基于NOBOOK虛擬仿真實驗的生物學教學

張小丹

摘 ?要 利用NOBOOK虛擬仿真實驗教學平臺與傳統(tǒng)教學相結(jié)合，克服傳統(tǒng)課堂個別實驗無法在課堂上實踐的局限。以“植物生長素的發(fā)現(xiàn)”一節(jié)為例，利用NOBOOK虛擬實驗，讓學生體驗科學史實驗的過程，提高生物教學質(zhì)量，落實核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

關鍵詞 NOBOOK;實驗;虛擬實驗;生物學;核心素養(yǎng);植物生長素

中圖分類號：TP391.9 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）13-0046-03

1 前言

生物學是一門以實驗為基礎的自然科學，實驗教學是生物學課程的特點，也是生物學教學的基本形式之一。新課標提倡有條件的學?？梢猿浞掷枚嗝襟w、互聯(lián)網(wǎng)及無線通信技術進行虛擬實驗[1]。NOBOOK虛擬仿真實驗（簡稱NB實驗）平臺是北京樂步教育科技有限公司于2014年打造的一款教學軟件[2]，支持電子白板、臺式機、一體機、平板電腦等終端使用。NB實驗采用3D技術，實驗材料和儀器高度仿真，利用鼠標即可完成實驗操作并迅速觀察到實驗結(jié)果。NB實驗可以克服某些實驗安全性和時空的限制，提高生物教學質(zhì)量，利于學生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

2 教材內(nèi)容分析

本節(jié)內(nèi)容選自人教版高中《生物》（必修三）第3章第1節(jié)，主要內(nèi)容是生長素發(fā)現(xiàn)的四個經(jīng)典實驗以及生長素合成、運輸及作用部位。本節(jié)課之前，學生已經(jīng)學習了動物和人體生命活動的調(diào)節(jié)，因此，本節(jié)內(nèi)容是對前面知識的延伸，有利于學生對動植物生命活動調(diào)節(jié)方式的整體認識。四個經(jīng)典實驗前后聯(lián)系，鮑森·詹森和拜爾的實驗以達爾文的實驗為基礎;溫特實驗綜合了鮑森·詹森和拜爾的實驗，實驗設計巧妙，邏輯嚴謹，是培養(yǎng)學生科學思維以及科學探究能力的良好素材。生長素的發(fā)現(xiàn)史歷時半個多世紀，對植物向光性的研究一直延續(xù)至今，這有助于學生認識到科學探究是一個不斷深化的過程，利于學生形成嚴謹?shù)目茖W態(tài)度和樂于探索的科學精神。

3 學情分析

在本節(jié)課之前，學生學習了動物和人體生命活動的調(diào)節(jié)，對生命活動的調(diào)節(jié)已有前概念，如激素、反射、反射弧等。植物向光性是常見的生命現(xiàn)象，學生已有感性認識，但不明其本質(zhì)。經(jīng)過一年的學習，學生已經(jīng)了解科學探究的過程及方法，具備一定的科學探究能力，能夠自主設計實驗并進行邏輯推理分析。該階段學生的好奇心和求知欲較強，結(jié)合學生已有認知和心理特征，引導學生在NB實驗中體驗科學史實驗，能提高學生學習生物的興趣，促成學生核心素養(yǎng)的達成。

4 教學目標

1）知道植物的生命活動是一個系統(tǒng)的過程，是整體作用的結(jié)果。

2）體驗科學史實驗設計的巧妙與不足，對實驗現(xiàn)象進行邏輯推理分析，對結(jié)果進行歸納概括，掌握科學的本質(zhì)和科學研究的思路及方法。

3）運用科學研究的一般方法設計實驗，在實驗探究中敢于質(zhì)疑，敢于創(chuàng)新，形成批判性思維和創(chuàng)造性思維。

4）根據(jù)所學知識能解釋生活中與植物向光性相關的生命現(xiàn)象，形成正確的科學觀。

5 教學策略與方法

受植物生長時間以及實驗條件的限制，傳統(tǒng)教學以教師“講實驗”或動畫展示為主，課堂教學是靜態(tài)灌輸，學生的感性認識難以形成理性認識，學習積極性不高。因此，本節(jié)教學設計試圖在電腦機房以NB實驗輔助傳統(tǒng)教學。教師通過層層設疑，組織學生自主設計實驗方案，然后利用NB實驗進行虛擬實驗操作，推理分析實驗現(xiàn)象，歸納概括實驗結(jié)果，真正體驗科學家實驗的過程。

6 教學過程組織

故事導入，激發(fā)興趣 ?向?qū)W生講述達爾文的故事：

達爾文在環(huán)球航行時，為了飼養(yǎng)隨身帶的幾只鳥，種了一種叫草蘆的草。船艙很暗，只有窗戶透射進陽光，達爾文發(fā)現(xiàn)草的幼苗總是朝著窗戶的方向生長。達爾文提出進化論之后，晚年又利用金絲雀虉草的胚芽鞘對植物向光性進行了研究。

聽完故事，學生注意力被吸引到課堂上。教師可趁機提問學生：是否見過植物向光生長的現(xiàn)象？為什么植物會向光生長？學生能想到植物向光生長的外因（單側(cè)光照射），對內(nèi)因卻不清楚，產(chǎn)生認知沖突。

【設計意圖】以故事導入，具有趣味性，能吸引學生的注意力。達爾文故事也為后面達爾文實驗做背景鋪墊，豐富教材內(nèi)容，拓展學生的知識面。達爾文的故事還啟發(fā)學生在生活中要善于觀察、樂于探究，培養(yǎng)學生具備解決日常生活中生物學問題的擔當和能力。

以問導學，引導探究 ?植物生長素發(fā)現(xiàn)過程的四個經(jīng)典科學史實驗環(huán)環(huán)相扣，是科學家一步一步探索而逐漸揭示科學本質(zhì)的過程。教師以問題串引導學生沿著科學家的步伐主動探究，嘗試自主設計實驗方案，通過NB虛擬實驗置身于科學實驗過程，如臨其境地體驗科學的奧妙，習得生物學科學知識。

1）達爾文實驗——初探。設疑：胚芽鞘彎曲生長，其感光部位在哪里？彎曲部位又在哪里？如何設計實驗來探究這兩個部位？提示實驗材料：胚芽鞘、不透明小帽、透明小帽、不透明薄膜、刀片（如NB實驗中儀器所示）。

引導學生設計實驗方案，并預測實驗結(jié)果。然后組織學生打開電腦桌面NB虛擬實驗中的“達爾文發(fā)現(xiàn)生長素的實驗”，進行NB虛擬實驗操作，如圖1、圖2所示，實驗現(xiàn)象如圖2所示。教師設置問題串引導學生分析實驗。

①教材中的達爾文實驗并沒有用透明小帽遮住胚芽鞘尖端，而在NB實驗中為什么要設置透明小帽遮住胚芽鞘尖端？（排除不透明小帽的重力對胚芽鞘彎曲生長的影響，遵循單一變量原則以及無關變量對實驗的影響。）

②實驗中的自變量和因變量分別是什么？（自變量：胚芽鞘尖端的有無、胚芽鞘的感光部位。因變量：胚芽鞘彎曲生長。）

③分析實驗現(xiàn)象，你能得出什么結(jié)論？（胚芽鞘彎曲生長與尖端有關，胚芽鞘彎曲生長的感光部位在尖端。）

④NB實驗只能證明胚芽鞘彎曲生長與尖端有關，其彎曲生長的感光部位是尖端，但其彎曲部位還無法判斷，你怎么設計實驗來探究？（用不褪色的水筆在尖端處以及尖端下部劃線，觀察實驗現(xiàn)象。）

在達爾文實驗結(jié)束后，引導學生小結(jié)達爾文實驗的結(jié)論：單側(cè)光引起植物的向光生長;向光性與胚芽鞘尖端有

關;感光部位在胚芽鞘尖端。

2）鮑森·詹森和拜爾實驗——再探。根據(jù)達爾文提出的假說（胚芽鞘尖端向伸長區(qū)傳遞某種“影響”，這種“影響”造成胚芽鞘伸長區(qū)背光側(cè)比向光側(cè)生長快，因而胚芽鞘向光彎曲生長），基于前面所學知識，教師可以引導學生思考：這種“影響”會不會是一種神經(jīng)電信號呢？或者是一種類似于激素的化學物質(zhì)呢？如果要證明“影響”是化學物質(zhì)，并且能從胚芽鞘尖端運輸?shù)郊舛讼虏?，該如何設計實驗來證明？通過逐步引導，學生根據(jù)提示，結(jié)合必修一“細胞的大小與物質(zhì)運輸?shù)年P系”實驗中物質(zhì)可以在瓊脂中擴散，個別學生可能想到用瓊脂進行實驗;還有學生可能想到用玻璃進行實驗。

經(jīng)過思考和嘗試設計實驗方案之后，組織學生進行鮑森·詹森NB虛擬實驗操作，如圖3、圖4、圖5所示。實驗現(xiàn)象如圖5所示，引導學生對實驗現(xiàn)象進行分析。

①鮑森·詹森的實驗和你設計的實驗一致嗎？有什么不同？（缺少瓊脂塊的空白對照。）

②鮑森·詹森的實驗現(xiàn)象說明了什么？（胚芽鞘尖端產(chǎn)生的“影響”能透過瓊脂塊向下傳遞。）

鮑森·詹森實驗只能證明尖端產(chǎn)生的“影響”能透過瓊脂塊，但是胚芽鞘為什么彎曲生長還是無法解釋？由此引出拜爾實驗。組織學生分析拜爾實驗。

①前面兩位科學家的實驗均是在光照條件下進行，為什么拜爾要選擇在黑暗環(huán)境下進行實驗？（排除光照對胚芽鞘彎曲生長的影響，控制單一變量。）

②你覺得拜爾實驗設計的巧妙之處在哪里？（絕大部分學生能想到拜爾實驗能說明尖端產(chǎn)生的“影響”分布不均勻，導致胚芽鞘彎曲生長。教師需要引導學生發(fā)現(xiàn)拜爾設計的實驗也證明了尖端向下產(chǎn)生的“影響”不是電信號，而有可能是化學物質(zhì)。）

3）溫特實驗——深化。鮑森·詹森和拜爾的實驗能證明胚芽鞘尖端向下產(chǎn)生“影響”，“影響”分布不均勻，導致胚芽鞘彎曲生長。這種“影響”是否是一種化學物質(zhì)還無法確定，該如何設計實驗證明呢？教師設疑，引導學生結(jié)合前面幾位科學家的實驗結(jié)論設計出合理的實驗方案，然后組織學生進行溫特虛擬實驗，如圖6～圖11所示，實驗現(xiàn)象如圖6～11所示，引導學生分析溫特實驗。

①教材中溫特實驗只是用接觸有胚芽鞘尖端的瓊脂塊進行實驗，并沒有用空白瓊脂塊（沒有接觸尖端的瓊脂塊）進行實驗，這樣設計的理由是什么？剛剛你設計的實驗方案中有沒有設置空白對照？（排除瓊脂塊本身對胚芽鞘彎曲生長的干擾，控制單一變量原則。）經(jīng)過鮑森·詹森實驗，學生能意識到這里用空白瓊脂塊的理由，進一步掌握科學研究的方法及原則。

②溫特實驗的結(jié)果說明了什么？（胚芽鞘的彎曲生長確實是一種化學物質(zhì)引的，溫特把這種物質(zhì)命名為生長素。）

③溫特實驗設計的巧妙之處是什么？（用瓊脂塊來代替胚芽鞘尖端進行實驗，排除其他因素如氣味、磁場等對胚芽鞘彎曲生長的影響，證明胚芽鞘彎曲生長的原因是尖端產(chǎn)生一種化學物質(zhì)。）

7 評價與反思

整個過程以植物生長素的發(fā)現(xiàn)歷程為脈絡，教師設疑，引導學生思考并設計實驗方案，結(jié)合NB實驗一步一步地揭示植物向光生長的內(nèi)因，學生自主探究而明其所以然。因此，知識的形成是主動構(gòu)建的，學生是課堂的主人，體現(xiàn)了“生本”理念。NB實驗具有“親臨感”和“逼真感”，學生的學習是深度學習，能更好地掌握科學研究的方法及原則，體驗科學家實驗設計的巧妙以及嚴謹?shù)目茖W探究態(tài)度。

當然，NB實驗也存在一些不足，其實驗步驟以及現(xiàn)象都是預設好的，不利于學生創(chuàng)新思維能力的培養(yǎng)。虛擬實驗畢竟不是實體，學生只能看、不能摸，沒有切身體會。虛擬實驗可重復進行，學生可能沒有像在真實實驗中那么嚴謹細致。因此，教師在實驗教學中應以真實實驗為主，考慮到安全性、時空限制等因素，則可以輔助NB虛擬實驗進行教學。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準（2017版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]樂步教育.NOBOOK虛擬仿真實驗平臺[EB/OL].https：//www.nobook.com/.