5E教学模式下高中生物虚拟实验应用初探

吴嫣婷

摘 要：通过“5E”教学模式引导学生聚焦实验概念，进行实验观察，开展实验探究，拓展实验外延，多层评价实验，并通过真实实验与虚拟实验相结合的方式，使学生获得深层次的概念性理解，从而提升学生的生物学核心素养。

关键词：5E教学模式；高中生物；虚拟实验

“5E”教学模式是一种基于建构主义的教学模式，包括5个环节，即引入（Engage）、探究（Explore）、解释（Explain）、迁移（Elaborate）和评价（Evaluate）[1]，该教学模式强调教学过程要以学生为中心，重视学生的探究性活动，强调通过小组合作学习促进学生对科学概念的理解和知识构建。

虚拟实验指利用多媒体、3D（三维空间）虚拟仿真、VR（虚拟现实）等现代信息技术，让实验操作者使用键盘、鼠标、VR眼镜等设备操作虚拟仪器进行实验，观看微观实验现象的过程，即虚拟实验是以多媒体设备为载体，在现代信息技术的支持下，让实验者模拟、演示或观看实验的一种方式。虚拟实验可以使实验操作变得更灵活，能节省实验操作所需时间，克服不同空间的障碍并能更好地创设稳定的情境。在实验课上融合虚拟实验技术不仅能够提高生物课程实验开展质量，还可以为学生带来更直观真实的实验感受。

笔者以高中生物人教版必修一探究实践活动“用高倍显微镜观察叶绿体和细胞质的流动”为例，通过运用“5E”教学模式与虚拟实验相结合的方式进行实验教学，培养学生的生物学学科核心素养。

一、教材分析

本节内容是人教版高中生物必修一第三章第二节《细胞器之间的分工合作》中的探究实践内容。该实验既是第一章第二节探究实践“用高倍镜观察几种细胞”的延伸，也是第五章第四节光合作用内容的铺垫。新课标对本节课的要求是“领悟叶绿体散布于细胞质中，呈绿色；活细胞的细胞质处于不断流动的状态”，其次位概念是“阐述细胞内具有多个相对独立结构，担负着物质运输、合成与分解、能量转换和信息传递等生命活动”。形成次位概念能帮助学生更容易理解重要概念“细胞各部分的结构既分工又合作，共同执行细胞的各项生命活动”，也是学生明晰大概念“细胞是生物体结构与生命活动的基本单位”的关键一环。

在此之前，学生已经学过高倍显微镜的操作，能熟练制作临时装片，具备一定的自主学习与合作探究的能力，能进行实验设计和基本的实验操作。因此，将本节观察类实验设计成探究性实验，应用5E教学模式与虚拟实验相结合，能培养学生多方面的生物学科核心素养。

二、教学目标

本节课的教学目标包括运用结构与功能观解释叶绿体形态和胞质环流的现象；运用稳态与平衡观、进化与适应观阐明环境通过影响植物细胞的新陈代谢从而影响植物生长发育的生物学意义；运用归纳与概括、演绎与推理等科学思维，分析探究不同温度对细胞质流动的影响的结果，自主构建并深刻认识胞质环流的概念；参与探究活动，体验科学研究的基本过程和科学知识的产生过程，培养科学探究能力、科学探究精神和科学探究态度；运用环境影响胞质环流的背景来解释生命现象、解决实际问题，认同植物细胞胞质环流的研究价值，关注并参与社会性科学议题，形成并宣传健康生活的理念。

对学生生物学科科学素养的培养目的主要体现在：其一，学生通过观察叶绿体的形态与分布，能运用结构与功能观，理解叶绿体适于进行光合作用的结构基础这一观点；其二，学生通过对相关实验的现象进行分析和讨论，能设计出实验探究不同温度对细胞质流动的影响，培养学生科学思维与科学探究的能力；其三，学生能够正确使用实验中的药品、器具等，准确完成制作叶绿体临时装片等实验操作，能够如实记录实验结构，并展示交流；其四，学生能通过实验得知光照强度、温度以及pH对细胞生命活动的影响，从而认识到生命科学的价值，关心环境保护的现状，培养了社会责任感。

三、教学重、难点

（一）教学重点

1.用高倍显微镜观察叶绿体的形态和分布；

2.利用虚拟实验探究环境温度因素对细胞质流动速度的影响。

（二）教学难点

数码显微镜的操作及虚拟实验的操控。

四、教学策略与实验资源

（一）教学策略

本节课使用的教法包括情境教学法、活动探究法、文献分析法，学生的学法包括体验感知法、对比反思法以及分析归纳法。整体的策略是在“5E” 教学模式下的探究学习，即引入、探究、解释、迁移及评价。

（二）实验资源

1.实物资源

实验材料：黑藻若干，平均分成两组，一组放在黑暗恒温箱培养，一组放在有光照的恒温箱培养，两组的恒温箱温度及培养时间一致。

实验设备：光学显微镜、载玻片、盖玻片、镊子、滴管。

2.虚拟资源

中央电教馆虚拟实验——“用高倍显微镜观察叶绿体和细胞质的流动”的VR课件和3D交互课件。虚拟实境（英文缩写为VR），简称虚拟技术，是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，提供用户关于视觉等感官的模拟，让用户感觉仿佛身历其境，可以及时、没有限制地观察三维空间内的事物。用户进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的三维世界视频传回产生临场感。3D交互课件是一种利用3D技术和交互式技术制作的教学课件，不仅可以呈现3D立體图像，如在生物学教学和实验过程中可以更加形象地展示生物结构，还可以通过交互式功能让学生更深入地了解课程内容，给学生提供更加生动、丰富的学习体验。

五、教学过程

（一）情境引入，激发兴趣

教师展示人工合成淀粉的资料，向学生介绍该项技术的特点以及重大的意义和面临的困难。

资料1：中国科学院天津工业生物技术研究所一支科研团队在实验室里首次实现了二氧化碳到淀粉的从头合成。该技术是以二氧化碳为原料，不依赖植物光合作用，直接人工合成淀粉，这项技术的成果是科技“向前推进一大步”的突破，也为“细胞工厂”打开一扇窗。可见，未来让人工合成淀粉的经济可行性接近农业种植，需要一个艰难、持续的科技攻关过程。

教师在介绍资料后向学生提出两个问题：1.在植物细胞中合成有机物的生理过程是什么？2.合成有机物的场所在哪里？学生先被人工合成淀粉的资料吸引，提高了学习兴趣，接下来思考教师提出的问题进行课内知识迁移，从而回顾教材中与此相关的概念和知识点。

设计意图：通过展示科技前沿的发明引发学生对人工合成淀粉的兴趣，进而引导学生回顾教材所学的与农业种植有关的生理过程以及发生的场所，引出叶绿体是进行光合作用的场所这一概念。

（二）虚实结合，探究实验

1.回顾叶绿体的相关知识，进行实操实验

教师通过展示叶绿体的亚显微结构示意图，引导学生回顾叶绿体的概念、功能及形态，向学生展示显微镜下观察的真实图像，让学生根据实验观察到的图像判断细胞结构，如细胞壁、液泡、细胞核、叶绿体；再播放实验的相关视频，让学生了解本观察实验的目的、原理以及步骤，学生再利用老师所提供的两种材料（一种是正常光照处理4小时的黑藻，另一种是在黑暗环境下培养4小时的黑藻）完成实操实验，并根据两种不同材料的结果进行比较与思考，从而得到光照强度会影响细胞质流动的结论。

设计意图：通过回顾叶绿体的亚显微结构示意图加深学生对叶绿体结构的印象，通过展示显微镜下观察的真实图像让学生对接下来要观察的实验结果有所预判，通过观察两种实验材料的叶绿体，让学生深刻感受到细胞质流动的参考标准是叶绿体这一依据，同时让学生体会到光照的存在与否会对细胞质流动造成影响。

2.分析光照强弱对叶绿体形态的影响，形成生命观念

教师向学生展示强光和弱光对叶绿体的位置和分布影响示意图，并提出问题：请大家根据图示中叶绿体的位置与分布思考强光与弱光是如何對叶绿体造成影响的，而叶绿体通过改变位置和分布来适应不同强度的光照的目的是什么？

设计意图：让学生了解叶绿体在不同光照强度的影响下所产生的积聚效应或躲避效应，当在强光环境下，叶绿体会分散分布在细胞远离光照的位置，并用较小面积的一面面对光照，而在弱光环境下，叶绿体会集中分布在细胞接近光照的位置，并用较大面积的一面面对光照，从中意识到光照对叶绿体运动、分布及自身转动的影响，进一步感受到叶绿体的形态、分布与功能是相适应的生命观念。

3.问题驱动实验设计的关键步骤，构建实验结果记录表

由于当前高一学生仍未系统学习实验设计，教师以问题串形式逐步引导学生构建探究实验的实验步骤，并设计出记录实验结果的表格。问题串包括：（1）请思考细胞质流动对于植物体本身而言的意义是什么？（2）能否举例说明会影响细胞质流动的环境因素？（3）若以温度这一影响因素作为自变量，则应该如何设置实验组？（4）如何设计实验结果记录表？

设计意图：教师通过问题引导，让学生明白细胞质流动能为细胞内的物质运输创造条件，从而保障了细胞生命活动的正常进行。再引导学生以温度作为自变量，通过小组的讨论与交流设计实验探究环境温度对细胞质流动速度的影响，在此过程中培养学生的科学思维和科学探究能力。

4.利用虚拟课件进行实验操作，对结果进行记录与分析

学生使用中央电教馆虚拟实验资源中的VR课件与3D交互课件进行相关虚拟实验操作，并对实验结果进行记录与分析。

在该环节中，学生使用VR课件和3D交互课件先点击课件中的实验目的，熟悉实验材料、试剂的摆放位置后，按照实验步骤进行实验操作。先依次制作15℃、20℃、25℃、30℃、35℃和40℃的黑藻临时装片，再使用显微镜对临时装片进行观察，在实验结果记录表上记录下单位时间所观察的叶绿体围绕液泡进行流动的圈数，再对每组实验的结果进行比较，得到单位时间内细胞质流动速度的比较结果。

（三）解释实验，总结汇报

学生分别通过VR虚拟课件与3D交互课件进行实验，记录实验结果，填写实验结果记录表，并对得到的结果进行比较与分析，得出结论：25℃下细胞质的流动速度最快。由此可知，在25℃下细胞生命活动速率较大。而温度是怎么对植物生命活动造成影响呢？解决该问题时，教师向学生展示一则酶的作用原理的材料，让学生通过阅读材料了解到细胞绝大多数生命活动需要酶进行催化才得以进行，温度将通过影响酶的空间结构从而影响酶的催化作用的效率，最后影响相关生命活动的进行，这也为后续学到酶的相关知识埋下伏笔。在此环节中，学生通过分组汇报、讨论思考，能从活动中学到知识、锻炼能力、发展科学思维。

（四）阅读文献，拓展外延

教师向学生展示文献《模拟酸雨对植物细胞质流动的影响》的实验结果记录表，引导学生分析该实验的自变量与因变量，并且根据实验结果得出结论：酸雨由于pH过小，抑制了植物细胞的酶活动，从而对植物的生命活动有着抑制的作用。教师再引导学生将本节课所探究的自变量进行总结，学生会发现光照强度的强弱、温度的高低及pH等环境因素都会影响植物细胞的生命活动。现实生活中，我们正面临着种种全球性生态环境问题，如臭氧层空洞导致的紫外线增强、温室效应、酸雨等，这些生态环境问题都会影响植物细胞的生命活动，甚至影响整个地球的全部生物的生命活动。由此让学生从生物与环境相互关系的角度去看自然界，综合、整体地理解生物与环境之间的联系，理解人与环境的关系，树立人与自然和谐观，提高学生的社会责任。

（五）多元评价，融会贯通

评价环节是指教师和学生都要作为评价者参与评价，既要评价学习的结果又要评价学习过程，从而形成比较全面的多元评价。教师让各小组通过组内讨论交流、小组合作的方式，按照实验报告的基本格式完成本实验的实验报告，然后小组之间补充、修正。与此同时，教师也对各小组的实验报告进行评价。除此以外，教师再通过Ai学智慧教学平台进行习题布置，根据统计的正确率结果进行精准讲评。

结束语

本次课堂是“5E”（引入→探究→解释→迁移→评价）教学模式下的探究学习，首先让学生依托探究实验获取感性认识，然后逐步抽象概括形成理论认知，最终构建起对概念的认知结构，从而高效地帮助学生获得对生物概念的全面深入的理解，在小组合作学习中学生的生物学核心素养水平也得到了提高[2]。利用“5E”教学模式，通过引入创设生活问题情境，利用实验提升实验操作能力，然后探究锻炼学生的科学思维和科学探究能力，从而拓展提高学生的生命观念和社会责任，运用评价巩固核心素养。

在本节课教学设计中的实验环节，教师将真实情境与虚拟情境相结合，先通过高倍显微镜观察叶绿体的形态与分布，让学生形成感性记忆。如此，在通过虚拟实验进行探究实验时，学生就会把真实的情境顺利迁移到虚拟的情境中。

通过中央电教馆的虚拟课件，更好地创设了在不同温度下细胞质流动的情境，合理利用虚拟实验突破了现实实验的障碍，克服了现实实验中温度不能很好地保持在固有参数下的困难。

今后会从抓住课堂上生成性内容引导学生进行课下探究活动，会多设置互动环节体现生生交流，并设置更多具有深度的问题，以提高学生科学思维素养。

参考文献

[1]袁维新.“5E”教学模式及其在生物学教学中的运用[J].生物学教学，2004（5）：10-11.

[2]王铭志.“5E”教学模式在高中生物学概念教学中的应用：以“细胞呼吸”为例[J].中学生物学，2023，39（3）：58-60.

本文系广东省广州市2021年教育科学规划课题“融合人工智能技术的高中生物新教材课程的实践研究和应用”（课题批准号：202113683）的研究成果。