高中生物实验“DNA粗提取与鉴定”的虚拟仿真实验设计

王志刚 杨青香 王丽莉 郭玉风 李一婧

摘 要：高中生物实验“DNA粗提取与鉴定”是《生物技术实践》专题五“DNA和蛋白质技术”的基础实验之一。为扩展教师教学的资源，本文基于“鑫锐虚拟现实课程开发平台（XRCS）”，对“DNA粗提取与鉴定”实验进行虚拟仿真实验脚本的设计，涵盖了“DNA粗提取与鉴定”实验的知识点10个、教学实训任务7个、实验步骤15个、操作环节28个、操作动作122个，总计知识设计182个。各知识点进行应用对象、拍摄手法、教学流程、关键词以及功能设计5部分的策划设计。通过对“DNA粗提取与鉴定实验”的虚拟仿真实验设计，达成培养学生科学探究和核心素养的能力，开发出符合新时代中学实验教学要求的教育教学资源，为今后生物实验教学的实施开辟了新途径。

关键词：高中生物实验；DNA粗提取与鉴定；虚拟仿真

虚拟仿真（VR）实验是由人工模拟的三维形式的逼真实验环境，通过多媒体和计算机技术，将生物实验的情景呈现在电子屏幕上，让VR实验者有真实实验室的体验，并且具备良好的交互性、沉浸性和想象性等特点。它突破了传统实验在时间和空间上的限制，且能有效地改善教育资源分配不均的问题，为实验教学发展开辟新途径。

在高中生物学习中，实验的作用非常重要，是提高学生探究和创新能力的重要手段。传统实验教学存在专业实验人员匮乏和实验设备不完善等问题。《义务教育生物学课程标准（2022年版）》第六项第五点就提及了推进现代信息技术与教学深度融合，要求教师应用现代信息技术手段开发和利用数字化教学资源。在该课标中，提到实验91次，并提到教师应具备虚拟实验的设计能力。

本VR实验设计以高中生物实验“DNA的粗提取与鉴定”为研究对象，进行虚拟仿真实验设计，基于鑫锐虚拟现实课程开发平台（XRCS），构建实验脚本及设计方案，完成了该虚拟实验的设计流程。通过探索其在中学生物实验教学中的应用，达到培养学生科学探究和核心素养的能力。

1 “DNA粗提取与鉴定”虚拟实验设计

对于本VR实验设计，首先进行实验内容脚本编写，即对该实验的基本信息和课程介绍进行设计。其中，基本信息主要从教学目标、教学方法以及教辅材料展开，课程介绍从实验原理、实验仪器与试剂、实验过程、考核方式等一系列内容展开，如图1所示。

1.1 基本信息

本实验教学目标依据2022版生物学课程标准的核心素养制定。学生掌握DNA的结构、功能、DNA粗提取与鉴定的原理和方法，理解结构与功能相适应的生命观；学生通过查阅资料和比较迁移，选择不同实验材料和方法，对原有实验进行改进，培养创造性和批判性的发展性思维；通过小组分工合作，比较和分析不同提取方法对DNA提取量和纯度的影响，领悟“设计实验、交流讨论”等科学探究方法；体会科学研究的艰辛和成功的乐趣，初步养成求实、创新及勇于探究的科学精神和态度。该虚拟仿真实验通过“VR实验+线下课堂”教学模式进行混合式教学。学生首先进行VR实验，体验完整的操作过程，对实验有初步了解，并且掌握该实验的原理操作、结果分析和注意事项。学生可反复练习直至熟练掌握实验操作，当线上成绩合格后，学生即可申请线下实验操作。完成后，通过“过程性评价+总结性评价”的方式进行评价。学生学习VR实验后，利用平台设置的考题进行自测，随后填写实验报告，平台对VR实验的学习过程进行考核，最终形成总结性评价。VR实验过程中，平台对学生的学习情况进行实时反馈，让学生学会自主學习和不断课后反思的习惯。多种考核方式也将对学生的实验应用能力和实验效果进行反馈，以提升学生的综合素质。

1.2 课程介绍

该实验的课程介绍包括实验原理、所需仪器和试剂、操作过程。具体如图2、图3所示。

1.3 考核方法

本VR实验过程性考核内容以实验考试/考核、VR实验操作赋分模型、实验报告三种形式评价学生的学习效果。基于课程标准及考纲内容要求，可对实验学习中知识点和技能掌握情况设置试卷；对VR实验的每一项操作从步骤用时、步骤满分、步骤达成度和成绩类型四方面进行赋分设计；书写实验报告，需要写清楚实验目的，实验原理，实验仪器、试剂和材料，实验操作步骤、实验注意事项，结果与分析。教师可通过平台数据和实验报告掌握学生对虚拟实验学习的情况。

2 “DNA粗提取与鉴定”实验策划流程

完成上述实验脚本编写后，对实验的知识点从课程知识策划和实训任务策划两部分进行设计。

2.1 课程知识策划

该实验课程策划中，角色策划应用单一角色VS机器，策划的逻辑结构应用单线串/并联。课程介绍策划部分，设计知识点10个，分别为生物实验室安全常识、实验仪器和器皿的使用、化学试剂的配制、实验原理、实验材料的选择、样品预处理、DNA的粗提取、DNA的鉴定、结果与分析和资料拓展。在实训任务策划部分，设计任务7个、实验步骤15个、操作环节28个、操作动作122个，总计策划知识点172个。对于每一个知识点，分别从应用对象、拍摄手法、教学流程、关键词和功能设计这五方面进行对应呈现方式的策划。

2.2 课程流程图绘制

本VR实验设计的主流程有7个，分别包括实验室安全、实验仪器和器皿的正确使用、配制试剂、样品的预处理、DNA的粗提取、DNA的鉴定、结果与分析。学生进入VR实训阶段后，依次以上述7个主流程进行模拟实操。进入实验室安全部分，学生可学习实验室规章制度、检查实验者实验衣着、了解实验室安全设施、仪器和试剂的安全常识以及实验室的应急处理5部分内容。随即进入实验仪器、器皿的正确使用部分，学生分别学习实验仪器和玻璃器皿的正确使用，其中，实验仪器2个、玻璃器皿9个，包括使用方法和对应的注意事项。该部分内容完成后，学生进入下一个流程，即配制试剂。本VR实验共需要试剂6种，分别为研磨液、二苯胺试剂、HCl溶液（2mol/L）、NaCl溶液（2mol/L）、NaCl溶液（0.14mol/L）和柠檬酸钠溶液（0.1g/mL），学生学习并掌握对应试剂的配制方法。下一部分是样品预处理，对于本VR实验的材料，选择的原则是含有DNA的材料。本VR实验选择了2种材料，分别为鸡血红细胞和菜花。下一步，学生学习DNA的粗提取，其包括破碎细胞获取滤液、去除杂质和DNA的析出3部分。通过这一系列的操作，学生随即提取到所需要的白色丝状物。最后一步即为DNA的鉴定，来检验提取物质是否为DNA，并进行实验的结果与分析。

对本VR实验内容的学习，系统设计正常完成时间为2小时。学生进入VR学习界面后，每一个知识点的学习，都会设置不同的关卡，学生通过选择关卡来完成VR实验的完整体验。在整个流程中，并列设置多种实验方向，学生通过选择实验方向来学习，当然，学生也可以学习全部的实验方向，以此来扩充自己的知识面。例如，在实验材料选择部分，有2种材料的选择，学生可以选择动物材料，也可以选择植物材料。选择不同的实验材料，都可以完成后续的VR实验内容，学生也可以完成2种材料的学习。在去除杂质部分，设计了3种去杂方案，分别为根据控制NaCl溶液浓度去除杂质、DNA对高温的耐受性以及DNA对酶的耐受性去除杂质。学生可以选择任何一种去杂方案，来完成后续的学习。

3 结论

本VR实验设计基于“XRCS虚拟现实课程开发平台”，对“DNA粗提取与鉴定”实验进行虚拟仿真实验脚本的设计和实验方案的策划，设计内容涵盖了“DNA粗提取与鉴定”实验的知识点10个、教学实训任务7个、实验步骤15个、操作环节28个、操作动作122个，总计知识设计182个。各知识点进行应用对象、拍摄手法、教学流程、关键词以及功能设计5部分的策划设计。充分利用了文字、图片以及动画视频等数字化资源，模拟现实实验，给学生提供了新的学习方法。通过优化教学过程，来直观、生动地体现教学内容，采用文字、表格、流程图等方式将VR实验内容呈现在报告内容中，以此来鉴定教师能否依据核心素养制定教学目标。将VR实验课程与教学融合，培养出能依据核心素养制定教学目标、教学过程中重视探究活动的教师，还要培养敢于突破限制，发掘新教学资源的教师。

参考文献：

［1］汪言家，王晶晶.国家虚拟仿真实验教学课程共享平台在高中生物学教学中的应用［J］.中学生物教学，2022，388（11）：3234.

［2］Xia S，Gao Y，Zhang B.Teaching Strategies of Biological Experiments in Middle Schools Based on VR Technology［J］.IEEE Access，2020（1）：19.

［3］中華人民共和国教育部.义务教育生物学课程标准（2022年版）［M］.北京：北京师范大学出版社，2022：3739.

［4］中华人民共和国教育部.教育部关于公布2018年度国家虚拟仿真实验教学项目认定结果的通知［EB/OL］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201903/t20190326_375434.html.

［5］李庆林.虚拟仿真实验在高中生物实验教学中的应用［J］.学周刊，2022（33）：5456.

［6］刘慧萍，张国民，阳力争，等.基于虚拟仿真实验技术的生化实验教学初探［J］.中国中医药现代远程教育，2014，12（14）：8587.

基金项目：甘肃省教育科学“十三五”规划课题：基于OBE理念的生物制药类专业课程“四维一体”模块化体系构建（编号：GS［2020］GHB4819）

作者简介：王志刚（1981— ），男，甘肃天水人，本科，天水市罗玉中学教师，从事中学生物等课程教学。

*通讯作者：李一婧（1981— ），女，甘肃正宁人，硕士研究生，天水师范学院生物工程与技术学院副教授，从事生物化学等课程教学。