生物數(shù)字化實(shí)驗(yàn)于教學(xué)中的運(yùn)用

貢青

在03版的高中生物新課程標(biāo)準(zhǔn)中，提倡探究性學(xué)習(xí)，在促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的變革中，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神.生物學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，實(shí)驗(yàn)、探究是核心內(nèi)容，學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究性學(xué)習(xí)的方式方法有很多.隨著時代的發(fā)展，科技的進(jìn)步，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)越來越受到高中生物教師的重視，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行探究性教學(xué)非常好的一種素材.

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)分析軟件、輔材四部分組成.

傳感器是一種將被測量的信息按一定規(guī)律變換成為其他所需形式信息輸出的檢測裝置，能將信息傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等.傳感器根據(jù)敏感元件可以分為：物理類，如壓強(qiáng)傳感器；化學(xué)類，如氧氣傳感器；生物類，如心跳率傳感器.有些傳感器需要與無線顯示模塊結(jié)合使用.根據(jù)實(shí)驗(yàn)具體要求，正確選擇傳感器，可以數(shù)據(jù)化地顯示結(jié)果，提高實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性和可信性.

數(shù)據(jù)采集器是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中的“ 神經(jīng)中樞” ， 能夠把傳感器傳輸來的數(shù)據(jù)顯示出來.常見的數(shù)據(jù)采集器有五種：Easy（連接電腦與傳感器使用）；Smart（僅連接傳感器獨(dú)立使用或連接電腦與采集器使用）；EasyPro（連接電腦與采集器使用，最多可連接8個傳感器）；Pad數(shù)據(jù)采集器（安裝有android操作系統(tǒng)，自帶采集器及軟件）；背夾式平板（安裝有wein7操作系統(tǒng)，自帶采集器及軟件）

隨著技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)有不少的數(shù)據(jù)采集器自帶相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析軟件，實(shí)現(xiàn)了一體化.若沒有，實(shí)驗(yàn)室還需要準(zhǔn)備一臺Windows操作系統(tǒng)的電腦，裝上數(shù)據(jù)分析分析軟件.數(shù)據(jù)分析軟件有很多種，筆者所用的軟件是SWR iLab v8.0.

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是基于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)之上的，仍然需要一些傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)輔材，如試管、試管塞、鐵架臺等.

二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

1.準(zhǔn)確性

傳感器的探頭非常的靈敏，在對照實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)中，能夠?qū)⑷祟愑萌庋垭y以區(qū)別的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象加以區(qū)分，并能夠以數(shù)據(jù)的形式展示出來，提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性.在模擬人體血液緩沖體系的實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)法是將pH試紙的變色和指示劑的顏色變化對比比色卡來觀察酸堿度，如此會存在較大的誤差，且學(xué)生無法說出pH的準(zhǔn)確值.采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，用pH傳感器可以實(shí)時得到準(zhǔn)確的pH.

2.直觀性

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以將課堂教學(xué)中一些描述不清的現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為學(xué)生看到的實(shí)際數(shù)據(jù)，從而可以化抽象為形象、化概括為具體，如將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成圖表、曲線等，化復(fù)雜為簡單，增強(qiáng)了教學(xué)感染力.并且實(shí)驗(yàn)者可查看任一時刻、任一時段或整個過程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

3.簡便性

學(xué)生利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，操作過程簡便，計算機(jī)處理數(shù)據(jù)，大大縮短了實(shí)驗(yàn)的時間.如實(shí)驗(yàn)生物體維持pH穩(wěn)定的機(jī)制，傳統(tǒng)法要做56組pH試紙對照實(shí)驗(yàn)，不斷重復(fù)簡單的實(shí)驗(yàn)步驟并記錄表格，使學(xué)生容易產(chǎn)生煩厭之情.而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中的pH傳感器幫助我們解決了這一問題，利用傳感器采集pH值速度快且精確，獲取的數(shù)字直接記錄于電腦，便于轉(zhuǎn)化為表格，大大縮短了時間，減少了人力.

4.探究性

教科書中的實(shí)驗(yàn)多是一些定性實(shí)驗(yàn)，許多不能量化的實(shí)驗(yàn)都淡化了，只是給出一個結(jié)論.有了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備后，這些量化實(shí)驗(yàn)變得具有可操作性，能夠允許學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中嘗試改變各種實(shí)驗(yàn)條件， 進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，比較得到的不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果.由此為學(xué)生創(chuàng)造一個科學(xué)探究和自主學(xué)習(xí)的便利環(huán)境，讓學(xué)生能更直觀地認(rèn)識和驗(yàn)證生物規(guī)律，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究興趣，提高學(xué)生的動手能力，從而激發(fā)他們對生物學(xué)的喜愛和科學(xué)探究的精神.

三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在生物教學(xué)中的應(yīng)用

隨著技術(shù)的進(jìn)步，傳感器種類的增加，目前數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以完成初高中30多個生物實(shí)驗(yàn).相信未來會有更加多的生物實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻M(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn).

現(xiàn)展示一運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)操作的常規(guī)實(shí)驗(yàn).（筆者的實(shí)驗(yàn)室用的是蘇威爾公司SWR iLab v8.0 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)軟件）

實(shí)驗(yàn)?zāi)康?探究酶濃度對反應(yīng)速度的影響.

實(shí)驗(yàn)原理 土豆塊中含有的過氧化氫酶能催化過氧化氫分解.在過氧化氫濃度足夠大時，一定時間內(nèi)，氧氣產(chǎn)生的量與加入土豆塊的體積成正比.密閉容器中可以采集壓強(qiáng)變化的數(shù)據(jù)加以驗(yàn)證.

實(shí)驗(yàn)器材與材料 計算機(jī)，數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)線，壓強(qiáng)傳感器，鐵架臺，長尾夾，多向轉(zhuǎn)接頭，錐形瓶，帶孔橡膠塞；1 cm3馬鈴薯塊20塊、3%雙氧水200 mL.

實(shí)驗(yàn)裝置圖 見圖1.

實(shí)驗(yàn)步驟

（1）如圖1所示搭建實(shí)驗(yàn)裝置，將壓強(qiáng)傳感器與采集器相連，采集器與電腦相連，在試管中加入40 mL的3%雙氧水；

（2）打開實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件Dis，選擇教材通用軟件，點(diǎn)擊新建實(shí)驗(yàn)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)平臺，建立“溫度-時間”的坐標(biāo)關(guān)系，設(shè)置采集時間和采集間隔，如：5 min、100 ms；

（3）向試管中加入1塊馬鈴薯，塞上沾水的活塞，密封體系，點(diǎn)擊開始進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，觀察壓強(qiáng)傳感器采集到的數(shù)據(jù)變化；

（4）采集完成時，終止實(shí)驗(yàn)或等待采集時間結(jié)束自動停止；在曲線操作下拉菜單中選擇重疊顯示；

（5）分別使用4塊、8塊馬鈴薯，重新開始實(shí)驗(yàn)；

（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，整理實(shí)驗(yàn)器材.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果 見圖2.

隨著加入土豆塊的增多，密閉容器中壓強(qiáng)曲線的斜率增大，說明在一定條件下，雙氧水的分解速度隨著酶濃度的增大而增大.

此實(shí)驗(yàn)在教材上是沒有的，但結(jié)論需要學(xué)生記得.若只有一個結(jié)論，學(xué)生不易理解，所以最好能讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，加深理解.若是用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)操作，雖然最終也能觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，但很難進(jìn)行量化處理，學(xué)生在操作過程中數(shù)單位時間內(nèi)氣泡的生成率有誤差，且氣泡的大小也難以去衡量.利用了壓強(qiáng)傳感器進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)，再用數(shù)據(jù)采集器采集數(shù)據(jù)，我們可以利用電腦將所收集到的數(shù)據(jù)繪制成圖，在一張圖表上呈現(xiàn)出來，非常直觀.另外，用傳統(tǒng)方法進(jìn)行此實(shí)驗(yàn)完整的探究過程至少需要20分鐘，而利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，在學(xué)生熟悉設(shè)備的使用的方法后，5分鐘可完成操作和分析，使實(shí)驗(yàn)教學(xué)的課堂效率得以提高.

在新課改中，利用新興技術(shù)來幫助教師的教和學(xué)生的學(xué)，是時代的趨勢，也是新課改的精神.在大數(shù)據(jù)時代，生物教師要學(xué)會能將實(shí)驗(yàn)、文本數(shù)字化并作為教學(xué)的切入點(diǎn)，對傳統(tǒng)生物教學(xué)模式進(jìn)行革新，讓教師的教與學(xué)生的學(xué)得以全方位進(jìn)行展示，這樣不僅可以提高教育教學(xué)的效率，而且能增強(qiáng)對學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的塑造.