虛擬仿真實驗在高中生物學教學中的應用研究

費明珊　陳梓軒　柯德森

［摘 要］虛擬仿真實驗具有仿真度高、互動性強、安全性高、重復性強的特點。文章針對植物組織培養實驗在高中較難開展的問題，指出運用國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺進行植物組織培養的虛擬實驗，能有效彌補傳統實驗教學的不足。通過線下理論學習和線上虛擬實驗的混合式教學，能加深學生對相關知識的理解，提高學生的實驗操作技能，培養學生的科學思維和科學探究能力。

［關鍵詞］虛擬仿真實驗；高中生物學；植物組織培養

［中圖分類號］? ? G633.91? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）23-0079-03

虛擬仿真實驗是指在計算機系統中，采用虛擬現實技術實現的各種虛擬實驗環境。虛擬仿真實驗具有仿真度高、互動性強、安全性高、重復性強的特點，可在一定程度上彌補傳統實驗教學的不足。由于學校缺乏相應的實驗室和實驗設備、實驗操作技術要求高、實驗時間較長等原因，很多高中生物學植物組織培養實驗不便開展，對植物組織培養實驗的教學效果造成一定的影響。2019年11月，教育部印發了《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》，其中明確提到，對于較難開展的實驗，可用虛擬實驗呈現。用虛擬仿真實驗的方式呈現植物組織培養實驗，一方面可以解決實驗目前在高中不便開展的問題，另一方面可以幫助學生更好地理解植物組織培養實驗的步驟、結果，提升學生的動手實驗能力，有效實現教學目標。

一、教學內容分析

“植物組織培養技術”是人教版生物學選擇性必修3第2章第1節的內容，以人教版生物學必修1和選擇性必修1中的內容為前期知識基礎。本節課能為后續教學植物體細胞雜交技術和植物細胞工程的實際運用等內容奠定基礎。通過本節課的學習，學生能清晰地理解植物組織培養的概念以及原理，并能通過虛擬實驗全面認識植物組織培養的過程，進一步發展科學思維和科學探究能力。

二、學情分析

高二學生已經具備細胞的生長、細胞的分裂和分化、細胞的全能性、植物激素等方面的知識，且剛學完發酵工程，對微生物的基本培養技術較為了解，知道培養基的分類和作用并會配制微生物培養基，對無菌操作也有一定的了解，還具備一定的電腦操作能力。可以說，他們基本符合進行虛擬仿真實驗的條件。這為本節課的學習打好了理論基礎和能力基礎。

三、教學目標

（1）通過討論外植體形成完整植株的過程中的注意事項，概述植物組織培養的條件，學會運用結構與功能觀、穩態與平衡觀闡述植物組織培養過程中出現的問題。（生命觀念）

（2）通過分析植物組織的培養過程，學會運用歸納與概括等科學思維，能夠繪制植物組織培養流程圖。（科學思維）

（3）通過使用國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺進行植物組織培養的實驗探究，提高科學探究能力。（科學探究）

（4）通過了解野生鐵皮石斛瀕臨滅絕的原因，樹立保護森林、保護大自然的意識，知曉植物組織培養技術能防止物種瀕危滅絕，具有保護生物多樣性的作用。（社會責任）

四、教學重難點

教學重點：植物細胞工程的基本原理和技術。

教學難點：植物組織培養的實驗過程。

五、教學過程

（一）設疑導入，激發興趣

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？”在學生討論交流后，接著提問：“長生不老總是和服用仙丹、仙草聯系在一起，那‘中華九大仙草’排名第一的是什么？”通過問題激發學生的好奇心。隨后，引出鐵皮石斛，并介紹鐵皮石斛的相關知識：“鐵皮石斛被稱為‘中華仙草’‘救命仙草’，食用可以預防多種疾病。李鴻章在拜見伊麗莎白女王時，把鐵皮石斛進獻給她，使其成為英國王室的養生奢侈品。那時，1公斤鐵皮石斛可以換12噸小麥。”接著，展示人類破壞森林、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。在此基礎上，教師以問題“如何培養出大量的鐵皮石斛？”引出本節課的教學內容——植物組織培養技術。

設計意圖：首先從學生熟悉的《西游記》入手，吸引學生的注意力；然后把仙丹和仙草聯系起來，通過問題引出鐵皮石斛；接著以李鴻章進獻鐵皮石斛的故事，突顯鐵皮石斛的價值；再講解鐵皮石斛瀕臨滅絕的原因，培養學生保護森林、愛護環境的意識；最后以問題引導學生認識到植物組織培養技術具有拯救瀕危植物、保護生物多樣性的價值。

（二）展示實物，巧設問題

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出完整的植株？”引導學生回憶細胞全能性的相關知識。教師接著追問：“什么是細胞的全能性？細胞具有全能性的原因是什么？”學生回答細胞全能性的概念和細胞具有全能性的原因。在此基礎上，教師再提出“所有細胞的全能性的大小都一樣嗎？細胞全能性的大小與其分化程度的高低有什么關系？”等問題，并讓學生按照細胞全能性的大小給受精卵、生殖細胞、體細胞進行排序。教師通過提問幫助學生全面理解細胞的全能性。

設計意圖：設計問題串，通過探究用一片葉子能培養出完整植株的原因，引領學生回憶細胞全能性的概念，讓學生思考細胞全能性的大小與其分化程度的關系，幫助學生更全面地理解細胞的全能性，為植物組織培養的教學提供理論支持。

（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沒有表現出全能性？”在學生有效思考的基礎上，追問：“什么是植物組織培養？”學生在教師的指導下查閱資料，獲取相關信息并回答問題。在此基礎上，教師讓學生以小組為單位對以下問題進行積極討論：如何讓莖、葉表現出全能性？在外植體變為一株植株的過程中，需要解決什么問題？在學生討論完畢后，教師讓各小組派代表回答問題，然后根據各小組代表的回答與學生共同討論植物組織培養實驗需要注意的事項，如無菌環境、溫度、實驗操作、培養基的配制等。

設計意圖：以問題為主線，引導學生查閱資料，使學生理解植物組織培養的概念；讓學生以小組為單位進行討論，激發學生的學習興趣；根據學生的回答開展生生互評、師生互評，使學生能明確植物組織培養的大概過程以及需要注意的事項，為虛擬仿真實驗的開展打下良好基礎。

（四）虛擬實驗，操作實踐

教師在簡單介紹國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺——華科虛擬平臺（由華中科技大學研發）后，讓學生登錄該平臺，進行植物組織培養中外植體消毒接種的虛擬仿真實驗，其操作界面如圖1所示。

華科虛擬平臺中外植體消毒接種實驗的具體步驟包括：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；11.接種觀察。

學生按照虛擬平臺中的指示進行操作，當學生操作不當時，虛擬平臺會進行相應提醒，學生只有在操作得當的情況下，才能進入下一個步驟。在學生操作時，教師要進行相應的講解。如在紫外線消毒的過程中，教師要提醒學生：“長期照射紫外線有致癌風險，使用紫外線燈消毒時人要離開現場。”在超凈工作臺進行實驗時，教師要強調無菌操作及實驗安全注意事項。實驗結束后，學生可觀察到形成的愈傷組織（見圖2）。

教師在此基礎上提問：“什么是愈傷組織？它是什么顏色的？培養好愈傷組織后還要進行哪些操作？”學生通過小組討論得出這些問題的答案。教師在學生回答后，重點強調愈傷組織、再分化、胚狀體等概念。

設計意圖：通過虛擬仿真實驗，使學生體驗植物組織培養實驗的具體操作，提高學生的動手能力，提升學生的科學思維和科學探究能力，增強學生學習生物學的興趣。在學生進行實驗操作的過程中，教師進行相應的說明，使學生深化對實驗的理解，并樹立實驗安全意識。實驗結束后進行提問引導，幫助學生明確相應概念。

（五）課堂小結，鞏固提升

教師先讓學生繪制植物組織培養流程圖，對本節課的知識進行小結，然后出示相應的習題讓學生作答，最后讓學生在課后思考植物組織培養技術具有怎樣的應用價值，并于虛擬平臺上完成試管苗移栽、試管苗再生和擴繁的實驗。

設計意圖：讓學生繪制植物組織培養流程圖的目的是引導學生梳理和總結知識，培養學生的總結概括能力；出示的習題可幫助學生鞏固知識；讓學生在課后進行思考，自主進行虛擬實驗，能加深學生對植物組織培養實驗的印象，拓展學生知識的廣度和寬度。

六、總結與反思

“植物組織培養技術”教學以虛實結合的“線上+線下”的方式開展，能激發學生的學習興趣，給予學生沉浸式的學習體驗。學生在對植物組織培養實驗有直觀的感受后，便能更好地理解植物組織培養實驗操作。該實驗能提升學生的科學思維和科學探究能力，發展學生的核心素養。虛擬仿真實驗教學為教師提供了新的教學方式。在高中生物學課堂中，教師恰當地應用虛擬仿真實驗，可以激發學生的學習興趣，提高學生的動手實踐能力，提高教學效果。在教學過程中，教師要秉持“虛實結合，能實勿虛，相互補充”的應用原則，從而更好地發揮虛擬仿真實驗的作用。

學生虛擬仿真實驗操作視頻可掃二維碼（如圖3）觀看。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 陳麗.應用NOBOOK平臺的高中生物科學史虛擬實驗教學研究［D］.贛州：贛南師范大學，2021.

［2］? 中華人民共和國教育部.教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見［J］.中華人民共和國國務院公報，2020（8）：74-76.

［3］? 中華人民共和國教育部.普通高中生物學課程標準：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.當生物實驗教學遇上虛擬仿真技術［J］.實驗室科學，2021（4）：141-144.

（責任編輯 黃春香）