基于NOBOOK虚拟仿真实验的生物学教学

张小丹

摘  要 利用NOBOOK虚拟仿真实验教学平台与传统教学相结合，克服传统课堂个别实验无法在课堂上实践的局限。以“植物生长素的发现”一节为例，利用NOBOOK虚拟实验，让学生体验科学史实验的过程，提高生物教学质量，落实核心素养的培养。

关键词 NOBOOK;实验;虚拟实验;生物学;核心素养;植物生长素

中图分类号：TP391.9    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2019）13-0046-03

1 前言

生物学是一门以实验为基础的自然科学，实验教学是生物学课程的特点，也是生物学教学的基本形式之一。新课标提倡有条件的学校可以充分利用多媒体、互联网及无线通信技术进行虚拟实验[1]。NOBOOK虚拟仿真实验（简称NB实验）平台是北京乐步教育科技有限公司于2014年打造的一款教学软件[2]，支持电子白板、台式机、一体机、平板电脑等终端使用。NB实验采用3D技术，实验材料和仪器高度仿真，利用鼠标即可完成实验操作并迅速观察到实验结果。NB实验可以克服某些实验安全性和时空的限制，提高生物教学质量，利于学生核心素养的培养。

2 教材内容分析

本节内容选自人教版高中《生物》（必修三）第3章第1节，主要内容是生长素发现的四个经典实验以及生长素合成、运输及作用部位。本节课之前，学生已经学习了动物和人体生命活动的调节，因此，本节内容是对前面知识的延伸，有利于学生对动植物生命活动调节方式的整体认识。四个经典实验前后联系，鲍森·詹森和拜尔的实验以达尔文的实验为基础;温特实验综合了鲍森·詹森和拜尔的实验，实验设计巧妙，逻辑严谨，是培养学生科学思维以及科学探究能力的良好素材。生长素的发现史历时半个多世纪，对植物向光性的研究一直延续至今，这有助于学生认识到科学探究是一个不断深化的过程，利于学生形成严谨的科学态度和乐于探索的科学精神。

3 学情分析

在本节课之前，学生学习了动物和人体生命活动的调节，对生命活动的调节已有前概念，如激素、反射、反射弧等。植物向光性是常见的生命现象，学生已有感性认识，但不明其本质。经过一年的学习，学生已经了解科学探究的过程及方法，具备一定的科学探究能力，能够自主设计实验并进行逻辑推理分析。该阶段学生的好奇心和求知欲较强，结合学生已有认知和心理特征，引導学生在NB实验中体验科学史实验，能提高学生学习生物的兴趣，促成学生核心素养的达成。

4 教学目标

1）知道植物的生命活动是一个系统的过程，是整体作用的结果。

2）体验科学史实验设计的巧妙与不足，对实验现象进行逻辑推理分析，对结果进行归纳概括，掌握科学的本质和科学研究的思路及方法。

3）运用科学研究的一般方法设计实验，在实验探究中敢于质疑，敢于创新，形成批判性思维和创造性思维。

4）根据所学知识能解释生活中与植物向光性相关的生命现象，形成正确的科学观。

5 教学策略与方法

受植物生长时间以及实验条件的限制，传统教学以教师“讲实验”或动画展示为主，课堂教学是静态灌输，学生的感性认识难以形成理性认识，学习积极性不高。因此，本节教学设计试图在电脑机房以NB实验辅助传统教学。教师通过层层设疑，组织学生自主设计实验方案，然后利用NB实验进行虚拟实验操作，推理分析实验现象，归纳概括实验结果，真正体验科学家实验的过程。

6 教学过程组织

故事导入，激发兴趣  向学生讲述达尔文的故事：

达尔文在环球航行时，为了饲养随身带的几只鸟，种了一种叫草芦的草。船舱很暗，只有窗户透射进阳光，达尔文发现草的幼苗总是朝着窗户的方向生长。达尔文提出进化论之后，晚年又利用金丝雀虉草的胚芽鞘对植物向光性进行了研究。

听完故事，学生注意力被吸引到课堂上。教师可趁机提问学生：是否见过植物向光生长的现象？为什么植物会向光生长？学生能想到植物向光生长的外因（单侧光照射），对内因却不清楚，产生认知冲突。

【设计意图】以故事导入，具有趣味性，能吸引学生的注意力。达尔文故事也为后面达尔文实验做背景铺垫，丰富教材内容，拓展学生的知识面。达尔文的故事还启发学生在生活中要善于观察、乐于探究，培养学生具备解决日常生活中生物学问题的担当和能力。

以问导学，引导探究  植物生长素发现过程的四个经典科学史实验环环相扣，是科学家一步一步探索而逐渐揭示科学本质的过程。教师以问题串引导学生沿着科学家的步伐主动探究，尝试自主设计实验方案，通过NB虚拟实验置身于科学实验过程，如临其境地体验科学的奥妙，习得生物学科学知识。

1）达尔文实验——初探。设疑：胚芽鞘弯曲生长，其感光部位在哪里？弯曲部位又在哪里？如何设计实验来探究这两个部位？提示实验材料：胚芽鞘、不透明小帽、透明小帽、不透明薄膜、刀片（如NB实验中仪器所示）。

引导学生设计实验方案，并预测实验结果。然后组织学生打开电脑桌面NB虚拟实验中的“达尔文发现生长素的实验”，进行NB虚拟实验操作，如图1、图2所示，实验现象如图2所示。教师设置问题串引导学生分析实验。

①教材中的达尔文实验并没有用透明小帽遮住胚芽鞘尖端，而在NB实验中为什么要设置透明小帽遮住胚芽鞘尖端？（排除不透明小帽的重力对胚芽鞘弯曲生长的影响，遵循单一变量原则以及无关变量对实验的影响。）

②实验中的自变量和因变量分别是什么？（自变量：胚芽鞘尖端的有无、胚芽鞘的感光部位。因变量：胚芽鞘弯曲生长。）

③分析实验现象，你能得出什么结论？（胚芽鞘弯曲生长与尖端有关，胚芽鞘弯曲生长的感光部位在尖端。）

④NB实验只能证明胚芽鞘弯曲生长与尖端有关，其弯曲生长的感光部位是尖端，但其弯曲部位还无法判断，你怎么设计实验来探究？（用不褪色的水笔在尖端处以及尖端下部划线，观察实验现象。）

在达尔文实验结束后，引导学生小结达尔文实验的结论：单侧光引起植物的向光生长;向光性与胚芽鞘尖端有

关;感光部位在胚芽鞘尖端。

2）鲍森·詹森和拜尔实验——再探。根据达尔文提出的假说（胚芽鞘尖端向伸长区传递某种“影响”，这种“影响”造成胚芽鞘伸长区背光侧比向光侧生长快，因而胚芽鞘向光弯曲生长），基于前面所学知识，教师可以引导学生思考：这种“影响”会不会是一种神经电信号呢？或者是一种类似于激素的化学物质呢？如果要证明“影响”是化学物质，并且能从胚芽鞘尖端运输到尖端下部，该如何设计实验来证明？通过逐步引导，学生根据提示，结合必修一“细胞的大小与物质运输的关系”实验中物质可以在琼脂中扩散，个别学生可能想到用琼脂进行实验;还有学生可能想到用玻璃进行实验。

经过思考和尝试设计实验方案之后，组织学生进行鲍森·詹森NB虚拟实验操作，如图3、图4、图5所示。实验现象如图5所示，引导学生对实验现象进行分析。

①鲍森·詹森的实验和你设计的实验一致吗？有什么不同？（缺少琼脂块的空白对照。）

②鲍森·詹森的实验现象说明了什么？（胚芽鞘尖端产生的“影响”能透过琼脂块向下传递。）

鲍森·詹森实验只能证明尖端产生的“影响”能透过琼脂块，但是胚芽鞘为什么弯曲生长还是无法解释？由此引出拜尔实验。组织学生分析拜尔实验。

①前面两位科学家的实验均是在光照条件下进行，为什么拜尔要选择在黑暗环境下进行实验？（排除光照对胚芽鞘弯曲生长的影响，控制单一变量。）

②你觉得拜尔实验设计的巧妙之处在哪里？（绝大部分学生能想到拜尔实验能说明尖端產生的“影响”分布不均匀，导致胚芽鞘弯曲生长。教师需要引导学生发现拜尔设计的实验也证明了尖端向下产生的“影响”不是电信号，而有可能是化学物质。）

3）温特实验——深化。鲍森·詹森和拜尔的实验能证明胚芽鞘尖端向下产生“影响”，“影响”分布不均匀，导致胚芽鞘弯曲生长。这种“影响”是否是一种化学物质还无法确定，该如何设计实验证明呢？教师设疑，引导学生结合前面几位科学家的实验结论设计出合理的实验方案，然后组织学生进行温特虚拟实验，如图6～图11所示，实验现象如图6～11所示，引导学生分析温特实验。

①教材中温特实验只是用接触有胚芽鞘尖端的琼脂块进行实验，并没有用空白琼脂块（没有接触尖端的琼脂块）进行实验，这样设计的理由是什么？刚刚你设计的实验方案中有没有设置空白对照？（排除琼脂块本身对胚芽鞘弯曲生长的干扰，控制单一变量原则。）经过鲍森·詹森实验，学生能意识到这里用空白琼脂块的理由，进一步掌握科学研究的方法及原则。

②温特实验的结果说明了什么？（胚芽鞘的弯曲生长确实是一种化学物质引的，温特把这种物质命名为生长素。）

③温特实验设计的巧妙之处是什么？（用琼脂块来代替胚芽鞘尖端进行实验，排除其他因素如气味、磁场等对胚芽鞘弯曲生长的影响，证明胚芽鞘弯曲生长的原因是尖端产生一种化学物质。）

7 评价与反思

整个过程以植物生长素的发现历程为脉络，教师设疑，引导学生思考并设计实验方案，结合NB实验一步一步地揭示植物向光生长的内因，学生自主探究而明其所以然。因此，知识的形成是主动构建的，学生是课堂的主人，体现了“生本”理念。NB实验具有“亲临感”和“逼真感”，学生的学习是深度学习，能更好地掌握科学研究的方法及原则，体验科学家实验设计的巧妙以及严谨的科学探究态度。

当然，NB实验也存在一些不足，其实验步骤以及现象都是预设好的，不利于学生创新思维能力的培养。虚拟实验毕竟不是实体，学生只能看、不能摸，没有切身体会。虚拟实验可重复进行，学生可能没有像在真实实验中那么严谨细致。因此，教师在实验教学中应以真实实验为主，考虑到安全性、时空限制等因素，则可以辅助NB虚拟实验进行教学。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017版）[S].北京：人民教育出版社，2018.

[2]乐步教育.NOBOOK虚拟仿真实验平台[EB/OL].https：//www.nobook.com/.