王志剛 楊青香 王麗莉 郭玉風(fēng) 李一婧

摘?要：高中生物實(shí)驗(yàn)“DNA粗提取與鑒定”是《生物技術(shù)實(shí)踐》專題五“DNA和蛋白質(zhì)技術(shù)”的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)之一。為擴(kuò)展教師教學(xué)的資源，本文基于“鑫銳虛擬現(xiàn)實(shí)課程開發(fā)平臺(tái)（XRCS）”，對(duì)“DNA粗提取與鑒定”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)_本的設(shè)計(jì)，涵蓋了“DNA粗提取與鑒定”實(shí)驗(yàn)的知識(shí)點(diǎn)10個(gè)、教學(xué)實(shí)訓(xùn)任務(wù)7個(gè)、實(shí)驗(yàn)步驟15個(gè)、操作環(huán)節(jié)28個(gè)、操作動(dòng)作122個(gè)，總計(jì)知識(shí)設(shè)計(jì)182個(gè)。各知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用對(duì)象、拍攝手法、教學(xué)流程、關(guān)鍵詞以及功能設(shè)計(jì)5部分的策劃設(shè)計(jì)。通過對(duì)“DNA粗提取與鑒定實(shí)驗(yàn)”的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，達(dá)成培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究和核心素養(yǎng)的能力，開發(fā)出符合新時(shí)代中學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求的教育教學(xué)資源，為今后生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)施開辟了新途徑。

關(guān)鍵詞：高中生物實(shí)驗(yàn)；DNA粗提取與鑒定；虛擬仿真

虛擬仿真（VR）實(shí)驗(yàn)是由人工模擬的三維形式的逼真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，通過多媒體和計(jì)算機(jī)技術(shù)，將生物實(shí)驗(yàn)的情景呈現(xiàn)在電子屏幕上，讓VR實(shí)驗(yàn)者有真實(shí)實(shí)驗(yàn)室的體驗(yàn)，并且具備良好的交互性、沉浸性和想象性等特點(diǎn)。它突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在時(shí)間和空間上的限制，且能有效地改善教育資源分配不均的問題，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展開辟新途徑。

在高中生物學(xué)習(xí)中，實(shí)驗(yàn)的作用非常重要，是提高學(xué)生探究和創(chuàng)新能力的重要手段。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在專業(yè)實(shí)驗(yàn)人員匱乏和實(shí)驗(yàn)設(shè)備不完善等問題?！读x務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》第六項(xiàng)第五點(diǎn)就提及了推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)與教學(xué)深度融合，要求教師應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)手段開發(fā)和利用數(shù)字化教學(xué)資源。在該課標(biāo)中，提到實(shí)驗(yàn)91次，并提到教師應(yīng)具備虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)能力。

本VR實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以高中生物實(shí)驗(yàn)“DNA的粗提取與鑒定”為研究對(duì)象，進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，基于鑫銳虛擬現(xiàn)實(shí)課程開發(fā)平臺(tái)（XRCS），構(gòu)建實(shí)驗(yàn)?zāi)_本及設(shè)計(jì)方案，完成了該虛擬實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)流程。通過探索其在中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究和核心素養(yǎng)的能力。

1?“DNA粗提取與鑒定”虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

對(duì)于本VR實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)內(nèi)容腳本編寫，即對(duì)該實(shí)驗(yàn)的基本信息和課程介紹進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，基本信息主要從教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)方法以及教輔材料展開，課程介紹從實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)儀器與試劑、實(shí)驗(yàn)過程、考核方式等一系列內(nèi)容展開，如圖1所示。

1.1?基本信息

本實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)依據(jù)2022版生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)的核心素養(yǎng)制定。學(xué)生掌握DNA的結(jié)構(gòu)、功能、DNA粗提取與鑒定的原理和方法，理解結(jié)構(gòu)與功能相適應(yīng)的生命觀；學(xué)生通過查閱資料和比較遷移，選擇不同實(shí)驗(yàn)材料和方法，對(duì)原有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，培養(yǎng)創(chuàng)造性和批判性的發(fā)展性思維；通過小組分工合作，比較和分析不同提取方法對(duì)DNA提取量和純度的影響，領(lǐng)悟“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、交流討論”等科學(xué)探究方法；體會(huì)科學(xué)研究的艱辛和成功的樂趣，初步養(yǎng)成求實(shí)、創(chuàng)新及勇于探究的科學(xué)精神和態(tài)度。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)通過“VR實(shí)驗(yàn)+線下課堂”教學(xué)模式進(jìn)行混合式教學(xué)。學(xué)生首先進(jìn)行VR實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)完整的操作過程，對(duì)實(shí)驗(yàn)有初步了解，并且掌握該實(shí)驗(yàn)的原理操作、結(jié)果分析和注意事項(xiàng)。學(xué)生可反復(fù)練習(xí)直至熟練掌握實(shí)驗(yàn)操作，當(dāng)線上成績合格后，學(xué)生即可申請(qǐng)線下實(shí)驗(yàn)操作。完成后，通過“過程性評(píng)價(jià)+總結(jié)性評(píng)價(jià)”的方式進(jìn)行評(píng)價(jià)。學(xué)生學(xué)習(xí)VR實(shí)驗(yàn)后，利用平臺(tái)設(shè)置的考題進(jìn)行自測，隨后填寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，平臺(tái)對(duì)VR實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)過程進(jìn)行考核，最終形成總結(jié)性評(píng)價(jià)。VR實(shí)驗(yàn)過程中，平臺(tái)對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋，讓學(xué)生學(xué)會(huì)自主學(xué)習(xí)和不斷課后反思的習(xí)慣。多種考核方式也將對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)應(yīng)用能力和實(shí)驗(yàn)效果進(jìn)行反饋，以提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

1.2?課程介紹

該實(shí)驗(yàn)的課程介紹包括實(shí)驗(yàn)原理、所需儀器和試劑、操作過程。具體如圖2、圖3所示。

1.3?考核方法

本VR實(shí)驗(yàn)過程性考核內(nèi)容以實(shí)驗(yàn)考試/考核、VR實(shí)驗(yàn)操作賦分模型、實(shí)驗(yàn)報(bào)告三種形式評(píng)價(jià)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果?；谡n程標(biāo)準(zhǔn)及考綱內(nèi)容要求，可對(duì)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中知識(shí)點(diǎn)和技能掌握情況設(shè)置試卷；對(duì)VR實(shí)驗(yàn)的每一項(xiàng)操作從步驟用時(shí)、步驟滿分、步驟達(dá)成度和成績類型四方面進(jìn)行賦分設(shè)計(jì)；書寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，需要寫清楚實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑢?shí)驗(yàn)原理，實(shí)驗(yàn)儀器、試劑和材料，實(shí)驗(yàn)操作步驟、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)，結(jié)果與分析。教師可通過平臺(tái)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告掌握學(xué)生對(duì)虛擬實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的情況。

2?“DNA粗提取與鑒定”實(shí)驗(yàn)策劃流程

完成上述實(shí)驗(yàn)?zāi)_本編寫后，對(duì)實(shí)驗(yàn)的知識(shí)點(diǎn)從課程知識(shí)策劃和實(shí)訓(xùn)任務(wù)策劃兩部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1?課程知識(shí)策劃

該實(shí)驗(yàn)課程策劃中，角色策劃應(yīng)用單一角色VS機(jī)器，策劃的邏輯結(jié)構(gòu)應(yīng)用單線串/并聯(lián)。課程介紹策劃部分，設(shè)計(jì)知識(shí)點(diǎn)10個(gè)，分別為生物實(shí)驗(yàn)室安全常識(shí)、實(shí)驗(yàn)儀器和器皿的使用、化學(xué)試劑的配制、實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)材料的選擇、樣品預(yù)處理、DNA的粗提取、DNA的鑒定、結(jié)果與分析和資料拓展。在實(shí)訓(xùn)任務(wù)策劃部分，設(shè)計(jì)任務(wù)7個(gè)、實(shí)驗(yàn)步驟15個(gè)、操作環(huán)節(jié)28個(gè)、操作動(dòng)作122個(gè)，總計(jì)策劃知識(shí)點(diǎn)172個(gè)。對(duì)于每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)，分別從應(yīng)用對(duì)象、拍攝手法、教學(xué)流程、關(guān)鍵詞和功能設(shè)計(jì)這五方面進(jìn)行對(duì)應(yīng)呈現(xiàn)方式的策劃。

2.2?課程流程圖繪制

本VR實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的主流程有7個(gè)，分別包括實(shí)驗(yàn)室安全、實(shí)驗(yàn)儀器和器皿的正確使用、配制試劑、樣品的預(yù)處理、DNA的粗提取、DNA的鑒定、結(jié)果與分析。學(xué)生進(jìn)入VR實(shí)訓(xùn)階段后，依次以上述7個(gè)主流程進(jìn)行模擬實(shí)操。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室安全部分，學(xué)生可學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)室規(guī)章制度、檢查實(shí)驗(yàn)者實(shí)驗(yàn)衣著、了解實(shí)驗(yàn)室安全設(shè)施、儀器和試劑的安全常識(shí)以及實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)急處理5部分內(nèi)容。隨即進(jìn)入實(shí)驗(yàn)儀器、器皿的正確使用部分，學(xué)生分別學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)儀器和玻璃器皿的正確使用，其中，實(shí)驗(yàn)儀器2個(gè)、玻璃器皿9個(gè)，包括使用方法和對(duì)應(yīng)的注意事項(xiàng)。該部分內(nèi)容完成后，學(xué)生進(jìn)入下一個(gè)流程，即配制試劑。本VR實(shí)驗(yàn)共需要試劑6種，分別為研磨液、二苯胺試劑、HCl溶液（2mol/L）、NaCl溶液（2mol/L）、NaCl溶液（0.14mol/L）和檸檬酸鈉溶液（0.1g/mL），學(xué)生學(xué)習(xí)并掌握對(duì)應(yīng)試劑的配制方法。下一部分是樣品預(yù)處理，對(duì)于本VR實(shí)驗(yàn)的材料，選擇的原則是含有DNA的材料。本VR實(shí)驗(yàn)選擇了2種材料，分別為雞血紅細(xì)胞和菜花。下一步，學(xué)生學(xué)習(xí)DNA的粗提取，其包括破碎細(xì)胞獲取濾液、去除雜質(zhì)和DNA的析出3部分。通過這一系列的操作，學(xué)生隨即提取到所需要的白色絲狀物。最后一步即為DNA的鑒定，來檢驗(yàn)提取物質(zhì)是否為DNA，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與分析。

對(duì)本VR實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)正常完成時(shí)間為2小時(shí)。學(xué)生進(jìn)入VR學(xué)習(xí)界面后，每一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的學(xué)習(xí)，都會(huì)設(shè)置不同的關(guān)卡，學(xué)生通過選擇關(guān)卡來完成VR實(shí)驗(yàn)的完整體驗(yàn)。在整個(gè)流程中，并列設(shè)置多種實(shí)驗(yàn)方向，學(xué)生通過選擇實(shí)驗(yàn)方向來學(xué)習(xí)，當(dāng)然，學(xué)生也可以學(xué)習(xí)全部的實(shí)驗(yàn)方向，以此來擴(kuò)充自己的知識(shí)面。例如，在實(shí)驗(yàn)材料選擇部分，有2種材料的選擇，學(xué)生可以選擇動(dòng)物材料，也可以選擇植物材料。選擇不同的實(shí)驗(yàn)材料，都可以完成后續(xù)的VR實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，學(xué)生也可以完成2種材料的學(xué)習(xí)。在去除雜質(zhì)部分，設(shè)計(jì)了3種去雜方案，分別為根據(jù)控制NaCl溶液濃度去除雜質(zhì)、DNA對(duì)高溫的耐受性以及DNA對(duì)酶的耐受性去除雜質(zhì)。學(xué)生可以選擇任何一種去雜方案，來完成后續(xù)的學(xué)習(xí)。

3?結(jié)論

本VR實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)基于“XRCS虛擬現(xiàn)實(shí)課程開發(fā)平臺(tái)”，對(duì)“DNA粗提取與鑒定”實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)_本的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)方案的策劃，設(shè)計(jì)內(nèi)容涵蓋了“DNA粗提取與鑒定”實(shí)驗(yàn)的知識(shí)點(diǎn)10個(gè)、教學(xué)實(shí)訓(xùn)任務(wù)7個(gè)、實(shí)驗(yàn)步驟15個(gè)、操作環(huán)節(jié)28個(gè)、操作動(dòng)作122個(gè)，總計(jì)知識(shí)設(shè)計(jì)182個(gè)。各知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行應(yīng)用對(duì)象、拍攝手法、教學(xué)流程、關(guān)鍵詞以及功能設(shè)計(jì)5部分的策劃設(shè)計(jì)。充分利用了文字、圖片以及動(dòng)畫視頻等數(shù)字化資源，模擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)，給學(xué)生提供了新的學(xué)習(xí)方法。通過優(yōu)化教學(xué)過程，來直觀、生動(dòng)地體現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，采用文字、表格、流程圖等方式將VR實(shí)驗(yàn)內(nèi)容呈現(xiàn)在報(bào)告內(nèi)容中，以此來鑒定教師能否依據(jù)核心素養(yǎng)制定教學(xué)目標(biāo)。將VR實(shí)驗(yàn)課程與教學(xué)融合，培養(yǎng)出能依據(jù)核心素養(yǎng)制定教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)過程中重視探究活動(dòng)的教師，還要培養(yǎng)敢于突破限制，發(fā)掘新教學(xué)資源的教師。

參考文獻(xiàn)：

［1］汪言家，王晶晶.國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程共享平臺(tái)在高中生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中學(xué)生物教學(xué)，2022，388（11）：3234.

［2］Xia?S，Gao?Y，Zhang?B.Teaching?Strategies?of?Biological?Experiments?in?Middle?Schools?Based?on?VR?Technology［J］.IEEE?Access，2020（1）：19.

［3］中華人民共和國教育部.義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：3739.

［4］中華人民共和國教育部.教育部關(guān)于公布2018年度國家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目認(rèn)定結(jié)果的通知［EB/OL］.http：//www.moe.gov.cn/srcsite/A08/s7945/s7946/201903/t20190326_375434.html.

［5］李慶林.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.學(xué)周刊，2022（33）：5456.

［6］劉慧萍，張國民，陽力爭，等.基于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)技術(shù)的生化實(shí)驗(yàn)教學(xué)初探［J］.中國中醫(yī)藥現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育，2014，12（14）：8587.

基金項(xiàng)目：甘肅省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題：基于OBE理念的生物制藥類專業(yè)課程“四維一體”模塊化體系構(gòu)建（編號(hào)：GS［2020］GHB4819）

作者簡介：王志剛（1981—?），男，甘肅天水人，本科，天水市羅玉中學(xué)教師，從事中學(xué)生物等課程教學(xué)。

*通訊作者：李一婧（1981—?），女，甘肅正寧人，碩士研究生，天水師范學(xué)院生物工程與技術(shù)學(xué)院副教授，從事生物化學(xué)等課程教學(xué)。