制的土壤菌液是否真的会得到理想的实验结果，不同的菌液浓度对实验结果有何影响。可见，NB平台能帮助学生从多角度理解生物学实验原理及操作，同时教师利用NB平台优化在线上教学，培养学生的科学思维及科学探究能力。

（五）归纳总结，拓展实验尝试更多可能

教师操作完成后，让学生分组讨论，探究该虚拟实验的多种可能，例如在倒平板时就加入刚果红溶液进行染色是否能达到理想的实验结果。教师引导学生分析两种刚果红染色法的优缺点，对照虚拟实验室和自己小组的实验设计，选择最佳的操作方法。教师展示NB平台实验结果，提出问题 ：该实验现象中，以透明圈大小作为菌株产纤维素酶活力大小的定量指标是否可靠？教师展示实验结果示意图，引导学生讨论，鼓励学生自主设计发酵产纤维素酶的实验，尝试提出初步的工程学构想，从而提高学生的科学思维和科学探究能力。教师进一步拓展实验，引导学生对生活中与生物技术有关的话题进行思考，增强他们的社会责任意识。

三、虚拟实验室结合线上教学，提升学生生物学学科核心素养

在“分离纤维素的微生物的分离”线上实验教学中，在条件受限的情况下，教师借助NB平台辅助教学，取得了较为理想的实验教学效果。在实验中，教师运用虚拟实验室，创设情境，向学生直观展示操作过程，让学生体验实验，了解原理。同时，在操作过程中教师根据教学需求随时暂停，引导学生思考下一步如何操作。对于学生难以理解、掌握的内容，教师重复演示，直至学生掌握实验流程和规范。教师针对不同的实验内容，设计小组讨论、分组比赛等活动，在培养学生合作能力的同时，培养学生的科学探究能力。例如，在该案例中，教师基于教学设计进行仿真操作，在操作过程引导学生探究该实验设计的合理性和可行性，并思考生物技术对社会发展和环境影响。在完成实验操作后，教师鼓励学生自主设计拓展性实验，尝试提出初步的工程学构想。学生参与环环相扣的实验活动，生物学学科核心素养得以提升。除NB平台外，PhET和A&P等软件对实验教学也很有帮助。

教师在开展线上教学时，要优化教学设计，实现教学的个性化、多样化。教师要善于运用多种教学资源和辅助软件，调动学生在线学习的能动性，让软件服务于教学，培养学生的科学探究能力，提高学生的素养与能力。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准：2017年版2020年修订[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2] 杨永宏，杨晓梅.基于NOBOOK虚拟实验培养科学思维的创新教学研究——以“电池电动势和内阻的测量”实验为例[J].中小学实验与装备，2022（1）：6-9.

[3] 李洪伟.微生物培养中平板倒置的原因浅析[J].生物学教学， 2016（12）：61-62.

[4] 赵辉，龙秋月.“分解纤维素的微生物的分离”疑点探讨[J].生物学教学，2019（11）：74-75.

（作者刘杨百合系广西师范大学硕士研究生；韦艳艳系广西师范大学副教授，华中师范大学博士研究生，本文通信作者）

责任编辑：祝元志