AI赋能的高中生物学实验前置训练设计与实践——以“酵母菌种群数量的变化”为例

陈  蝶¹， 李从虎²， 程  旭²

1.枣阳市师苑高级中学， 湖北  枣阳

2. 安庆师范大学  生命科学学院， 安徽  安庆

一、 引言

当前， 高中生物学实验正处于数字化转型的关键时期， 一方面， 信息技术的发展突破了时间和空间的限制， 使得学习者打开电子设备就可学习， 另一方面， 不同地区、 不同实验室的教学资源存在显著差异， 如虚拟仿真实验的顺利运行对硬件设备要求较高， 需要高性能的计算机， 而各类虚拟实验系统之间的数据不共享， 导致部分优质软件收费较高， 这些因素进一步加剧了资源获取的不平等［1］。与此同时， 当前实验教学在数字化转型中存在着教学环节设置简单， 教学内容应用深度不够等问题。比如： 有些数字化实验仅仅是对传统实验步骤的机械搬运或简单动画演示， 使得实验教学沦为了视频观摩， 未能真正发挥信息技术促进教学改进的优势。从技术赋能的角度看， 当前实验教学的数字化程度依然停留在浅层， 远远未达到智能化与沉浸式的深度应用［2］。如： 离线式网页缺乏人工智能技术的深度嵌入， 难以根据学生的操作行为提供个性化的指导与反馈， 导致千人一面， 从而无法实现对学生真正的个性化私人指导。针对这些问题， 本文尝试借助生成式人工智能Gemini3pro设计虚拟实验室， 使用交互式网页的方式让学生在教学过程中进行自主探究， 后台可根据用户的操作进行及时反馈， 实现成果的可视化。同时模拟实验设计的一般步骤和原则， 让学生沉浸式体验酵母菌种群数量的变化过程。

二、 研究基础

《普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)》中对“培养液中酵母菌种群数量的变化”的内容要求为： 通过探究培养液中酵母菌种群数量的变化， 尝试建立数学模型解释种群的数量变动(科学探究)； 要求掌握血细胞计数板的使用方法和显微计数方法(科学思维)； 举例说明种群的S型增长波动变化情况， 通过科学探究， 培养学生的实验设计能力、 数据分析能力和解决问题的能力(生命观念、 科学探究)［3］。

在酵母菌种群数量增长实验中， 主要存在实验周期长、 材料成本高、 实验污染风险等问题， 故有的教师尝试使用酶标仪等设备进行实验改进并用于教学实践［4］。此外， 也有些教师通过虚拟仿真技术和高中生物学实验教学知识点探索“先实后虚”“先虚后实”“纯虚”的3种实验教学模式［5］。

目前， 生成式人工智能席卷全球的各个领域， 若将生成式人工智能应用于教育领域进行虚拟探究实验的开发， 在节省成本、 避免安全风险、 提升效率等方面有极大优势。例如： 吴圣潘借助DeepSeek进行标志重捕法的仿真实验开发， 模拟自然条件下标志重捕法的实施过程， 实现实验过程的可视化［6］； 吴绍群认为生物学实验的数字化教学可以构建虚实交融的立体化实验场景， 如运用MR混合现实技术实现真实实验设备与虚拟生物模型的动态叠加［7］； 段丽敏以“探究环境因素对光合作用强度的影响”实验为例， 分课前、 课中和课后三个阶段系统探讨AI在高中生物学实验教学中的具体应用及优势［8］。

三、 资源开发： 基于Gemini3pro的交互式网页构建

利用生成式人工智能Gemini3pro进行交互式网页设计， 选择的步骤依次为： 选择工具、 确定提示词、 后期优化、 导出实验， 具体的步骤如下： 

第一步， 选择工具。Gemini3pro的工具选项有深度研究、 创建视频、 画布、 引导式学习和动态视图这6个选项， 由于教学内容选取的是高中生物学实验： 培养液中酵母菌的种群数量变化， 该实验周期长、 材料成本高、 交互性强， 所以选择动态视图的形式进行交互式网页的创建， 可以突破时间、 空间与资源的限制。同时上传备课资料： 培养液中酵母菌的种群数量变化PPT， 让Gemini3pro进行教学内容的参考。

第二步， 确定提示词。具体内容为： 我是一名高中生物学教师， 现在要设计一个交互式实验， 根据我提供的PPT内容， 设计一个名为“酵母菌种群动态： 虚拟实验室”的交互式实验。核心要求： 要将枯燥的理论转化为沉浸式的操作体验。具体内容： 1.实验准备模块： 主要是呈现酵母菌的特点， 根据假设生成对应的曲线； 2.实验室操作模块： 设计学习取样与制片的一般步骤， 要求学生掌握实验操作的一般原则； 3.显微观察模块： 主要是设置细胞计数练习和染色区分挑战； 4.数据处理模块： 根据提供的计算资料， 应用密度计算公式进行种群数量的估算； 5.结果分析模块： 得出实验结论， 并进行动态模拟。

第三步， 后期优化。Gemini3pro将会根据上传的文件和提示词生成动态视图， 点击动态视图中的开始探索就开始运行， 但是一开始的交互式网页一般是达不到预期的， 这时候就需要不断地输入明确的提示词进行优化， 直到达到自己预期的效果。也可适当借助另外一个大模型DeepSeek进行交互页面的模拟实验对比， 以便达到更好的输出效果。在后期优化中， 重点针对学生易错的部分设置了即时反馈和可视化功能， 如在预测酵母菌种群增长曲线部分， 网页可自动根据学生绘制的曲线， 反馈出正确的曲线。

第四步， 导出实验。Gemini3pro生成的动态视图是没有直接下载选项， 这时候就需要在对话框输入提示词： 我想导出该实验， 请新增一个下载源码(Export)的按钮， Gemini3pro就在原先生成的网页基础之上增添了Export按钮， 点击Export就导出了html格式的离线交互式网页。

四、 课堂实践： 虚拟实验支撑下的探究式教学活动与实践成效

(一)探究式教学过程

“培养液中酵母菌的种群数量变化”的教学内容主要包括实验准备、 操作模拟、 显微观察、 数据处理和结果分析， 为1课时的探究性学习活动。课前学生已经初步了解种群数量变化的概念， 但尚未接触酵母菌的计数方法与S型曲线增长的模型。本次课就以交互式网页为前置训练工具， 采用“任务驱动→协作探究→数据建模”的递进式教学设计， 在计算机教室完成虚拟实验的前置训练。

1.任务驱动—明确学习目标， 激活前概念

教师布置任务： 通过虚拟实验探究培养液中酵母菌的种群数量在7天内的变化规律。步骤： 在电脑上打开酵母菌种群动态交互网页， 进入实验准备模块。首先点击酵母菌图标， 了解其单细胞、 兼性厌氧、 繁殖快等特性； 然后根据你的直觉， 用手指在屏幕上画出未来7天的种群增长曲线。要求： 个人独立操作。

学生活动： 每位学生在个人设备(平板或电脑)上点击酵母菌图标， 了解其单细胞、 兼性厌氧、 繁殖快等特性后， 用手指在屏幕上随意勾画预测曲线。大部分学生画出的是直线上升或指数增长曲线， 少数学生画出平缓上升但未呈现S型。学生提交预测后， 网页自动显示标准的S型增长曲线， 并弹出提示： 在有限资源下， 种群随时间呈S型增长， 如图1所示。

学生提交预测曲线后， 网页弹出标准的S型增长曲线及提示： 在有限资源下， 种群随时间呈S型增长。此时， 学生发现自己的绘制的曲线与标准曲线不符， 产生了认知冲突。

设计意图： 通过系统的预测反馈机制造成学生的认知冲突， 暴露学生的前科学概念(无限增长)， 将学习目标转化为学生内在的探究需求。

2.协作探究—小组合作与初步练习

教师宣布以6人为一小组， 要求学生进入实验室操作、 显微观察和数据处理三个模块， 共同完成从取样到计数的全流程。实验要求： 请严格按照规范操作， 否则数据会有误差。同时下发任务单， 要求完成任务单上面的内容， 并尝试绘制实时曲线。

学生点击第一步： 摇匀操作。学生进入取样准备界面， 学生点击摇晃试管图标， 系统反馈： 已充分摇匀： 确保菌体分布均匀， 减少取样误差！学生由此理解摇匀的科学意义， 如图2所示。

第二步： 制片顺序挑战。学生需要将盖上盖玻片、 滴加培养液、 吸水纸吸去多余液体三步正确排序。约30%的小组初次排序错误(先滴液后盖片)， 系统提示“顺序错误， 请重新排列”， 直至排列正确才能进行下一步。组内讨论随即展开， 经过小组协商调整， 所有小组均正确完成排序， 如图3所示。

第三步： 细胞计数练习。在显微视野中， 学生需点击方格内的酵母菌进行计数。有学生在点击右侧线和下侧线的菌体时， 系统变红并立刻提示正确的计数原则， 学生立刻意识到自己多计了边缘菌体， 随后在染色区分挑战中， 多数学生能正确选出无色活菌(台盼蓝染液未进入细胞中)， 如图4所示。

设计意图： 通过系统强制拦截的内在机制， 让学生在无法实际犯错的情况下， 依然完成如果犯错会怎样的思维演练， 既符合交互逻辑， 又达到了对比验证的教育目的。

第四步： 7天动态模拟。学生拖动滑块， 快速切换第1天至第7天的显微视野， 记录每日菌数(每小格平均个数)。网页自动根据25×16计数板公式生成1mL培养液中的酵母菌数量(1×106/mL)， 并实时绘制曲线。各组记录的数据略有差异， 但都呈现慢—快—慢—稳的S型趋势， 如图5所示。

教师组织小组进行讨论以下问题： 

(1)第1—3天， 种群数量增长较慢， 可能的原因是什么？(2)第3—5天， 为什么增长速度最快？(3)第5—6天， 数量为何趋于稳定？(4)第7天数量为何下降？各小组代表汇报讨论结果， 教师引导学生归纳出S型增长曲线的阶段特征及K值的概念。

设计意图： 利用AI的即时反馈功能， 让学生在无风险环境中反复试错， 快速掌握规范操作， 弥补真实实验条件缺失带来的实践缺口。

3.数据建模—分析曲线， 总结规律

教师展示一组典型的小组数据(如图1， S型曲线图)， 组织全班讨论： 这条曲线可以分为几个阶段？每个阶段种群数量变化的特点是什么？待学生归纳出调整期、 加速期、 稳定期后， 教师引入K值(环境容纳量)概念。接着点击网页中的互动反思按钮： 如果不更换培养液， 曲线会怎样变化？学生观察到网页模拟的曲线继续下降进入了衰亡期， 并阅读网页提示的文字： 营养耗竭、 代谢产物积累、 pH改变， 如图6所示。

教师在此过程中根据学生的回答去引导学生总结： 在资源有限的环境中， 种群增长最终会接近环境容纳量； 若环境持续恶化， 种群将走向衰亡。最后， 教师布置课后思考： 如果换成其他生物(如草履虫、 细菌)， 种群变化规律是否类似？

设计意图： 在数据分析与建模过程中培养学生的科学思维， 通过拓展模拟促进知识的迁移应用。

(二)实践成效

初步教学实践表明， 该系统解决了传统实验中因学生操作生疏导致的材料浪费、 时间消耗及安全风险等问题， 增强了学生的操作规范意识， 缩短了在真实实验中的摸索时间， 提高了数据测量的准确性。

1.减少材料浪费与缩短实验时间

在未使用本虚拟前置训练之前， 学生由于不熟悉制片顺序、 计数规则等， 常出现将盖玻片压碎、 计数错误等情况， 从而使实验时间因操作失误而延长。在使用本操作系统之后， 学生可在任意时间或任意场地， 利用离线式交互式网页在制片规则、 计数练习等关键步骤进行大量的试错练习， 从而有效缩短了实验时间。

2.增强操作规范意识

系统内置即时反馈机制， 使学生在操作—错误—提示—修正的循环中可以反复练习制片顺序、 计数规则等操作。这一过程不会造成真实器材损耗或培养液污染， 让学生在前置训练时敢于尝试、 乐于修正。在进入真实实验室时， 大部分学生已能熟练完成取样、 制片和计数， 操作规范意识明显提升。通过课堂实践观察表明， 经过系统训练的学生， 在真实实验中能主动进行规范的实验操作。

3.降低安全风险

学生通过虚拟实验室进行大量的实验操作后再进入真实实验室， 能有效避免真实环境中的菌液污染、 盖玻片破碎等安全风险， 从而保障了实验操作安全。

五、 结语

基于Gemini3pro开发的酵母菌种群数量变化交互式网页， 将传统实验升级为数字化虚拟仿真实验， 有效解决周期长、 成本高、 污染风险大等问题； 同时提供操作结果即时反馈， 支持学生多次试错， 推动其从关注结果转向深入探究实验过程。但虚拟仿真实验仍面临技术瓶颈、 评价体系不健全、 资源共享不足等挑战， 可持续发展仍是亟待突破的关键课题［9］。更需要明确的是， 虚拟实验模拟探究并未替代真正的实验， 学生在真实操作中亲手使用血细胞计数板、 亲眼观察酵母菌形态、 亲历数据采集过程， 这些实践体验不可替代。AI的作用在于降低操作门槛、 突破时间限制， 从而释放更多课堂时间， 聚焦科学思维与探究能力培养。

本研究存在以下局限： 1.本操作系统为离线式网页， 系统后台无法汇总所有学生的数据， 从而导致教学评价反馈单一， 如只能依赖于网页的即时反馈和有限的课堂观察， 缺乏系统的量化数据分析； 2.本虚拟前置系统的适用内容单一， 仅适用于酵母菌种群数变化的探究， 在其他实验主题的应用上有待进一步探究； 3.本实验的研究对象仅限于笔者教授的班级， 样本量较小， 未扩大范围进行进一步实验验证。

在未来教学实践中， 教师一方面需要学会使用虚拟仿真软件进行实践教学， 另一方面更需要具备设计数字化课程的能力。例如： 如何将虚拟实验与课程有机结合？是作为课前预习的工具、 课中突破难点的环节， 还是课后拓展的探究项目？这就要求教师重新思考整个教学流程， 对教师的数字素养提出了新的复合型要求。

本文发表于《教育与装备研究》2026年第9期，参考文献已省略，如需要参考请阅读原文 ,跳转到“国家中小学智慧教育平台：平台资源号”。

引用请注明以下信息：陈蝶,李从虎,程旭.AI赋能的高中生物学实验前置训练设计与实践——以“酵母菌种群数量的变化”为例[J].教育与装备研究,2026,(9):97-102.