虚拟仿真实验在高中生物学教学中的应用研究

费明珊　陈梓轩　柯德森

［摘 要］虚拟仿真实验具有仿真度高、互动性强、安全性高、重复性强的特点。文章针对植物组织培养实验在高中较难开展的问题，指出运用国家虚拟仿真实验教学课程共享平台进行植物组织培养的虚拟实验，能有效弥补传统实验教学的不足。通过线下理论学习和线上虚拟实验的混合式教学，能加深学生对相关知识的理解，提高学生的实验操作技能，培养学生的科学思维和科学探究能力。

［关键词］虚拟仿真实验；高中生物学；植物组织培养

［中图分类号］    G633.91        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）23-0079-03

虚拟仿真实验是指在计算机系统中，采用虚拟现实技术实现的各种虚拟实验环境。虚拟仿真实验具有仿真度高、互动性强、安全性高、重复性强的特点，可在一定程度上弥补传统实验教学的不足。由于学校缺乏相应的实验室和实验设备、实验操作技术要求高、实验时间较长等原因，很多高中生物学植物组织培养实验不便开展，对植物组织培养实验的教学效果造成一定的影响。2019年11月，教育部印发了《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，其中明确提到，对于较难开展的实验，可用虚拟实验呈现。用虚拟仿真实验的方式呈现植物组织培养实验，一方面可以解决实验目前在高中不便开展的问题，另一方面可以帮助学生更好地理解植物组织培养实验的步骤、结果，提升學生的动手实验能力，有效实现教学目标。

一、教学内容分析

“植物组织培养技术”是人教版生物学选择性必修3第2章第1节的内容，以人教版生物学必修1和选择性必修1中的内容为前期知识基础。本节课能为后续教学植物体细胞杂交技术和植物细胞工程的实际运用等内容奠定基础。通过本节课的学习，学生能清晰地理解植物组织培养的概念以及原理，并能通过虚拟实验全面认识植物组织培养的过程，进一步发展科学思维和科学探究能力。

二、学情分析

高二学生已经具备细胞的生长、细胞的分裂和分化、细胞的全能性、植物激素等方面的知识，且刚学完发酵工程，对微生物的基本培养技术较为了解，知道培养基的分类和作用并会配制微生物培养基，对无菌操作也有一定的了解，还具备一定的电脑操作能力。可以说，他们基本符合进行虚拟仿真实验的条件。这为本节课的学习打好了理论基础和能力基础。

三、教学目标

（1）通过讨论外植体形成完整植株的过程中的注意事项，概述植物组织培养的条件，学会运用结构与功能观、稳态与平衡观阐述植物组织培养过程中出现的问题。（生命观念）

（2）通过分析植物组织的培养过程，学会运用归纳与概括等科学思维，能够绘制植物组织培养流程图。（科学思维）

（3）通过使用国家虚拟仿真实验教学课程共享平台进行植物组织培养的实验探究，提高科学探究能力。（科学探究）

（4）通过了解野生铁皮石斛濒临灭绝的原因，树立保护森林、保护大自然的意识，知晓植物组织培养技术能防止物种濒危灭绝，具有保护生物多样性的作用。（社会责任）

四、教学重难点

教学重点：植物细胞工程的基本原理和技术。

教学难点：植物组织培养的实验过程。

五、教学过程

（一）设疑导入，激发兴趣

教师展示《西游记》中孙悟空和太上老君的图片，并提问：“太上老君的仙丹有什么作用？”在学生讨论交流后，接着提问：“长生不老总是和服用仙丹、仙草联系在一起，那‘中华九大仙草’排名第一的是什么？”通过问题激发学生的好奇心。随后，引出铁皮石斛，并介绍铁皮石斛的相关知识：“铁皮石斛被称为‘中华仙草’‘救命仙草’，食用可以预防多种疾病。李鸿章在拜见伊丽莎白女王时，把铁皮石斛进献给她，使其成为英国王室的养生奢侈品。那时，1公斤铁皮石斛可以换12吨小麦。”接着，展示人类破坏森林、挖掘野生铁皮石斛的图片，说明野生铁皮石斛濒临灭绝的原因。在此基础上，教师以问题“如何培养出大量的铁皮石斛？”引出本节课的教学内容——植物组织培养技术。

设计意图：首先从学生熟悉的《西游记》入手，吸引学生的注意力；然后把仙丹和仙草联系起来，通过问题引出铁皮石斛；接着以李鸿章进献铁皮石斛的故事，突显铁皮石斛的价值；再讲解铁皮石斛濒临灭绝的原因，培养学生保护森林、爱护环境的意识；最后以问题引导学生认识到植物组织培养技术具有拯救濒危植物、保护生物多样性的价值。

（二）展示实物，巧设问题

教师展示铁皮石斛，并以问题“为什么用铁皮石斛的一片叶子就可以培养出完整的植株？”引导学生回忆细胞全能性的相关知识。教师接着追问：“什么是细胞的全能性？细胞具有全能性的原因是什么？”学生回答细胞全能性的概念和细胞具有全能性的原因。在此基础上，教师再提出“所有细胞的全能性的大小都一样吗？细胞全能性的大小与其分化程度的高低有什么关系？”等问题，并让学生按照细胞全能性的大小给受精卵、生殖细胞、体细胞进行排序。教师通过提问帮助学生全面理解细胞的全能性。

设计意图：设计问题串，通过探究用一片叶子能培养出完整植株的原因，引领学生回忆细胞全能性的概念，让学生思考细胞全能性的大小与其分化程度的关系，帮助学生更全面地理解细胞的全能性，为植物组织培养的教学提供理论支持。

（三）小组讨论，合作探究

教师展示整株铁皮石斛并提问：“为什么叶子在植物体内没有表现出全能性？”在学生有效思考的基础上，追问：“什么是植物组织培养？”学生在教师的指导下查阅资料，获取相关信息并回答问题。在此基础上，教师让学生以小组为单位对以下问题进行积极讨论：如何让茎、叶表现出全能性？在外植体变为一株植株的过程中，需要解决什么问题？在学生讨论完毕后，教师让各小组派代表回答问题，然后根据各小组代表的回答与学生共同讨论植物组织培养实验需要注意的事项，如无菌环境、温度、实验操作、培养基的配制等。

设计意图：以问题为主线，引导学生查阅资料，使学生理解植物组织培养的概念；让学生以小组为单位进行讨论，激发学生的学习兴趣；根据学生的回答开展生生互评、师生互评，使学生能明确植物组织培养的大概过程以及需要注意的事项，为虚拟仿真实验的开展打下良好基础。

（四）虚拟实验，操作实践

教师在简单介绍国家虚拟仿真实验教学课程共享平台——华科虚拟平台（由华中科技大学研发）后，让学生登录该平台，进行植物组织培养中外植体消毒接种的虚拟仿真实验，其操作界面如图1所示。

华科虚拟平台中外植体消毒接种实验的具体步骤包括：1.选择材料；2.紫外线消毒；3.将植物组织清洗浸泡；4.倒入75%的酒精；5.倒入无菌水清洗；6.倒入0.5%的汞消毒5分钟；7.倒入无菌水清洗；8.取茎段；9.接种；10.培养；11.接种观察。

学生按照虚拟平台中的指示进行操作，当学生操作不当时，虚拟平台会进行相应提醒，学生只有在操作得当的情况下，才能进入下一个步骤。在学生操作时，教师要进行相应的讲解。如在紫外线消毒的过程中，教师要提醒学生：“长期照射紫外线有致癌风险，使用紫外线灯消毒时人要离开现场。”在超净工作台进行实验时，教师要强调无菌操作及实验安全注意事项。实验结束后，学生可观察到形成的愈伤组织（见图2）。

教师在此基础上提问：“什么是愈伤组织？它是什么颜色的？培养好愈伤组织后还要进行哪些操作？”学生通过小组讨论得出这些问题的答案。教师在学生回答后，重点强调愈伤组织、再分化、胚状体等概念。

设计意图：通过虚拟仿真实验，使学生体验植物组织培养实验的具体操作，提高学生的动手能力，提升学生的科学思维和科学探究能力，增强学生学习生物学的兴趣。在学生进行实验操作的过程中，教师进行相应的说明，使学生深化对实验的理解，并树立实验安全意识。实验结束后进行提问引导，帮助学生明确相应概念。

（五）课堂小结，巩固提升

教师先让学生绘制植物组织培养流程图，对本节课的知识进行小结，然后出示相应的习题让学生作答，最后让学生在课后思考植物组织培养技术具有怎样的应用价值，并于虚拟平台上完成试管苗移栽、试管苗再生和扩繁的实验。

设计意图：让学生绘制植物组织培养流程图的目的是引导学生梳理和总结知识，培养学生的总结概括能力；出示的习题可帮助学生巩固知识；让学生在课后进行思考，自主进行虚拟实验，能加深学生对植物组织培养实验的印象，拓展学生知识的广度和宽度。

六、总结与反思

“植物组织培养技术”教学以虚实结合的“线上+线下”的方式开展，能激发学生的学习兴趣，给予学生沉浸式的学习体验。学生在对植物组织培养实验有直观的感受后，便能更好地理解植物组织培养实验操作。该实验能提升学生的科学思维和科学探究能力，发展学生的核心素养。虚拟仿真实验教学为教师提供了新的教学方式。在高中生物学课堂中，教师恰当地应用虚拟仿真实验，可以激发学生的学习兴趣，提高学生的动手实践能力，提高教学效果。在教学过程中，教师要秉持“虚实结合，能实勿虚，相互补充”的应用原则，从而更好地发挥虚拟仿真实验的作用。

学生虚拟仿真实验操作视频可扫二维码（如图3）观看。

［   参   考   文   献   ］

［1］  陈丽.应用NOBOOK平台的高中生物科学史虚拟实验教学研究［D］.赣州：赣南师范大学，2021.

［2］  中华人民共和国教育部.教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见［J］.中华人民共和国国务院公报，2020（8）：74-76.

［3］  中華人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准：2017年版［M］.北京：人民教育出版社，2018.

［4］  李臣亮，孟令军，汤海峰，等.当生物实验教学遇上虚拟仿真技术［J］.实验室科学，2021（4）：141-144.

（责任编辑 黄春香）