虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究

費(fèi)明珊　陳梓軒　柯德森

［摘 要］虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有仿真度高、互動(dòng)性強(qiáng)、安全性高、重復(fù)性強(qiáng)的特點(diǎn)。文章針對(duì)植物組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)在高中較難開展的問題，指出運(yùn)用國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)進(jìn)行植物組織培養(yǎng)的虛擬實(shí)驗(yàn)，能有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。通過線下理論學(xué)習(xí)和線上虛擬實(shí)驗(yàn)的混合式教學(xué)，能加深學(xué)生對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作技能，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

［關(guān)鍵詞］虛擬仿真實(shí)驗(yàn)；高中生物學(xué)；植物組織培養(yǎng)

［中圖分類號(hào)］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號(hào)］? ? 1674-6058（2023）23-0079-03

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)是指在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的各種虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)具有仿真度高、互動(dòng)性強(qiáng)、安全性高、重復(fù)性強(qiáng)的特點(diǎn)，可在一定程度上彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足。由于學(xué)校缺乏相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)操作技術(shù)要求高、實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長等原因，很多高中生物學(xué)植物組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)不便開展，對(duì)植物組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果造成一定的影響。2019年11月，教育部印發(fā)了《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見》，其中明確提到，對(duì)于較難開展的實(shí)驗(yàn)，可用虛擬實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)。用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的方式呈現(xiàn)植物組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)，一方面可以解決實(shí)驗(yàn)?zāi)壳霸诟咧胁槐汩_展的問題，另一方面可以幫助學(xué)生更好地理解植物組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的步驟、結(jié)果，提升學(xué)生的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，有效?shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。

一、教學(xué)內(nèi)容分析

“植物組織培養(yǎng)技術(shù)”是人教版生物學(xué)選擇性必修3第2章第1節(jié)的內(nèi)容，以人教版生物學(xué)必修1和選擇性必修1中的內(nèi)容為前期知識(shí)基礎(chǔ)。本節(jié)課能為后續(xù)教學(xué)植物體細(xì)胞雜交技術(shù)和植物細(xì)胞工程的實(shí)際運(yùn)用等內(nèi)容奠定基礎(chǔ)。通過本節(jié)課的學(xué)習(xí)，學(xué)生能清晰地理解植物組織培養(yǎng)的概念以及原理，并能通過虛擬實(shí)驗(yàn)全面認(rèn)識(shí)植物組織培養(yǎng)的過程，進(jìn)一步發(fā)展科學(xué)思維和科學(xué)探究能力。

二、學(xué)情分析

高二學(xué)生已經(jīng)具備細(xì)胞的生長、細(xì)胞的分裂和分化、細(xì)胞的全能性、植物激素等方面的知識(shí)，且剛學(xué)完發(fā)酵工程，對(duì)微生物的基本培養(yǎng)技術(shù)較為了解，知道培養(yǎng)基的分類和作用并會(huì)配制微生物培養(yǎng)基，對(duì)無菌操作也有一定的了解，還具備一定的電腦操作能力?？梢哉f，他們基本符合進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的條件。這為本節(jié)課的學(xué)習(xí)打好了理論基礎(chǔ)和能力基礎(chǔ)。

三、教學(xué)目標(biāo)

（1）通過討論外植體形成完整植株的過程中的注意事項(xiàng)，概述植物組織培養(yǎng)的條件，學(xué)會(huì)運(yùn)用結(jié)構(gòu)與功能觀、穩(wěn)態(tài)與平衡觀闡述植物組織培養(yǎng)過程中出現(xiàn)的問題。（生命觀念）

（2）通過分析植物組織的培養(yǎng)過程，學(xué)會(huì)運(yùn)用歸納與概括等科學(xué)思維，能夠繪制植物組織培養(yǎng)流程圖。（科學(xué)思維）

（3）通過使用國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)進(jìn)行植物組織培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)探究，提高科學(xué)探究能力。（科學(xué)探究）

（4）通過了解野生鐵皮石斛瀕臨滅絕的原因，樹立保護(hù)森林、保護(hù)大自然的意識(shí)，知曉植物組織培養(yǎng)技術(shù)能防止物種瀕危滅絕，具有保護(hù)生物多樣性的作用。（社會(huì)責(zé)任）

四、教學(xué)重難點(diǎn)

教學(xué)重點(diǎn)：植物細(xì)胞工程的基本原理和技術(shù)。

教學(xué)難點(diǎn)：植物組織培養(yǎng)的實(shí)驗(yàn)過程。

五、教學(xué)過程

（一）設(shè)疑導(dǎo)入，激發(fā)興趣

教師展示《西游記》中孫悟空和太上老君的圖片，并提問：“太上老君的仙丹有什么作用？”在學(xué)生討論交流后，接著提問：“長生不老總是和服用仙丹、仙草聯(lián)系在一起，那‘中華九大仙草’排名第一的是什么？”通過問題激發(fā)學(xué)生的好奇心。隨后，引出鐵皮石斛，并介紹鐵皮石斛的相關(guān)知識(shí)：“鐵皮石斛被稱為‘中華仙草’‘救命仙草’，食用可以預(yù)防多種疾病。李鴻章在拜見伊麗莎白女王時(shí)，把鐵皮石斛進(jìn)獻(xiàn)給她，使其成為英國王室的養(yǎng)生奢侈品。那時(shí)，1公斤鐵皮石斛可以換12噸小麥?！苯又故救祟惼茐纳?、挖掘野生鐵皮石斛的圖片，說明野生鐵皮石斛瀕臨滅絕的原因。在此基礎(chǔ)上，教師以問題“如何培養(yǎng)出大量的鐵皮石斛？”引出本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容——植物組織培養(yǎng)技術(shù)。

設(shè)計(jì)意圖：首先從學(xué)生熟悉的《西游記》入手，吸引學(xué)生的注意力；然后把仙丹和仙草聯(lián)系起來，通過問題引出鐵皮石斛；接著以李鴻章進(jìn)獻(xiàn)鐵皮石斛的故事，突顯鐵皮石斛的價(jià)值；再講解鐵皮石斛瀕臨滅絕的原因，培養(yǎng)學(xué)生保護(hù)森林、愛護(hù)環(huán)境的意識(shí)；最后以問題引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到植物組織培養(yǎng)技術(shù)具有拯救瀕危植物、保護(hù)生物多樣性的價(jià)值。

（二）展示實(shí)物，巧設(shè)問題

教師展示鐵皮石斛，并以問題“為什么用鐵皮石斛的一片葉子就可以培養(yǎng)出完整的植株？”引導(dǎo)學(xué)生回憶細(xì)胞全能性的相關(guān)知識(shí)。教師接著追問：“什么是細(xì)胞的全能性？細(xì)胞具有全能性的原因是什么？”學(xué)生回答細(xì)胞全能性的概念和細(xì)胞具有全能性的原因。在此基礎(chǔ)上，教師再提出“所有細(xì)胞的全能性的大小都一樣嗎？細(xì)胞全能性的大小與其分化程度的高低有什么關(guān)系？”等問題，并讓學(xué)生按照細(xì)胞全能性的大小給受精卵、生殖細(xì)胞、體細(xì)胞進(jìn)行排序。教師通過提問幫助學(xué)生全面理解細(xì)胞的全能性。

設(shè)計(jì)意圖：設(shè)計(jì)問題串，通過探究用一片葉子能培養(yǎng)出完整植株的原因，引領(lǐng)學(xué)生回憶細(xì)胞全能性的概念，讓學(xué)生思考細(xì)胞全能性的大小與其分化程度的關(guān)系，幫助學(xué)生更全面地理解細(xì)胞的全能性，為植物組織培養(yǎng)的教學(xué)提供理論支持。

（三）小組討論，合作探究

教師展示整株鐵皮石斛并提問：“為什么葉子在植物體內(nèi)沒有表現(xiàn)出全能性？”在學(xué)生有效思考的基礎(chǔ)上，追問：“什么是植物組織培養(yǎng)？”學(xué)生在教師的指導(dǎo)下查閱資料，獲取相關(guān)信息并回答問題。在此基礎(chǔ)上，教師讓學(xué)生以小組為單位對(duì)以下問題進(jìn)行積極討論：如何讓莖、葉表現(xiàn)出全能性？在外植體變?yōu)橐恢曛仓甑倪^程中，需要解決什么問題？在學(xué)生討論完畢后，教師讓各小組派代表回答問題，然后根據(jù)各小組代表的回答與學(xué)生共同討論植物組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)需要注意的事項(xiàng)，如無菌環(huán)境、溫度、實(shí)驗(yàn)操作、培養(yǎng)基的配制等。

設(shè)計(jì)意圖：以問題為主線，引導(dǎo)學(xué)生查閱資料，使學(xué)生理解植物組織培養(yǎng)的概念；讓學(xué)生以小組為單位進(jìn)行討論，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；根據(jù)學(xué)生的回答開展生生互評(píng)、師生互評(píng)，使學(xué)生能明確植物組織培養(yǎng)的大概過程以及需要注意的事項(xiàng)，為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的開展打下良好基礎(chǔ)。

（四）虛擬實(shí)驗(yàn)，操作實(shí)踐

教師在簡單介紹國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)——華科虛擬平臺(tái)（由華中科技大學(xué)研發(fā)）后，讓學(xué)生登錄該平臺(tái)，進(jìn)行植物組織培養(yǎng)中外植體消毒接種的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，其操作界面如圖1所示。

華科虛擬平臺(tái)中外植體消毒接種實(shí)驗(yàn)的具體步驟包括：1.選擇材料；2.紫外線消毒；3.將植物組織清洗浸泡；4.倒入75%的酒精；5.倒入無菌水清洗；6.倒入0.5%的汞消毒5分鐘；7.倒入無菌水清洗；8.取莖段；9.接種；10.培養(yǎng)；11.接種觀察。

學(xué)生按照虛擬平臺(tái)中的指示進(jìn)行操作，當(dāng)學(xué)生操作不當(dāng)時(shí)，虛擬平臺(tái)會(huì)進(jìn)行相應(yīng)提醒，學(xué)生只有在操作得當(dāng)?shù)那闆r下，才能進(jìn)入下一個(gè)步驟。在學(xué)生操作時(shí)，教師要進(jìn)行相應(yīng)的講解。如在紫外線消毒的過程中，教師要提醒學(xué)生：“長期照射紫外線有致癌風(fēng)險(xiǎn)，使用紫外線燈消毒時(shí)人要離開現(xiàn)場?！痹诔瑑艄ぷ髋_(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，教師要強(qiáng)調(diào)無菌操作及實(shí)驗(yàn)安全注意事項(xiàng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生可觀察到形成的愈傷組織（見圖2）。

教師在此基礎(chǔ)上提問：“什么是愈傷組織？它是什么顏色的？培養(yǎng)好愈傷組織后還要進(jìn)行哪些操作？”學(xué)生通過小組討論得出這些問題的答案。教師在學(xué)生回答后，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)愈傷組織、再分化、胚狀體等概念。

設(shè)計(jì)意圖：通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生體驗(yàn)植物組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的具體操作，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，提升學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)的興趣。在學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作的過程中，教師進(jìn)行相應(yīng)的說明，使學(xué)生深化對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，并樹立實(shí)驗(yàn)安全意識(shí)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行提問引導(dǎo)，幫助學(xué)生明確相應(yīng)概念。

（五）課堂小結(jié)，鞏固提升

教師先讓學(xué)生繪制植物組織培養(yǎng)流程圖，對(duì)本節(jié)課的知識(shí)進(jìn)行小結(jié)，然后出示相應(yīng)的習(xí)題讓學(xué)生作答，最后讓學(xué)生在課后思考植物組織培養(yǎng)技術(shù)具有怎樣的應(yīng)用價(jià)值，并于虛擬平臺(tái)上完成試管苗移栽、試管苗再生和擴(kuò)繁的實(shí)驗(yàn)。

設(shè)計(jì)意圖：讓學(xué)生繪制植物組織培養(yǎng)流程圖的目的是引導(dǎo)學(xué)生梳理和總結(jié)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的總結(jié)概括能力；出示的習(xí)題可幫助學(xué)生鞏固知識(shí)；讓學(xué)生在課后進(jìn)行思考，自主進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，能加深學(xué)生對(duì)植物組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)的印象，拓展學(xué)生知識(shí)的廣度和寬度。

六、總結(jié)與反思

“植物組織培養(yǎng)技術(shù)”教學(xué)以虛實(shí)結(jié)合的“線上+線下”的方式開展，能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，給予學(xué)生沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。學(xué)生在對(duì)植物組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)有直觀的感受后，便能更好地理解植物組織培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)操作。該實(shí)驗(yàn)?zāi)芴嵘龑W(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，發(fā)展學(xué)生的核心素養(yǎng)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)為教師提供了新的教學(xué)方式。在高中生物學(xué)課堂中，教師恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，提高教學(xué)效果。在教學(xué)過程中，教師要秉持“虛實(shí)結(jié)合，能實(shí)勿虛，相互補(bǔ)充”的應(yīng)用原則，從而更好地發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的作用。

學(xué)生虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作視頻可掃二維碼（如圖3）觀看。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

［1］? 陳麗.應(yīng)用NOBOOK平臺(tái)的高中生物科學(xué)史虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究［D］.贛州：贛南師范大學(xué)，2021.

［2］? 中華人民共和國教育部.教育部關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見［J］.中華人民共和國國務(wù)院公報(bào)，2020（8）：74-76.

［3］? 中華人民共和國教育部.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版［M］.北京：人民教育出版社，2018.

［4］? 李臣亮，孟令軍，湯海峰，等.當(dāng)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)遇上虛擬仿真技術(shù)［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2021（4）：141-144.

（責(zé)任編輯 黃春香）