嚴(yán)小燕

摘 要：本研究以高中生物虛擬實驗教學(xué)為主題，以“土壤中分解尿素的細(xì)菌的分離與計數(shù)”為例展開實踐創(chuàng)新研究。通過虛擬實驗平臺的構(gòu)建與應(yīng)用，旨在提升學(xué)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(xì)描述了“分解尿素的細(xì)菌的分離與計數(shù)”的虛擬實驗設(shè)計及實施過程，最后通過對實驗結(jié)果的分析與總結(jié)，評估了虛擬實驗在高中生物教學(xué)中的實際應(yīng)用效果，為未來虛擬實驗的開展提供了有益的經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：高中生物；虛擬實驗；實踐創(chuàng)新；尿素分解細(xì)菌；教學(xué)效果

高中生物教學(xué)作為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)，需要不斷適應(yīng)時代變革的需求，采用新的教學(xué)手段提升教學(xué)效果。虛擬實驗作為一種新興的教學(xué)方式，為學(xué)生提供了更廣泛的實踐機會，同時減少了實驗設(shè)備的使用和實驗環(huán)境的限制。本文將以“土壤中分解尿素的細(xì)菌的分離與計數(shù)”為例，探討虛擬實驗在高中生物教學(xué)中的實踐創(chuàng)新研究，旨在為推動生物教學(xué)質(zhì)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(xué)中引入虛擬實驗，不僅需要關(guān)注教學(xué)內(nèi)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(xì)菌的分離與計數(shù)”為例，結(jié)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(xué)中的意義。

（一）虛擬實驗背景

1.實驗設(shè)計的理論基礎(chǔ)

虛擬實驗的背景之一是基于微生物學(xué)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(xì)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(yǎng)基，具體選擇培養(yǎng)的原則是根據(jù)菌株的生理代謝特點，以加入或不加入某些物質(zhì)來實現(xiàn)篩選。這為虛擬實驗提供了理論基礎(chǔ)。

2.統(tǒng)計菌落數(shù)目的原理

在虛擬實驗的設(shè)計中，涉及統(tǒng)計土壤樣品中細(xì)菌數(shù)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(shù)量。這種統(tǒng)計方法的背后基于樣品的稀釋度足夠高，使得培養(yǎng)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(tǒng)計原理有助于學(xué)生理解實驗數(shù)據(jù)的獲取方式。

（二）虛擬實驗的意義

1.培養(yǎng)學(xué)生在虛擬實驗中的實驗方案設(shè)計和操作技能

虛擬實驗設(shè)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(xué)生通過虛擬實驗的參與，能夠提升實驗設(shè)計和實驗操作的技能，培養(yǎng)其對科學(xué)實驗的整體認(rèn)知。

2.虛擬環(huán)境中深化學(xué)生對微生物學(xué)的理解

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

3.利用虛擬實驗平臺加強學(xué)生數(shù)據(jù)分析與實驗設(shè)計技能

虛擬實驗平臺提供了實驗數(shù)據(jù)的記錄和分析功能，學(xué)生可以通過軟件工具進行數(shù)據(jù)處理。這有助于培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)據(jù)分析和實驗設(shè)計的能力，使其更好地理解和利用實驗結(jié)果。

二、虛擬實驗教學(xué)在高中生物教育中的應(yīng)用

隨著科技的不斷發(fā)展，虛擬實驗教學(xué)在高中生物教育中的應(yīng)用日益受到關(guān)注。本文將詳細(xì)探討虛擬實驗在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用，以及其對學(xué)生學(xué)科知識、實驗技能和科學(xué)思維能力的影響。

（一）虛擬實驗平臺的構(gòu)建

1.理論支持與教學(xué)內(nèi)容整合

在構(gòu)建虛擬實驗平臺時，需要深入挖掘微生物學(xué)理論基礎(chǔ)，尤其是微生物篩選、選擇性培養(yǎng)基的原理等。將這些理論與教學(xué)內(nèi)容進行整合，確保虛擬實驗的設(shè)計符合高中生物教學(xué)大綱的要求，并能夠全面展示相關(guān)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(xué)生能夠在虛擬環(huán)境中流暢地進行實驗操作，同時提供必要的數(shù)據(jù)記錄和分析工具，使學(xué)生能夠全面了解實驗結(jié)果。

（二）虛擬實驗在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用

1.提升實驗操作技能

通過虛擬實驗，學(xué)生能夠模擬真實實驗的各個環(huán)節(jié)，包括土壤取樣、培養(yǎng)基制備、微生物培養(yǎng)與觀察、細(xì)菌計數(shù)等步驟。這有助于提升學(xué)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(xué)生能夠在更廣泛的實驗空間中進行學(xué)習(xí)。在本研究中，學(xué)生可以通過虛擬實驗了解土壤中分解尿素的細(xì)菌的特征和生物過程，將抽象的生物學(xué)知識原理通過實驗方式直觀展現(xiàn)出來，提升教學(xué)的效果。

3.促進科學(xué)思維的培養(yǎng)

通過參與虛擬實驗，學(xué)生需要運用科學(xué)思維解決實際問題。例如：在“分解尿素細(xì)菌的分離與計數(shù)”虛擬實驗中，學(xué)生需考慮選擇合適的培養(yǎng)基和實驗條件，分析實驗結(jié)果，從而培養(yǎng)了解決實際科學(xué)問題的思維方式。學(xué)生可以通過對實驗數(shù)據(jù)的處理，培養(yǎng)數(shù)據(jù)分析的能力。此外，在實驗設(shè)計方面，學(xué)生在虛擬環(huán)境中能夠更靈活地設(shè)計實驗方案，提高其實驗設(shè)計的獨立性和創(chuàng)

造性。

（三）教學(xué)效果評估與優(yōu)化

1.學(xué)生學(xué)科知識掌握

通過虛擬實驗的教學(xué)，可對學(xué)生學(xué)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(xué)生在理論知識和實驗操作方面的表現(xiàn)，從而全面評估學(xué)生對生物學(xué)概念的理解和應(yīng)用能力。

2.教學(xué)方法的不斷優(yōu)化

虛擬實驗教學(xué)應(yīng)不斷根據(jù)實際效果進行教學(xué)方法的優(yōu)化。通過學(xué)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(diào)整教學(xué)策略，提高虛擬實驗的實際應(yīng)用效果[2]。

三、分解尿素細(xì)菌的虛擬實驗設(shè)計與實施

為了深入理解土壤中分解尿素的細(xì)菌的特性，本章將詳細(xì)介紹虛擬實驗的設(shè)計與實施過程。通過虛擬實驗，學(xué)生將模擬實際實驗操作，從而掌握微生物學(xué)相關(guān)知識和培養(yǎng)實驗技能。

（一）虛擬實驗設(shè)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(huán)境，為后續(xù)的微生物培養(yǎng)提供了適宜的基礎(chǔ)條件。

2.制備培養(yǎng)基

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

牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基生長的菌落數(shù)：120個

選擇培養(yǎng)基生長的菌落數(shù)：20個

這一步的設(shè)計旨在驗證培養(yǎng)基的選擇性，確保選擇培養(yǎng)基能夠有效篩選目標(biāo)微生物。

3.微生物的培養(yǎng)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(shè)計旨在模擬實驗中常見的微生物培養(yǎng)與觀察過程，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)。

107稀釋度的選擇培養(yǎng)基平板上菌落數(shù)：80個

107稀釋度的牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基平板上菌落數(shù)：150個

這些數(shù)據(jù)反映了不同培養(yǎng)基上微生物的生長情況，為后續(xù)的實驗結(jié)果分析提供了翔實的數(shù)據(jù)支持。

4.細(xì)菌的計數(shù)

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

107稀釋度的選擇培養(yǎng)基平板上的平均菌落數(shù)：75個

（二）實施過程中的注意事項

1.對照的設(shè)置

在虛擬實驗中，我們特別強調(diào)了設(shè)置對照的重要性。通過設(shè)立對照組，我們能夠有效比較選擇培養(yǎng)基和對照培養(yǎng)基中菌落的數(shù)量，從而使學(xué)生更好地理解選擇培養(yǎng)基是否具有篩選細(xì)菌的效果。這一步驟的設(shè)計不僅能夠直觀地展示實驗的結(jié)果，還培養(yǎng)了學(xué)生對科學(xué)實驗中對照組的認(rèn)識，提升他們對實驗設(shè)計的理解。

2.實驗方案的調(diào)整

在虛擬實驗中，我們模擬了對實驗方案的調(diào)整過程。例如：可以調(diào)整培養(yǎng)溫度和培養(yǎng)時間，觀察其對實驗結(jié)果的影響。通過引導(dǎo)學(xué)生思考和調(diào)整實驗方案，我們旨在培養(yǎng)學(xué)生對實驗設(shè)計的靈活性和創(chuàng)新性的認(rèn)識。這一設(shè)計能夠激發(fā)學(xué)生的實驗興趣，同時培養(yǎng)他們在實際實驗中靈活應(yīng)對問題的

能力。

（三）實驗結(jié)果的分析

1.菌落數(shù)量比較

通過比較選擇培養(yǎng)基和對照培養(yǎng)基中菌落的數(shù)量，我們發(fā)現(xiàn)選擇培養(yǎng)基上的菌落數(shù)較少，說明其具有篩選細(xì)菌的效果。這一分析結(jié)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(xué)生提供了直觀的實驗結(jié)果數(shù)據(jù)，促使他們深刻理解選擇培養(yǎng)基的作用。

2.實驗結(jié)果驗證

通過與對照組的對比，我們確認(rèn)了選擇培養(yǎng)基上的菌落主要是與尿素分解相關(guān)的細(xì)菌，進一步驗證了虛擬實驗的有效性。這一步驟不僅強調(diào)了驗證實驗結(jié)果的重要性，也使學(xué)生深入理解實驗設(shè)計的合理性和科學(xué)性。驗證結(jié)果的一致性增加了實驗結(jié)果的可信度，幫助學(xué)生建立對實驗數(shù)據(jù)可靠性的科學(xué)認(rèn)知。

四、教學(xué)效果評估與分析

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

（一）學(xué)科知識掌握情況

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

1.知識測驗

為了全面了解學(xué)生對微生物學(xué)理論基礎(chǔ)、實驗操作步驟以及實驗結(jié)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(yǎng)與觀察的各個環(huán)節(jié)，旨在檢驗學(xué)生對虛擬實驗所涉及知識的深度理解。通過分析測驗分?jǐn)?shù)的分布情況，我們能夠客觀評估學(xué)生在虛擬實驗中學(xué)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(xué)生提交詳盡的實驗報告。這份報告不僅包括實驗的目的、設(shè)計、操作步驟，還要求對結(jié)果進行深入的分析。通過評估實驗報告的質(zhì)量，我們能夠更細(xì)致地了解學(xué)生對實驗過程和相關(guān)知識的理解和應(yīng)用情況。實驗報告不僅是對實驗過程的記錄，更是學(xué)生對實驗結(jié)果進行思考和解釋的機會，進一步促進了他們在微生物學(xué)領(lǐng)域的學(xué)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(xué)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(xué)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(yǎng)基制備、微生物培養(yǎng)與觀察、細(xì)菌計數(shù)等。這一項測試的目的在于驗證學(xué)生是否能夠準(zhǔn)確而高效地應(yīng)用所學(xué)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(jié)果，我們能夠深入了解學(xué)生在虛擬實驗中實驗技能的水平，從而為后續(xù)的教學(xué)調(diào)整提供有力的依據(jù)。

2.實驗技能自評

除了定量測試外，我們也強調(diào)學(xué)生對自己實驗技能的自我認(rèn)知。通過要求學(xué)生進行實驗技能的自評估，我們可以了解學(xué)生在虛擬實驗中對自己操作技能的認(rèn)知與體會。這項自評估的目的在于激發(fā)學(xué)生對自身技能提升的自覺性，同時為教師提供學(xué)生對虛擬實驗實用性的主觀感受。學(xué)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(xué)方式的一種評價。通過學(xué)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(rèn)知與提升效果，從而進一步改進虛擬實驗的教學(xué)設(shè)計和實施方式。

（三）科學(xué)思維能力培養(yǎng)

科學(xué)思維是培養(yǎng)學(xué)生全面發(fā)展的重要組成部分，而虛擬實驗的設(shè)計旨在通過解決實際問題的方式，促進學(xué)生深化科學(xué)思維。

1.問題解決能力測試

虛擬實驗的教學(xué)目標(biāo)之一是培養(yǎng)學(xué)生的問題解決能力。我們通過設(shè)計一系列與實驗相關(guān)的問題，來測試學(xué)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(shè)計和操作步驟，還包括對數(shù)據(jù)的分析和對實驗結(jié)果的合理解釋。通過問題解決能力測試，我們能夠評估學(xué)生在虛擬實驗中運用科學(xué)思維解決問題的水平，幫助他們培養(yǎng)邏輯思維和實際運用知識解決問題的能力。

2.實驗設(shè)計評估

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

（四）教學(xué)效果的分析與調(diào)整

對教學(xué)效果進行細(xì)致分析并不斷進行調(diào)整是教學(xué)改進的核心步驟。

1.學(xué)生反饋調(diào)查

學(xué)生反饋是了解教學(xué)效果的直接途徑之一。通過學(xué)生反饋調(diào)查，我們可以深入了解學(xué)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(nèi)容的評價，還涉及對虛擬實驗平臺的易用性、實驗設(shè)計的清晰度等方面的評價。通過收集學(xué)生的反饋，我們能夠及時發(fā)現(xiàn)教學(xué)中可能存在的問題，從而更具針對性地進行調(diào)整和改進。

2.教學(xué)方法優(yōu)化

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

結(jié)束語

通過本研究，我們在高中生物教學(xué)中嘗試了虛擬實驗的創(chuàng)新應(yīng)用，并以分解尿素細(xì)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(xué)生的實驗操作技能，還培養(yǎng)了其數(shù)據(jù)分析和實驗設(shè)計的能力。然而，虛擬實驗仍需在實踐中不斷完善，以適應(yīng)不同教學(xué)環(huán)境和學(xué)科需求。未來，我們將繼續(xù)深化虛擬實驗的研究與實踐，為高中生物教學(xué)的創(chuàng)新與發(fā)展提供更多有益的

經(jīng)驗。

參考文獻

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

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

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