高中生物虚拟实验教学的实践创新研究

严小燕

摘 要：本研究以高中生物虚拟实验教学为主题，以“土壤中分解尿素的细菌的分离与计数”为例展开实践创新研究。通过虚拟实验平台的构建与应用，旨在提升学生对生物实验的理解与实践技能。文章首先介绍了虚拟实验的背景和意义，然后详细描述了“分解尿素的细菌的分离与计数”的虚拟实验设计及实施过程，最后通过对实验结果的分析与总结，评估了虚拟实验在高中生物教学中的实际应用效果，为未来虚拟实验的开展提供了有益的经验。

关键词：高中生物；虚拟实验；实践创新；尿素分解细菌；教学效果

高中生物教学作为培养学生科学素养的重要环节，需要不断适应时代变革的需求，采用新的教学手段提升教学效果。虚拟实验作为一种新兴的教学方式，为学生提供了更广泛的实践机会，同时减少了实验设备的使用和实验环境的限制。本文将以“土壤中分解尿素的细菌的分离与计数”为例，探讨虚拟实验在高中生物教学中的实践创新研究，旨在为推动生物教学质量的提升提供参考[1]。

一、虚拟实验背景与意义

在高中生物教学中引入虚拟实验，不仅需要关注教学内容的合理性，更需要深刻理解虚拟实验的背景和意义。本研究以“土壤中分解尿素的细菌的分离与计数”为例，结合实验的具体操作步骤，探讨虚拟实验的背景和其在高中生物教学中的意义。

（一）虚拟实验背景

1.实验设计的理论基础

虚拟实验的背景之一是基于微生物学中微生物的筛选原理。在实验中，我们通过模拟实验平台筛选土壤中分解尿素的特定细菌菌株。此过程中，人为提供有利于目的菌株生长的条件，同时采用选择性培养基，具体选择培养的原则是根据菌株的生理代谢特点，以加入或不加入某些物质来实现筛选。这为虚拟实验提供了理论基础。

2.统计菌落数目的原理

在虚拟实验的设计中，涉及统计土壤样品中细菌数量。这涉及常用的稀释涂布平板法。通过这一方法，我们能够推测土壤样品中活菌的数量。这种统计方法的背后基于样品的稀释度足够高，使得培养基表面生长的一个菌落来自样品中的一个活菌。虚拟实验中的这一统计原理有助于学生理解实验数据的获取方式。

（二）虚拟实验的意义

1.培养学生在虚拟实验中的实验方案设计和操作技能

虚拟实验设计中包括了实验方案、仪器、材料、用具和药品的选择，以及具体的实施步骤和时间安排等方面的考虑。学生通过虚拟实验的参与，能够提升实验设计和实验操作的技能，培养其对科学实验的整体认知。

2.虚拟环境中深化学生对微生物学的理解

通过虚拟实验，学生能够在虚拟环境中进行实验操作，拓宽了其实验视野。尤其在本研究中，学生能够了解土壤中分解尿素的细菌的特征、分布规律以及与尿素分解相关的生物过程，从而加深对微生物学的理解。

3.利用虚拟实验平台加强学生数据分析与实验设计技能

虚拟实验平台提供了实验数据的记录和分析功能，学生可以通过软件工具进行数据处理。这有助于培养学生的数据分析和实验设计的能力，使其更好地理解和利用实验结果。

二、虚拟实验教学在高中生物教育中的应用

随着科技的不断发展，虚拟实验教学在高中生物教育中的应用日益受到关注。本文将详细探讨虛拟实验在高中生物教学中的应用，以及其对学生学科知识、实验技能和科学思维能力的影响。

（一）虚拟实验平台的构建

1.理论支持与教学内容整合

在构建虚拟实验平台时，需要深入挖掘微生物学理论基础，尤其是微生物筛选、选择性培养基的原理等。将这些理论与教学内容进行整合，确保虚拟实验的设计符合高中生物教学大纲的要求，并能够全面展示相关概念和实验操作。

2.软硬件支持

为了保障虚拟实验平台的有效运行，需要合理配置软硬件资源。确保学生能够在虚拟环境中流畅地进行实验操作，同时提供必要的数据记录和分析工具，使学生能够全面了解实验结果。

（二）虚拟实验在高中生物教学中的应用

1.提升实验操作技能

通过虚拟实验，学生能够模拟真实实验的各个环节，包括土壤取样、培养基制备、微生物培养与观察、细菌计数等步骤。这有助于提升学生的实验操作技能，使其熟练掌握实验步骤和操作方法。

2.通过实验熟悉生物知识原理

虚拟实验不受实验条件的限制，使学生能够在更广泛的实验空间中进行学习。在本研究中，学生可以通过虚拟实验了解土壤中分解尿素的细菌的特征和生物过程，将抽象的生物学知识原理通过实验方式直观展现出来，提升教学的效果。

3.促进科学思维的培养

通过参与虚拟实验，学生需要运用科学思维解决实际问题。例如：在“分解尿素细菌的分离与计数”虚拟实验中，学生需考虑选择合适的培养基和实验条件，分析实验结果，从而培养了解决实际科学问题的思维方式。学生可以通过对实验数据的处理，培养数据分析的能力。此外，在实验设计方面，学生在虚拟环境中能够更灵活地设计实验方案，提高其实验设计的独立性和创

造性。

（三）教学效果评估与优化

1.学生学科知识掌握

通过虚拟实验的教学，可对学生学科知识进行测试和评估。教师可以借助虚拟实验平台收集学生在理论知识和实验操作方面的表现，从而全面评估学生对生物学概念的理解和应用能力。

2.教学方法的不断优化

虚拟实验教学应不断根据实际效果进行教学方法的优化。通过学生的反馈，教师可以了解到虚拟实验中存在的问题和不足，进而调整教学策略，提高虚拟实验的实际应用效果[2]。

三、分解尿素细菌的虚拟实验设计与实施

为了深入理解土壤中分解尿素的细菌的特性，本章将详细介绍虚拟实验的设计与实施过程。通过虚拟实验，学生将模拟实际实验操作，从而掌握微生物学相关知识和培养实验技能。

（一）虚拟实验设计

1.土壤取样

在虚拟实验中，我们精心选择了肥沃、湿润的土壤样品进行模拟实验。通过模拟铲去表层土和在距地表约3～8cm的土壤层取样的操作，我们获得了以下土壤样品：

土壤样品编号：A001

土壤特性：肥沃、湿润

pH值：7

这些土壤样品的选择旨在模拟实际土壤环境，为后续的微生物培养提供了适宜的基础条件。

2.制备培养基

在虚拟实验平台中，我们成功制备了两种培养基，分别是牛肉膏蛋白胨培养基和选择培养基，并进行了验证实验。

牛肉膏蛋白胨培养基生长的菌落数：120个

选择培养基生长的菌落数：20个

这一步的设计旨在验证培养基的选择性，确保选择培养基能够有效筛选目标微生物。

3.微生物的培养与观察

通过虚拟实验，模拟了土样依次等比稀释至107稀释度，并进行了涂布平板的操作。这一步的设计旨在模拟实验中常见的微生物培养与观察过程，为后续的数据分析奠定基础。

107稀释度的选择培养基平板上菌落数：80个

107稀释度的牛肉膏蛋白胨培养基平板上菌落数：150个

这些数据反映了不同培养基上微生物的生长情况，为后续的实验结果分析提供了翔实的数据支持。

4.细菌的计数

在虚拟实验中，我们进行了对选择培养基平板上菌落数的计数，以进一步了解不同培养基下细菌数量的差异。

107稀释度的选择培养基平板上的平均菌落数：75个

（二）实施过程中的注意事项

1.对照的设置

在虚拟实验中，我们特别强调了设置对照的重要性。通过设立对照组，我们能够有效比较选择培养基和对照培养基中菌落的数量，从而使学生更好地理解选择培养基是否具有筛选细菌的效果。这一步骤的设计不仅能够直观地展示实验的结果，还培养了学生对科学实验中对照组的认识，提升他们对实验设计的理解。

2.实验方案的调整

在虚拟实验中，我们模拟了对实验方案的调整过程。例如：可以调整培养温度和培养时间，观察其对实验结果的影响。通过引导学生思考和调整实验方案，我们旨在培养学生对实验设计的灵活性和创新性的认识。这一设计能够激发学生的实验兴趣，同时培养他们在实际实验中灵活应对问题的

能力。

（三）实验结果的分析

1.菌落数量比较

通过比较选择培养基和对照培养基中菌落的数量，我们发现选择培养基上的菌落数较少，说明其具有筛选细菌的效果。这一分析结果直观地展示了虚拟实验在模拟真实实验过程中的有效性，为学生提供了直观的实验结果数据，促使他们深刻理解选择培养基的作用。

2.实验结果验证

通过与对照组的对比，我们确认了选择培养基上的菌落主要是与尿素分解相关的细菌，进一步验证了虚拟实验的有效性。这一步骤不仅强调了验证实验结果的重要性，也使学生深入理解实验设计的合理性和科学性。验证结果的一致性增加了实验结果的可信度，帮助学生建立对实验数据可靠性的科学认知。

四、教学效果评估与分析

为了全面了解虚拟实验对学生学科知识、实验技能和科学思维能力的影响，本章将深入探讨教学效果的评估和分析。

（一）学科知识掌握情况

通过虚拟实验，学生积极参与了对分解尿素细菌特性的研究，因此在微生物学相关知识方面取得了显著的进展。

1.知识测验

为了全面了解学生对微生物学理论基础、实验操作步骤以及实验结果分析的理解程度，我们实施了一系列有针对性的知识测验。这些测验涵盖了从土壤取样到微生物培养与观察的各个环节，旨在检验学生对虚拟实验所涉及知识的深度理解。通过分析测验分数的分布情况，我们能够客观评估学生在虚拟实验中学科知识的掌握情况。

2.实验报告

除了知识测验外，我们要求学生提交详尽的实验报告。这份报告不仅包括实验的目的、设计、操作步骤，还要求对结果进行深入的分析。通过评估实验报告的质量，我们能够更细致地了解学生对实验过程和相关知识的理解和应用情况。实验报告不仅是对实验过程的记录，更是学生对实验结果进行思考和解释的机会，进一步促进了他们在微生物学领域的学科知识的掌握。

（二）实验技能提升

虚拟实验不仅是知识的传递工具，更着眼于提升学生的实验技能，使其具备更为熟练的实际操作能力。

1.操作技能测试

在虚拟实验平台上，我们通过对学生操作流程的测试来检查他们是否能够熟练进行各个实验步骤，包括土壤取样、培养基制备、微生物培养与观察、细菌计数等。这一项测试的目的在于验证学生是否能够准确而高效地应用所学的实验技能，直接反映虚拟实验对其实际操作能力的提升效果。通过定量化的测试结果，我们能够深入了解学生在虚拟实验中实验技能的水平，从而为后续的教学调整提供有力的依据。

2.实验技能自评

除了定量测试外，我们也强调学生对自己实验技能的自我认知。通过要求学生进行实验技能的自评估，我们可以了解学生在虚拟实验中对自己操作技能的认知与体会。这项自评估的目的在于激發学生对自身技能提升的自觉性，同时为教师提供学生对虚拟实验实用性的主观感受。学生的自我评价不仅是对实际技能水平的一种反映，更是对虚拟实验教学方式的一种评价。通过学生的主观反馈，我们可以更全面地了解虚拟实验对其实验技能的自我认知与提升效果，从而进一步改进虚拟实验的教学设计和实施方式。

（三）科学思维能力培养

科学思维是培养学生全面发展的重要组成部分，而虚拟实验的设计旨在通过解决实际问题的方式，促进学生深化科学思维。

1.问题解决能力测试

虚拟实验的教学目标之一是培养学生的问题解决能力。我们通过设计一系列与实验相关的问题，来测试学生在面对问题时的分析、推理和解决问题的能力。这些问题不仅覆盖实验设计和操作步骤，还包括对数据的分析和对实验结果的合理解释。通过问题解决能力测试，我们能够评估学生在虚拟实验中运用科学思维解决问题的水平，帮助他们培养逻辑思维和实际运用知识解决问题的能力。

2.实验设计评估

科学思维的培养需要学生具备对实验设计的深刻理解和评价能力。因此，我们要求学生进行关于虚拟实验设计的反思和评估。学生需要审视实验设计的合理性、可操作性和创新性等方面，从而深入了解虚拟实验对他们科学思维能力的培养效果。这项评估不仅能让学生从理论和实践的角度更好地理解科学思维，还能为他们提供评估和改进实验设计的机会。通过这一步骤，我们旨在激发学生对科学问题探讨的兴趣，培养他们批判性思考和创新性解决问题的意识，进一步提升他们的科学思维水平。

（四）教学效果的分析与调整

对教学效果进行细致分析并不断进行调整是教学改进的核心步骤。

1.学生反馈调查

学生反馈是了解教学效果的直接途径之一。通过学生反馈调查，我们可以深入了解学生对虚拟实验的看法、意见和建议。这一过程不仅包括对实验内容的评价，还涉及对虚拟实验平台的易用性、实验设计的清晰度等方面的评价。通过收集学生的反馈，我们能够及时发现教学中可能存在的问题，从而更具针对性地进行调整和改进。

2.教学方法优化

根据学生的学科知识水平、实验技能和科学思维能力的反馈，我们可以不断优化虚拟实验的教学方法。这包括对实验内容的调整、教学资源的更新，以及对学生反馈的问题进行有针对性的解决。通过细致的教学方法的调整，我们旨在提高虚拟实验的教学效果，使其更符合学生的学科水平和需求。同时，这也是一个动态的过程，不断调整和优化能够使虚拟实验在教学中发挥更好的作用。

结束语

通过本研究，我们在高中生物教学中尝试了虚拟实验的创新应用，并以分解尿素细菌的虚拟实验为例，取得了一定的成功。虚拟实验不仅能够提高学生的实验操作技能，还培养了其数據分析和实验设计的能力。然而，虚拟实验仍需在实践中不断完善，以适应不同教学环境和学科需求。未来，我们将继续深化虚拟实验的研究与实践，为高中生物教学的创新与发展提供更多有益的

经验。

参考文献

[1]罗志伟，沙小梅，张庆旺，等.虚拟仿真技术辅助设计高中生物学实验教学的策略研究[J].中学生物教学，2023（14）：19-22.

[2]李庆林.虚拟仿真实验在高中生物实验教学中的应用[J].学周刊，2022，33（33）：54-56.

本文系福州市教育信息技术研究2022年度立项课题“高中生物虚拟实验教学的实践创新研究”（立项编号：FZDJ2022B19）的阶段性成果。