高中生物虛擬實驗教學的實踐創新研究

嚴小燕

摘 要：本研究以高中生物虛擬實驗教學為主題，以“土壤中分解尿素的細菌的分離與計數”為例展開實踐創新研究。通過虛擬實驗平臺的構建與應用，旨在提升學生對生物實驗的理解與實踐技能。文章首先介紹了虛擬實驗的背景和意義，然后詳細描述了“分解尿素的細菌的分離與計數”的虛擬實驗設計及實施過程，最后通過對實驗結果的分析與總結，評估了虛擬實驗在高中生物教學中的實際應用效果，為未來虛擬實驗的開展提供了有益的經驗。

關鍵詞：高中生物；虛擬實驗；實踐創新；尿素分解細菌；教學效果

高中生物教學作為培養學生科學素養的重要環節，需要不斷適應時代變革的需求，采用新的教學手段提升教學效果。虛擬實驗作為一種新興的教學方式，為學生提供了更廣泛的實踐機會，同時減少了實驗設備的使用和實驗環境的限制。本文將以“土壤中分解尿素的細菌的分離與計數”為例，探討虛擬實驗在高中生物教學中的實踐創新研究，旨在為推動生物教學質量的提升提供參考[1]。

一、虛擬實驗背景與意義

在高中生物教學中引入虛擬實驗，不僅需要關注教學內容的合理性，更需要深刻理解虛擬實驗的背景和意義。本研究以“土壤中分解尿素的細菌的分離與計數”為例，結合實驗的具體操作步驟，探討虛擬實驗的背景和其在高中生物教學中的意義。

（一）虛擬實驗背景

1.實驗設計的理論基礎

虛擬實驗的背景之一是基于微生物學中微生物的篩選原理。在實驗中，我們通過模擬實驗平臺篩選土壤中分解尿素的特定細菌菌株。此過程中，人為提供有利于目的菌株生長的條件，同時采用選擇性培養基，具體選擇培養的原則是根據菌株的生理代謝特點，以加入或不加入某些物質來實現篩選。這為虛擬實驗提供了理論基礎。

2.統計菌落數目的原理

在虛擬實驗的設計中，涉及統計土壤樣品中細菌數量。這涉及常用的稀釋涂布平板法。通過這一方法，我們能夠推測土壤樣品中活菌的數量。這種統計方法的背后基于樣品的稀釋度足夠高，使得培養基表面生長的一個菌落來自樣品中的一個活菌。虛擬實驗中的這一統計原理有助于學生理解實驗數據的獲取方式。

（二）虛擬實驗的意義

1.培養學生在虛擬實驗中的實驗方案設計和操作技能

虛擬實驗設計中包括了實驗方案、儀器、材料、用具和藥品的選擇，以及具體的實施步驟和時間安排等方面的考慮。學生通過虛擬實驗的參與，能夠提升實驗設計和實驗操作的技能，培養其對科學實驗的整體認知。

2.虛擬環境中深化學生對微生物學的理解

通過虛擬實驗，學生能夠在虛擬環境中進行實驗操作，拓寬了其實驗視野。尤其在本研究中，學生能夠了解土壤中分解尿素的細菌的特征、分布規律以及與尿素分解相關的生物過程，從而加深對微生物學的理解。

3.利用虛擬實驗平臺加強學生數據分析與實驗設計技能

虛擬實驗平臺提供了實驗數據的記錄和分析功能，學生可以通過軟件工具進行數據處理。這有助于培養學生的數據分析和實驗設計的能力，使其更好地理解和利用實驗結果。

二、虛擬實驗教學在高中生物教育中的應用

隨著科技的不斷發展，虛擬實驗教學在高中生物教育中的應用日益受到關注。本文將詳細探討虛擬實驗在高中生物教學中的應用，以及其對學生學科知識、實驗技能和科學思維能力的影響。

（一）虛擬實驗平臺的構建

1.理論支持與教學內容整合

在構建虛擬實驗平臺時，需要深入挖掘微生物學理論基礎，尤其是微生物篩選、選擇性培養基的原理等。將這些理論與教學內容進行整合，確保虛擬實驗的設計符合高中生物教學大綱的要求，并能夠全面展示相關概念和實驗操作。

2.軟硬件支持

為了保障虛擬實驗平臺的有效運行，需要合理配置軟硬件資源。確保學生能夠在虛擬環境中流暢地進行實驗操作，同時提供必要的數據記錄和分析工具，使學生能夠全面了解實驗結果。

（二）虛擬實驗在高中生物教學中的應用

1.提升實驗操作技能

通過虛擬實驗，學生能夠模擬真實實驗的各個環節，包括土壤取樣、培養基制備、微生物培養與觀察、細菌計數等步驟。這有助于提升學生的實驗操作技能，使其熟練掌握實驗步驟和操作方法。

2.通過實驗熟悉生物知識原理

虛擬實驗不受實驗條件的限制，使學生能夠在更廣泛的實驗空間中進行學習。在本研究中，學生可以通過虛擬實驗了解土壤中分解尿素的細菌的特征和生物過程，將抽象的生物學知識原理通過實驗方式直觀展現出來，提升教學的效果。

3.促進科學思維的培養

通過參與虛擬實驗，學生需要運用科學思維解決實際問題。例如：在“分解尿素細菌的分離與計數”虛擬實驗中，學生需考慮選擇合適的培養基和實驗條件，分析實驗結果，從而培養了解決實際科學問題的思維方式。學生可以通過對實驗數據的處理，培養數據分析的能力。此外，在實驗設計方面，學生在虛擬環境中能夠更靈活地設計實驗方案，提高其實驗設計的獨立性和創

造性。

（三）教學效果評估與優化

1.學生學科知識掌握

通過虛擬實驗的教學，可對學生學科知識進行測試和評估。教師可以借助虛擬實驗平臺收集學生在理論知識和實驗操作方面的表現，從而全面評估學生對生物學概念的理解和應用能力。

2.教學方法的不斷優化

虛擬實驗教學應不斷根據實際效果進行教學方法的優化。通過學生的反饋，教師可以了解到虛擬實驗中存在的問題和不足，進而調整教學策略，提高虛擬實驗的實際應用效果[2]。

三、分解尿素細菌的虛擬實驗設計與實施

為了深入理解土壤中分解尿素的細菌的特性，本章將詳細介紹虛擬實驗的設計與實施過程。通過虛擬實驗，學生將模擬實際實驗操作，從而掌握微生物學相關知識和培養實驗技能。

（一）虛擬實驗設計

1.土壤取樣

在虛擬實驗中，我們精心選擇了肥沃、濕潤的土壤樣品進行模擬實驗。通過模擬鏟去表層土和在距地表約3～8cm的土壤層取樣的操作，我們獲得了以下土壤樣品：

土壤樣品編號：A001

土壤特性：肥沃、濕潤

pH值：7

這些土壤樣品的選擇旨在模擬實際土壤環境，為后續的微生物培養提供了適宜的基礎條件。

2.制備培養基

在虛擬實驗平臺中，我們成功制備了兩種培養基，分別是牛肉膏蛋白胨培養基和選擇培養基，并進行了驗證實驗。

牛肉膏蛋白胨培養基生長的菌落數：120個

選擇培養基生長的菌落數：20個

這一步的設計旨在驗證培養基的選擇性，確保選擇培養基能夠有效篩選目標微生物。

3.微生物的培養與觀察

通過虛擬實驗，模擬了土樣依次等比稀釋至107稀釋度，并進行了涂布平板的操作。這一步的設計旨在模擬實驗中常見的微生物培養與觀察過程，為后續的數據分析奠定基礎。

107稀釋度的選擇培養基平板上菌落數：80個

107稀釋度的牛肉膏蛋白胨培養基平板上菌落數：150個

這些數據反映了不同培養基上微生物的生長情況，為后續的實驗結果分析提供了翔實的數據支持。

4.細菌的計數

在虛擬實驗中，我們進行了對選擇培養基平板上菌落數的計數，以進一步了解不同培養基下細菌數量的差異。

107稀釋度的選擇培養基平板上的平均菌落數：75個

（二）實施過程中的注意事項

1.對照的設置

在虛擬實驗中，我們特別強調了設置對照的重要性。通過設立對照組，我們能夠有效比較選擇培養基和對照培養基中菌落的數量，從而使學生更好地理解選擇培養基是否具有篩選細菌的效果。這一步驟的設計不僅能夠直觀地展示實驗的結果，還培養了學生對科學實驗中對照組的認識，提升他們對實驗設計的理解。

2.實驗方案的調整

在虛擬實驗中，我們模擬了對實驗方案的調整過程。例如：可以調整培養溫度和培養時間，觀察其對實驗結果的影響。通過引導學生思考和調整實驗方案，我們旨在培養學生對實驗設計的靈活性和創新性的認識。這一設計能夠激發學生的實驗興趣，同時培養他們在實際實驗中靈活應對問題的

能力。

（三）實驗結果的分析

1.菌落數量比較

通過比較選擇培養基和對照培養基中菌落的數量，我們發現選擇培養基上的菌落數較少，說明其具有篩選細菌的效果。這一分析結果直觀地展示了虛擬實驗在模擬真實實驗過程中的有效性，為學生提供了直觀的實驗結果數據，促使他們深刻理解選擇培養基的作用。

2.實驗結果驗證

通過與對照組的對比，我們確認了選擇培養基上的菌落主要是與尿素分解相關的細菌，進一步驗證了虛擬實驗的有效性。這一步驟不僅強調了驗證實驗結果的重要性，也使學生深入理解實驗設計的合理性和科學性。驗證結果的一致性增加了實驗結果的可信度，幫助學生建立對實驗數據可靠性的科學認知。

四、教學效果評估與分析

為了全面了解虛擬實驗對學生學科知識、實驗技能和科學思維能力的影響，本章將深入探討教學效果的評估和分析。

（一）學科知識掌握情況

通過虛擬實驗，學生積極參與了對分解尿素細菌特性的研究，因此在微生物學相關知識方面取得了顯著的進展。

1.知識測驗

為了全面了解學生對微生物學理論基礎、實驗操作步驟以及實驗結果分析的理解程度，我們實施了一系列有針對性的知識測驗。這些測驗涵蓋了從土壤取樣到微生物培養與觀察的各個環節，旨在檢驗學生對虛擬實驗所涉及知識的深度理解。通過分析測驗分數的分布情況，我們能夠客觀評估學生在虛擬實驗中學科知識的掌握情況。

2.實驗報告

除了知識測驗外，我們要求學生提交詳盡的實驗報告。這份報告不僅包括實驗的目的、設計、操作步驟，還要求對結果進行深入的分析。通過評估實驗報告的質量，我們能夠更細致地了解學生對實驗過程和相關知識的理解和應用情況。實驗報告不僅是對實驗過程的記錄，更是學生對實驗結果進行思考和解釋的機會，進一步促進了他們在微生物學領域的學科知識的掌握。

（二）實驗技能提升

虛擬實驗不僅是知識的傳遞工具，更著眼于提升學生的實驗技能，使其具備更為熟練的實際操作能力。

1.操作技能測試

在虛擬實驗平臺上，我們通過對學生操作流程的測試來檢查他們是否能夠熟練進行各個實驗步驟，包括土壤取樣、培養基制備、微生物培養與觀察、細菌計數等。這一項測試的目的在于驗證學生是否能夠準確而高效地應用所學的實驗技能，直接反映虛擬實驗對其實際操作能力的提升效果。通過定量化的測試結果，我們能夠深入了解學生在虛擬實驗中實驗技能的水平，從而為后續的教學調整提供有力的依據。

2.實驗技能自評

除了定量測試外，我們也強調學生對自己實驗技能的自我認知。通過要求學生進行實驗技能的自評估，我們可以了解學生在虛擬實驗中對自己操作技能的認知與體會。這項自評估的目的在于激發學生對自身技能提升的自覺性，同時為教師提供學生對虛擬實驗實用性的主觀感受。學生的自我評價不僅是對實際技能水平的一種反映，更是對虛擬實驗教學方式的一種評價。通過學生的主觀反饋，我們可以更全面地了解虛擬實驗對其實驗技能的自我認知與提升效果，從而進一步改進虛擬實驗的教學設計和實施方式。

（三）科學思維能力培養

科學思維是培養學生全面發展的重要組成部分，而虛擬實驗的設計旨在通過解決實際問題的方式，促進學生深化科學思維。

1.問題解決能力測試

虛擬實驗的教學目標之一是培養學生的問題解決能力。我們通過設計一系列與實驗相關的問題，來測試學生在面對問題時的分析、推理和解決問題的能力。這些問題不僅覆蓋實驗設計和操作步驟，還包括對數據的分析和對實驗結果的合理解釋。通過問題解決能力測試，我們能夠評估學生在虛擬實驗中運用科學思維解決問題的水平，幫助他們培養邏輯思維和實際運用知識解決問題的能力。

2.實驗設計評估

科學思維的培養需要學生具備對實驗設計的深刻理解和評價能力。因此，我們要求學生進行關于虛擬實驗設計的反思和評估。學生需要審視實驗設計的合理性、可操作性和創新性等方面，從而深入了解虛擬實驗對他們科學思維能力的培養效果。這項評估不僅能讓學生從理論和實踐的角度更好地理解科學思維，還能為他們提供評估和改進實驗設計的機會。通過這一步驟，我們旨在激發學生對科學問題探討的興趣，培養他們批判性思考和創新性解決問題的意識，進一步提升他們的科學思維水平。

（四）教學效果的分析與調整

對教學效果進行細致分析并不斷進行調整是教學改進的核心步驟。

1.學生反饋調查

學生反饋是了解教學效果的直接途徑之一。通過學生反饋調查，我們可以深入了解學生對虛擬實驗的看法、意見和建議。這一過程不僅包括對實驗內容的評價，還涉及對虛擬實驗平臺的易用性、實驗設計的清晰度等方面的評價。通過收集學生的反饋，我們能夠及時發現教學中可能存在的問題，從而更具針對性地進行調整和改進。

2.教學方法優化

根據學生的學科知識水平、實驗技能和科學思維能力的反饋，我們可以不斷優化虛擬實驗的教學方法。這包括對實驗內容的調整、教學資源的更新，以及對學生反饋的問題進行有針對性的解決。通過細致的教學方法的調整，我們旨在提高虛擬實驗的教學效果，使其更符合學生的學科水平和需求。同時，這也是一個動態的過程，不斷調整和優化能夠使虛擬實驗在教學中發揮更好的作用。

結束語

通過本研究，我們在高中生物教學中嘗試了虛擬實驗的創新應用，并以分解尿素細菌的虛擬實驗為例，取得了一定的成功。虛擬實驗不僅能夠提高學生的實驗操作技能，還培養了其數據分析和實驗設計的能力。然而，虛擬實驗仍需在實踐中不斷完善，以適應不同教學環境和學科需求。未來，我們將繼續深化虛擬實驗的研究與實踐，為高中生物教學的創新與發展提供更多有益的

經驗。

參考文獻

[1]羅志偉，沙小梅，張慶旺，等.虛擬仿真技術輔助設計高中生物學實驗教學的策略研究[J].中學生物教學，2023（14）：19-22.

[2]李慶林.虛擬仿真實驗在高中生物實驗教學中的應用[J].學周刊，2022，33（33）：54-56.

本文系福州市教育信息技術研究2022年度立項課題“高中生物虛擬實驗教學的實踐創新研究”（立項編號：FZDJ2022B19）的階段性成果。