高中生物實驗室及數(shù)字化實驗裝備建設(shè)

■劉俊波

高中生物實驗室及數(shù)字化實驗裝備建設(shè)

■劉俊波

本文總結(jié)了高中新課程實驗的特點(diǎn)，分析了當(dāng)前生物實驗室的現(xiàn)狀和問題，并設(shè)計了幾種適應(yīng)新課程需要的實驗室建設(shè)模式，提出學(xué)校應(yīng)采用多種模式的組合，避免實驗室模式單一化，以適應(yīng)不同實驗方式的要求和不同儀器設(shè)備的需要。文章著重介紹了生物數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)實驗室的建設(shè)方案，并分析了幾種數(shù)字化實驗裝備的教學(xué)功能。

新課程；生物數(shù)字化；網(wǎng)絡(luò)實驗室

《普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》在實施建議中明確提出“加強(qiáng)實驗和其他實踐活動的教學(xué)”，在其解讀本中又指出“實驗和其他實踐活動是生物學(xué)教學(xué)的基本形式之一”，實驗不再是處于輔助的位置。生物實驗是課程內(nèi)容的重要組成部分，是轉(zhuǎn)變學(xué)生學(xué)習(xí)方式的重要途徑，是生物教學(xué)的重要手段，是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力的基礎(chǔ)性環(huán)節(jié)。實驗地位的提高和實驗數(shù)量的增加對實驗室在其數(shù)量、功能、布局以及儀器設(shè)備等方面提出了更高的要求。同時，現(xiàn)代信息技術(shù)的普及和應(yīng)用、政府對教育投入的增加，為學(xué)校實驗室建設(shè)現(xiàn)代化和標(biāo)準(zhǔn)化創(chuàng)造了機(jī)會，因此搞好實驗室建設(shè)和儀器配備，尤其數(shù)字化實驗裝備對提高實驗室的水平和教學(xué)效果，支撐新課程實施、發(fā)揮效益意義重大。

新課程中實驗的特點(diǎn)

實驗地位明顯提升

首先在理念上，把探究過程當(dāng)成生物科學(xué)的內(nèi)容之一，“科學(xué)包括知識、過程和知識的應(yīng)用”，學(xué)習(xí)生物必然學(xué)習(xí)探究的過程，而探究過程只能通過實踐活動，因此實驗活動是生物學(xué)本身的內(nèi)容之一。提高實驗技能方法作為課程的總目標(biāo)之一被提出來，課程標(biāo)準(zhǔn)文本中所列舉的案例無一不是實驗活動，可見新課程所要實現(xiàn)的總目標(biāo)有很重要的比例寄希望于實驗教學(xué)的改進(jìn)。實驗的地位明顯提升。

實驗?zāi)芰Ω用鞔_和拓寬

課標(biāo)對實驗?zāi)芰ψ髁嗽敿?xì)規(guī)定：“能夠正確使用一般的實驗器具，掌握采集和處理實驗材料、進(jìn)行生物學(xué)實驗的操作、生物繪圖等技能。能夠利用多種媒體搜集生物學(xué)的信息，學(xué)會鑒別、選擇、運(yùn)用和分享信息?！辈⑶颐鞔_提出了11項科學(xué)探究能力，在確定研究問題、定量分析等方面較初中階段有所提升。離開實驗，這些能力的培養(yǎng)就成空談。

實驗數(shù)量和類型明顯增加

目前現(xiàn)行的大綱共設(shè)置實驗19個，必修16個、選修3個，而新課程不同版本的實驗數(shù)量都有明顯的增加，見下表。

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實驗類型也明顯增加，以人教版為例，除了需要學(xué)生真正動手的“實驗”或“探究”外，教材中還設(shè)計了許多的實踐活動，如資料分析（如細(xì)胞核具有什么功能？酶本質(zhì)的探索，血漿的化學(xué)組成等）、構(gòu)建細(xì)胞模型（如細(xì)胞、細(xì)胞模、DNA分子等）、技能訓(xùn)練（解釋數(shù)據(jù)、解讀圖表、識圖與作圖、類比推理）、思考與討論、調(diào)查、收集資料與分析?？芍^方式多種多樣。浙科版把所有的學(xué)生實踐活動統(tǒng)統(tǒng)叫“活動”。可見不動手或動手少的活動也應(yīng)得到重視。在所有這些活動方式中，有一個共同的內(nèi)容就是“討論”，有的還明確需要學(xué)生分組與“表達(dá)與交流”。這些活動類型的拓展和變化其實反映了新課程對學(xué)生探究能力全面的要求。所以我們在考慮新課程需要什么樣的儀器的同時還應(yīng)考慮新課程需要什么樣的實驗室模式，才能滿足其他活動的要求。

實驗內(nèi)容體現(xiàn)現(xiàn)代化

在必修模塊中有顯示線粒體、DNA、RNA的染色方法，在選修模塊中有組織培養(yǎng)、電泳、PCR、柱層析等。

不同模塊的實驗體現(xiàn)不同的科學(xué)方法

高中生物新課程設(shè)計思路與以往有著本質(zhì)的區(qū)別。課改之前的高中生物課程，其知識體系是以生物的基本特征為主線來構(gòu)建的。新課程是模塊式的，強(qiáng)調(diào)每個模塊應(yīng)當(dāng)有相對獨(dú)立的教育價值?！镀胀ǜ咧猩镎n程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）》除了對6個模塊的知識體系作了規(guī)定之外，還對其相應(yīng)的不同的科學(xué)方法進(jìn)行了闡述，如：“生物1：分子與細(xì)胞”強(qiáng)調(diào)的科學(xué)方法是“觀察、實驗、比較、分析和綜合等”；“生物2：遺傳與進(jìn)化” 強(qiáng)調(diào)的科學(xué)方法是“假說演繹、建立模型等”；“生物3：穩(wěn)態(tài)與環(huán)境”強(qiáng)調(diào)的科學(xué)方法是“系統(tǒng)分析、建立數(shù)學(xué)模型等”；“選修1：生物技術(shù)實踐”強(qiáng)調(diào)的科學(xué)方法是“重在培養(yǎng)學(xué)生實驗設(shè)計、操作能力、收集證據(jù)等科學(xué)探究能力”；等等。因此不同模塊的實驗方式、儀器選用、分組人數(shù)等形式就有所不同，相應(yīng)地，就要求實驗室的布局具有一定的靈活性。

高中生物實驗室的現(xiàn)狀及問題數(shù)量

較早的對實驗室建設(shè)提出要求的國家文件是《中小學(xué)校建筑設(shè)計規(guī)范》（GBJ99-86），文件指出“生物實驗室可分顯微鏡實驗室、演示室及生物解剖實驗室三種類型”。但其對實驗室的數(shù)量未做具體規(guī)定。由教育部分別于1989年和2002年發(fā)布的《農(nóng)村普通中小學(xué)校建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)（試行）》和《城市普通中小學(xué)校校舍擴(kuò)大建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》，提出了實驗室的數(shù)量要隨學(xué)校規(guī)模增大而增加，規(guī)定“農(nóng)村初中實驗室（含物理、化學(xué)、生物實驗室）：12班、18班、24班應(yīng)分別設(shè)置二間、三間、四間”，“城市普通高級中學(xué)實驗室（含物理、化學(xué)、生物實驗室）：18～24班、30～36班應(yīng)分別設(shè)置3～4、5～6間”。根據(jù)此規(guī)定，20個班規(guī)模的學(xué)校，即平行班4～6個的學(xué)校，應(yīng)分別建設(shè)物理實驗室2間、化學(xué)和生物各1間。根據(jù)我們對某兩個省市的摸底調(diào)查，目前60%的學(xué)校規(guī)模超過30個班，而具有2間實驗室以上的學(xué)校比例僅為49%，51%的學(xué)校只有一間實驗室。這樣的狀況，應(yīng)該說連以上標(biāo)準(zhǔn)還未達(dá)到，更何況新課程必修和選修要分別在兩個學(xué)年進(jìn)行，這么多的班級同時上課，實驗室顯然不夠用。針對實驗室數(shù)量不能滿足新課程需要的狀況，教育部于2006年以標(biāo)準(zhǔn)的形式發(fā)布了《中小學(xué)理科實驗室裝備規(guī)范》，規(guī)范提出“4～8個、8～12個、12～16個平行班的學(xué)校其生物實驗室數(shù)量的基本要求分別是1～2、2～3和4～5間，其規(guī)劃要求分別是2～3、3～4和4～6間”。根據(jù)我們的摸底調(diào)查，目前也就達(dá)到“基本要求”的低限。

面積

發(fā)布于1986年的《中小學(xué)校建筑設(shè)計規(guī)范》提出，“中學(xué)實驗室面積宜采用人均1.8平方米”，按50人計算為90平方米，《農(nóng)村普通中小學(xué)校建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)（試行）》和《城市普通中小學(xué)校校舍建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》對面積的規(guī)定口氣硬了點(diǎn)：“實驗室使用面積均為90 m2/間?！薄爸行W(xué)理科實驗室裝備規(guī)范”規(guī)定更加硬性：“實驗室/科學(xué)探究室（理、化、生）基本要求生均使用面積不小于1.80 m2，規(guī)劃要求不小于1.92 m2”，按50人計算分別不小于90 m2和96 m2，就是說可以往大了建，表明了一個趨勢。目前學(xué)生的平均身高和體重比20多年前有所提高，但標(biāo)準(zhǔn)卻幾乎沒變，從90 m2實驗室的實際布置上看，兩側(cè)及中間通道、前后桌的距離僅僅為最小的安全距離。實際情況往往達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求，我們調(diào)查的結(jié)果是70%的實驗室面積不足90 m2。換個角度考慮，如果要達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，只能按人均面積算，適合安排多少學(xué)生就安排多少學(xué)生，犧牲安全距離以滿足人數(shù)需要是不可取。那些標(biāo)準(zhǔn)都在國家技術(shù)監(jiān)督局備了案，具有法律地位，如果學(xué)校實驗室設(shè)置存在安全隱患，那么出現(xiàn)事故責(zé)任就是學(xué)校的，我們要了解并熟悉標(biāo)準(zhǔn)的要求。

布局

高中生物實驗室的布局從全國范圍上看，出奇的統(tǒng)一，25張實驗桌像教室課桌一樣面向講臺，每張桌子設(shè)兩個座位，有人稱“教室式”，有人稱“排排座”。我們統(tǒng)計這種模式的實驗室占85%以上。之所以出現(xiàn)這種情況是跟《中學(xué)理科教學(xué)儀器配備目錄》有關(guān)，目錄設(shè)置了三種教學(xué)儀器配備標(biāo)準(zhǔn)，即三類標(biāo)準(zhǔn)8人一組、二類標(biāo)準(zhǔn)4人一組和一類標(biāo)準(zhǔn)2人一組。隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展和經(jīng)費(fèi)投入增加，各地有能力按照最高的標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，尤其是高中學(xué)校。學(xué)生面向黑板，和教師相仿，突出教師的作用，這是和以往驗證性實驗和強(qiáng)調(diào)操作技能相適應(yīng)的。但是按照新的理念，其弊病在于無法提供小組合作、共同討論的環(huán)境，無法滿足一些現(xiàn)代化儀器設(shè)備對空間的要求。目前高中規(guī)模都比較大，有些地區(qū)也非常重視實驗室建設(shè)，每個學(xué)校設(shè)置了多間生物實驗室，我看到最多的達(dá)到7間，但遺憾的是全部是“排排座”。模式單一，很難應(yīng)付不同內(nèi)容、不同實驗方式以及使用不同器材的需要。

適應(yīng)高中新課程的幾種實驗室模式

生物普通實驗室（見圖1）

圖2

這個模式的實驗室是基于96平方米大小設(shè)計的，特點(diǎn)是4人雙側(cè)，水電到桌，通道寬敞，既能滿足4人小組，又能滿足2人小組實驗，適合的實驗內(nèi)容包括既適應(yīng)顯微觀察的實驗（電源），又適應(yīng)酶和組織成分檢測的實驗（用水方便），適應(yīng)的科學(xué)方法包括觀察、實驗、小組討論等。

生物數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)實驗室（見圖2）

該實驗室第一個特點(diǎn)也是最大的特點(diǎn)就是島式設(shè)計，每個島可容納6個學(xué)生，學(xué)生圍坐在一起，適合小組合作學(xué)習(xí)，方便討論和交流。第二個特點(diǎn)是通道也比較寬敞，縱向走道寬1.1米，橫向1.3米，教師活動空間擴(kuò)大，方便巡視指導(dǎo)，而且實驗室后部具有足夠空間可以設(shè)置水槽、邊臺或陳列柜。第三個特點(diǎn)是方便信息技術(shù)設(shè)備使用和實驗室網(wǎng)絡(luò)化布置。

這種模式實驗桌為6邊形，每個學(xué)生的桌面為寬度750 mm、深度650 mm的傘形。雖然人均有效操作面積偏小，但是寬度和深度都超過規(guī)范的要求，不影響儀器擺放所用的面積和學(xué)生操作對寬度的要求。

采用島式設(shè)計的目的是為了減少分組的數(shù)量，設(shè)9個島，每個島6個座位，整個實驗室可容納54個學(xué)生。這樣，配置9組實驗器材即能滿足需要，當(dāng)然有條件的學(xué)?？梢詾槊總€島配置兩套器材，分組人數(shù)可減少到3人。如果不使用以上兩套設(shè)備，這樣的實驗室設(shè)置是不是浪費(fèi)了呢？當(dāng)然不會，前面提到有些實驗小組人數(shù)就是6人，而且還有很多的討論、活動等，只要不需要使用水的實驗都可以用這個實驗室。

生物技術(shù)實驗室（見圖3）

生物技術(shù)實驗室最大的特點(diǎn)是節(jié)省空間，僅由4個島組成，節(jié)省的空間一是增加了桌子的寬度，桌子的規(guī)格是長3.6米，寬1.5米，中間設(shè)置30毫米寬的試劑架，非常適合選修一上百種試劑的需要。每邊座6個學(xué)生，每個學(xué)生的有效操作面積是600毫米×600毫米，比《規(guī)范》規(guī)定的面積還大。另一個節(jié)省出的空間的用處是設(shè)置了長達(dá)4米的邊臺，邊臺上可以擺放多種的公共儀器設(shè)備，如水浴鍋、離心機(jī)、電泳儀、PCR儀等。4個實驗桌周圍的走道非常寬，完全符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，學(xué)生進(jìn)出和教師巡視也很方便。

組織培養(yǎng)室（見圖4）

組織培養(yǎng)室共設(shè)緩沖區(qū)、培養(yǎng)區(qū)和接種區(qū)，與生物技術(shù)實驗室配合使用（準(zhǔn)備區(qū)），形成完整的組織培養(yǎng)4個區(qū)域。該室在規(guī)范中是規(guī)劃建議的，所以沒有條件的學(xué)校可以和生物實驗室合建，由此造成實驗室容量減少，可由分撥實驗來彌補(bǔ)。

生物數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)實驗室建設(shè)

建設(shè)生物數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)實驗室是基于以下幾個方面的考慮。

顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)的使用

顯微鏡從被發(fā)明的17世紀(jì)開始，一直都是生物研究和教學(xué)的重要工具。由于顯微鏡只能供單人觀察，于是顯微鏡圖像共享就成了教師的普遍追求。顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)把信息技術(shù)與傳統(tǒng)的實驗室課堂教學(xué)結(jié)合起來，不但實現(xiàn)了圖像共享，而且為圖像的貯存、再現(xiàn)與遠(yuǎn)距離傳輸提供了可能，更可貴的是還可實現(xiàn)師生間的互動，為激發(fā)學(xué)生的興趣、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性、提高效率都起到明顯的促進(jìn)作用。

圖3

圖4

目前高中分組多，實驗室通道狹窄，教師很難關(guān)注到每一組顯微實驗的的實際情況，因此也就很難進(jìn)行個別小組的指導(dǎo)。數(shù)碼顯微互動實驗系統(tǒng)的引入，有效地解決了這個難題，教師在終端計算機(jī)中可以同時看到每組學(xué)生的操作情況，并且可以根據(jù)每組學(xué)生的具體情況，進(jìn)行指導(dǎo)。學(xué)生的操作能力有大小，實驗速度參差不齊，這樣通過網(wǎng)絡(luò)，暫時得不到實驗結(jié)果的學(xué)生可以分享到進(jìn)展快的學(xué)生的結(jié)果，達(dá)到交流的目的和效果。除此之外，教師可以利用配套的操作軟件，將事先準(zhǔn)備好的顯微形態(tài)結(jié)構(gòu)、動物行為和生命活動等進(jìn)行數(shù)碼攝像，貯存于計算機(jī)內(nèi)，待需要時通過多媒體投影到學(xué)生的課堂銀幕上或每組學(xué)生的計算機(jī)終端上，以克服學(xué)生因操作水平差異而造成的不良實驗效果，讓每位學(xué)生都能觀察到應(yīng)該觀察到的微觀形態(tài)結(jié)構(gòu)及生命活動情況。其次，該系統(tǒng)為同一實驗內(nèi)容采用不同的實驗方法提供了硬件上的支持。采用不同實驗方法是探究的基礎(chǔ)，是新課程的亮點(diǎn)，不同的實驗方法結(jié)果可能相同也可能不同，就需要討論，數(shù)碼顯微互動實驗系統(tǒng)為展示實驗過程和實驗結(jié)果提供了方便。因此，概括地說，數(shù)碼顯微互動實驗系統(tǒng)有利于教師與學(xué)生的交流，有利于學(xué)生與學(xué)生之間的交流，有利于教師示范與指導(dǎo)，有利于提高全體學(xué)生實驗的水平。

計算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)

最早的計算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)是應(yīng)用于物理學(xué)的，因為物理實驗?zāi)軌虺浞值剡\(yùn)用該系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)測量與記錄、圖形呈現(xiàn)與分析的功能。這幾年在生物學(xué)科也得到了比較普遍的應(yīng)用，根據(jù)我們的研究，該系統(tǒng)在生物學(xué)科的運(yùn)用有如下的優(yōu)點(diǎn)。

①在有數(shù)據(jù)測量與記錄的實驗中表現(xiàn)出相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，尤其是那些需要連續(xù)記錄的實驗，如一些生理過程，既可測量反應(yīng)物濃度的變化，也可測量產(chǎn)物濃度的變化來推斷反應(yīng)的情況。

②大大提高實驗效率，如光合作用的實驗。

基于計算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)在生物實驗中的意義，國際及國內(nèi)都表現(xiàn)出逐漸擴(kuò)大使用的趨勢。該系統(tǒng)和顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)共同使用一套計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，大大節(jié)約成本。

要加速該系統(tǒng)在生物學(xué)科中的應(yīng)用，應(yīng)在課程實驗設(shè)計上、該系統(tǒng)使用的方便性上以及常規(guī)方法難以達(dá)到的不可替代性實驗開發(fā)上下工夫。

數(shù)字切片

采用數(shù)字切片掃描系統(tǒng)，對優(yōu)質(zhì)的切片進(jìn)行掃描，通過計算機(jī)自動對各部分的掃描圖進(jìn)行拼接，形成該張切片的全景圖像，這就是數(shù)字切片。通過特定的觀察軟件，在計算機(jī)上可以模擬真實顯微鏡觀察來觀察和學(xué)習(xí)這張切片。它有幾方面的特點(diǎn)。

①改變了傳統(tǒng)的切片的呈現(xiàn)方式，突破了時間、空間和觀察工具的限制，學(xué)生可隨時觀察使用。

②由于圖像來源于優(yōu)質(zhì)切片，所以圖像質(zhì)量具有典型性，有利于教學(xué)質(zhì)量的提高；

③能提供更加豐富的資料，如切片背景、圖像標(biāo)注等，方便學(xué)生的自主學(xué)習(xí)。

④學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，還可利用計算機(jī)的優(yōu)勢獲得更加豐富的手段，如兩張數(shù)字切片的比較、細(xì)胞大小測量等。

以上就是建設(shè)生物數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)實驗室的內(nèi)容，將來利用該實驗室進(jìn)行實驗教學(xué)的內(nèi)容還有虛擬實驗、網(wǎng)絡(luò)教學(xué)等。該實驗室無疑將促進(jìn)“實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的呈現(xiàn)方式、學(xué)生的學(xué)習(xí)方式、教師的教學(xué)方式和師生互動方式的變革，充分發(fā)揮信息技術(shù)的優(yōu)勢，為學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展提供豐富多彩的教育環(huán)境和有力的學(xué)習(xí)工具”的落實?！?/p>

（作者單位：教育部教學(xué)儀器研究所）