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(yǎng)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(yǎng)的虛擬實驗，能有效彌補傳統(tǒng)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(yǎng)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(yǎng)

［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(tǒng)中，采用虛擬現(xiàn)實技術實現(xiàn)的各種虛擬實驗環(huán)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(tǒng)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(yǎng)實驗不便開展，對植物組織培養(yǎng)實驗的教學效果造成一定的影響。2019年11月，教育部印發(fā)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(xiàn)。用虛擬仿真實驗的方式呈現(xiàn)植物組織培養(yǎng)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(yǎng)實驗的步驟、結(jié)果，提升學生的動手實驗能力，有效實現(xiàn)教學目標。

一、教學內(nèi)容分析

“植物組織培養(yǎng)技術”是人教版生物學選擇性必修3第2章第1節(jié)的內(nèi)容，以人教版生物學必修1和選擇性必修1中的內(nèi)容為前期知識基礎。本節(jié)課能為后續(xù)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(nèi)容奠定基礎。通過本節(jié)課的學習，學生能清晰地理解植物組織培養(yǎng)的概念以及原理，并能通過虛擬實驗全面認識植物組織培養(yǎng)的過程，進一步發(fā)展科學思維和科學探究能力。

二、學情分析

高二學生已經(jīng)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(fā)酵工程，對微生物的基本培養(yǎng)技術較為了解，知道培養(yǎng)基的分類和作用并會配制微生物培養(yǎng)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?？梢哉f，他們基本符合進行虛擬仿真實驗的條件。這為本節(jié)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(yǎng)的條件，學會運用結(jié)構與功能觀、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，學會運用歸納與概括等科學思維，能夠繪制植物組織培養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)的實驗過程。

五、教學過程

（一）設疑導入，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(yǎng)生奢侈品。那時，1公斤鐵皮石斛可以換12噸小麥?！苯又?，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(yǎng)出大量的鐵皮石斛？”引出本節(jié)課的教學內(nèi)容——植物組織培養(yǎng)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(lián)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(yǎng)學生保護森林、愛護環(huán)境的意識；最后以問題引導學生認識到植物組織培養(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(yǎng)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(nèi)沒有表現(xiàn)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(yǎng)？”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(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生共同討論植物組織培養(yǎng)實驗需要注意的事項，如無菌環(huán)境、溫度、實驗操作、培養(yǎng)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(yǎng)的概念；讓學生以小組為單位進行討論，激發(fā)學生的學習興趣；根據(jù)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(yǎng)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(fā)）后，讓學生登錄該平臺，進行植物組織培養(yǎng)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(yǎng)；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?shù)那闆r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(xiàn)場。”在超凈工作臺進行實驗時，教師要強調(diào)無菌操作及實驗安全注意事項。實驗結(jié)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(yǎng)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(diào)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(yǎng)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(jié)束后進行提問引導，幫助學生明確相應概念。

（五）課堂小結(jié)，鞏固提升

教師先讓學生繪制植物組織培養(yǎng)流程圖，對本節(jié)課的知識進行小結(jié)，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(yǎng)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(yǎng)流程圖的目的是引導學生梳理和總結(jié)知識，培養(yǎng)學生的總結(jié)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(yǎng)實驗的印象，拓展學生知識的廣度和寬度。

六、總結(jié)與反思

“植物組織培養(yǎng)技術”教學以虛實結(jié)合的“線上+線下”的方式開展，能激發(fā)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(yǎng)實驗有直觀的感受后，便能更好地理解植物組織培養(yǎng)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(fā)展學生的核心素養(yǎng)。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?shù)貞锰摂M仿真實驗，可以激發(fā)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(jié)合，能實勿虛，相互補充”的應用原則，從而更好地發(fā)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）