适偏远小学低功耗微生物教具与操作设计

一、引言

微生物教学是小学自然科学的重要内容，通过实验观察微生物形态、生长过程，能帮助学生建立微观世界认知，培养科学探究能力。但偏远小学受限于电力供应不稳定（部分学校每日供电仅 4-6 小时）、专业实验设备缺失（如恒温培养箱、电子显微镜普及率不足 10% ）、实验耗材采购困难等问题，微生物实验教学多停留在理论讲解层面，学生“看得见、摸不着”，教学效果大打折扣。

传统微生物教具依赖恒温培养箱（功率约 100-200W）、电子显微镜（功率约 50-100W）等设备，不仅能耗高，且设备成本（单套约5000-10000 元）超出多数偏远学校预算。因此，设计一款低功耗、低成本、易操作的微生物教具，成为解决偏远小学微生物教学困境的关键。

二、低功耗微生物教具设计

（一）设计原则

1. 低功耗核心原则：全程无需外接电源，仅依赖自然能源或低耗辅助组件（如纽扣电池，续航时长 ⩾30 天），适配偏远学校电力短缺现状；

2. 低成本适配原则：核心材料选用当地易获取、价格低廉的物资（如泡沫箱、塑料瓶、玻璃片），单套教具成本控制在 50 元以内，降低学校采购压力；

3. 易操作安全原则：组件设计模块化、组装简单，避免使用尖锐部件或有毒试剂，符合小学生操作安全标准。

（二）具体结构设计

1. 微型培养单元：以 20cm×15cm×10cm 的保温泡沫箱为主体，内壁粘贴黑色保温棉（减少热量散失），箱内放置 2 个 50ml 塑料培养皿（预装简化培养基，如稀释后的米汤 + 少量白糖，成本约0.5 元/ 份）。泡沫箱顶部开设直径5cm 的观察口，覆盖透明亚克力板（便于观察且防污染），实现“恒温 + 密封”培养环境，无需额外加热设备，利用环境温度即可满足常见微生物（如酵母菌、霉菌）生长需求（温度波动控制在 20-28% ，符合微生物生长适宜范围）。

2. 低耗观察单元：设计便携观察组件，主体为放大 100 倍的简易光学镜头（采用亚克力镜片，成本约5 元），搭配 2 颗纽扣电池供电的LED 冷光源（功率 ⩽0.1W ，续航 ⩾30 天），无需电子显微镜，学生可手持组件通过培养箱观察口直接观察微生物形态，解决“观察难”问题。

3. 取样辅助单元：准备一次性取样棉签（浸泡无菌水，成本约0.1元 / 支）、密封塑料袋（用于装取样样本），避免交叉污染，同时简化取样流程，学生无需学习复杂的无菌操作技术。

三、教具操作流程设计

为适配小学生认知水平与偏远学校实验条件，将传统微生物实验的“无菌环境搭建- 培养基配置- 接种- 恒温培养- 显微观察”五步流程，简化为“取样 - 接种 - 培养 - 观察”四步，每步操作时间控制在5 分钟以内，具体如下：

（一）取样环节（1-2 分钟）

引导学生从身边环境选取样本，如校园土壤（用取样棉签轻沾表层土壤）、馒头碎屑（用无菌棉签挑取少量）、口腔黏膜（用无菌棉签轻擦口腔内侧），将取样后的棉签放入密封塑料袋，标注样本名称与取样时间。此环节无需无菌操作台，仅需提醒学生“取样时不触碰棉签头部”，降低操作难度。

（二）接种环节（2-3 分钟）

打开教具的培养单元，取出塑料培养皿，学生用取样棉签在培养皿的培养基表面轻轻涂抹（即“接种”），涂抹后盖上培养皿盖子，放回泡沫箱内，关闭观察口。无需使用酒精灯灭菌，通过泡沫箱的密封环境减少污染，经试点验证，此操作的污染率仅 15% ，不影响实验观察效果。

（三）培养环节（3-5 天，无需操作）

将泡沫箱放置在教室通风、避光处（如窗台角落），利用泡沫箱

的保温性维持培养温度，无需额外加热或供电。教师每日提醒学生观察培养皿内是否有菌落生长（如白色斑点、绒毛状霉菌），培养3-5 天后，菌落大小可达 1-2mm ，便于观察。

（四）观察环节（2-3 分钟）

学生手持观察单元，将镜头对准培养箱观察口，打开 LED 光源，通过镜头观察培养皿内的菌落形态，记录“菌落颜色（如白色、绿色）、形状（圆形、不规则形）、质地（光滑、绒毛状）”，完成实验记录。无需移动培养皿，避免菌落污染，同时手持观察组件操作灵活，适合小组合作观察（每组3-4 人，轮流观察）。

四、试点应用效果与优化

（一）试点应用情况

选取某偏远小学 6 年级 2 个班（共 80 名学生）进行试点，其中 1班使用本设计的低功耗教具开展实验（实验组），2 班采用传统理论讲解（对照组）。实验组 40 名学生分为 10 组，每组使用 1 套教具，开展“校园土壤微生物观察”实验，实验周期为5 天。

（二）应用效果分析

1. 教学效果：实验组学生中， 85% 能准确描述微生物菌落的颜色、形状， 75% 能说出“微生物存在于身边环境中”，而对照组仅 30% 能描述微生物特征， 25% 能理解“微生物的普遍性”，说明教具能有效提升学生的认知水平；

2. 操作适应性：实验组学生的操作成功率达 85% （34/40 人能独立完成四步操作），仅 6 人因“接种时涂抹过轻”导致菌落不明显，经教师指导后重新操作即可成功，证明操作流程适配小学生能力；

3. 能耗与成本：实验组教具全程无外接电源消耗，仅观察单元使用纽扣电池（单套成本5 元，可重复使用 3 次以上），单套教具总成本48.6 元，远低于传统实验设备（约 5000 元），且材料可通过当地小卖部或网购平台采购，解决“耗材难”问题。

（三）优化方向

针对试点中出现的“部分学生观察时镜头对焦不准”问题，在观察单元的镜头处增加刻度线，标注“最佳观察距离（5cm）”；针对“培养时间较长导致学生兴趣下降”问题，可在培养基中添加少量色素（如胡萝卜汁），使菌落显色更快（2 天即可观察到浅色菌落），进一步提升实验体验。

五、结语

本设计的低功耗微生物教具，以“低功耗、低成本、易操作”为核心，解决了偏远小学电力短缺、资源匮乏的痛点，通过简化操作流程，让小学生能亲手完成微生物实验，感受微观世界的魅力。后续可进一步优化教具的耐用性（如将塑料培养皿替换为可重复消毒的玻璃皿）、拓展实验类型（如观察不同温度下微生物的生长速度），为偏远小学自然科学教学提供更多支持 ; 微生物教学是培养学生科学素养的重要途径，而适合的教具是教学落地的关键。本设计不仅为偏远小学微生物教学提供了可行方案，也为“教育资源均衡化”背景下的教具创新提供了思路—从实际需求出发，用简单材料解决复杂问题，才能让优质的教学资源真正走进每一间教室。

参考文献

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[4] 教育部 . 义务教育小学科学课程标准 [M]. 北京 : 北京师范大学出版社 , 2017:28-30.