數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn)在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

湯向榮

(江蘇省江陰高級(jí)中學(xué) 江陰 214443)

微型實(shí)驗(yàn)是指用盡可能少的試劑來(lái)獲取所需信息的實(shí)驗(yàn)方法，其主要特點(diǎn)是“實(shí)驗(yàn)試劑微量化，實(shí)驗(yàn)儀器微小化，明顯縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，減少環(huán)境污染，安全性較高”，比較符合課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施建議中“低成本、低消耗和低(無(wú))污染”的基本要求[1]?；趥鞲衅骷夹g(shù)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)中相應(yīng)的配套軟件3部分組成。數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn)教學(xué)就是微型實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的有機(jī)融合，具有實(shí)驗(yàn)步驟簡(jiǎn)單、實(shí)驗(yàn)時(shí)間縮短、實(shí)驗(yàn)藥劑微量、實(shí)驗(yàn)結(jié)果形象直觀、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性強(qiáng)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程可重復(fù)等優(yōu)勢(shì)。因此，在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，運(yùn)用數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的有效途徑。

1 適用數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn)的高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)

數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)改進(jìn)或多樣化設(shè)計(jì)，可將原來(lái)時(shí)間緊、辨不清、看不見(jiàn)和抓不住的實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)變?yōu)椤皝?lái)得及”“辨得清”“看得見(jiàn)”和“抓得住”的實(shí)驗(yàn)。從而能彌補(bǔ)普通實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，有效地提高生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量。在人教版高中生物學(xué)教材中，要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容共有26個(gè)，筆者通過(guò)教學(xué)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，認(rèn)為其中適用數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn)的有6個(gè)(表1)。

表1 人教版高中生物學(xué)教材中適用數(shù)字化的微型實(shí)驗(yàn)

2 數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的案例

2.1 由“時(shí)間緊”到“來(lái)得及” 案例1： 探究細(xì)胞大小和物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系

2.1.1 原實(shí)驗(yàn)的不足 原實(shí)驗(yàn)中存在著“NaOH溶液是強(qiáng)腐蝕性的安全問(wèn)題”“測(cè)量、計(jì)算繁瑣，耗時(shí)長(zhǎng)來(lái)不及，誤差大”等不足[2]。

2.1.2 可改成數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn) 具體如下：

實(shí)驗(yàn)原理： 使用瓊脂立方塊作為細(xì)胞模型，當(dāng)瓊脂塊放入一定濃度的NaCl溶液中時(shí)，離子會(huì)向瓊脂塊中擴(kuò)散，離子擴(kuò)散速度與瓊脂塊表面積有很大關(guān)系，溶液的電導(dǎo)率與溶液的離子濃度成正相關(guān)，使用電導(dǎo)率傳感器可測(cè)量溶液中離子濃度。溶液中的離子濃度下降，電導(dǎo)率下降，從而得出物質(zhì)運(yùn)輸?shù)男省?/p>

實(shí)驗(yàn)步驟： ①連接裝置并打開(kāi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件；②取100 mL NaCl溶液加入250 mL錐形瓶中，將電導(dǎo)率傳感器的電極浸入溶液中；③用塑料刀將瓊脂塊切成邊長(zhǎng)分別為3 cm、 2 cm、 1 cm的正方體；④將瓊脂塊放入錐形瓶中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，邊采集數(shù)據(jù)邊用玻璃棒攪拌；⑤取出傳感器電極用蒸餾水沖洗，重復(fù)以上步驟，在相同時(shí)間內(nèi)分別測(cè)量第2塊、第3塊瓊脂塊的溶液電導(dǎo)率；⑥通過(guò)電腦系統(tǒng)在同一坐標(biāo)軸內(nèi)形成電導(dǎo)率曲線，比較不同體積的瓊脂塊放入同體積的NaCl溶液中后電導(dǎo)率變化；⑦分析和結(jié)論，通過(guò)曲線圖比較，在相同濃度、相同體積的NaCl溶液中，相同時(shí)間內(nèi)瓊脂塊相對(duì)表面積越大，擴(kuò)散的離子越多，即物質(zhì)運(yùn)輸?shù)男试酱蟆?/p>

改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)： 通過(guò)電導(dǎo)率傳感器，一方面減少了測(cè)量、計(jì)算步驟，簡(jiǎn)化了操作，明顯縮短了時(shí)間，可直觀地從電腦曲線圖上分析得到結(jié)論，由原來(lái)實(shí)驗(yàn)“時(shí)間緊”變?yōu)閷?shí)驗(yàn)“來(lái)得及”。同時(shí)，用NaCl溶液取代NaOH溶液，排除了強(qiáng)腐蝕性的安全隱患。

2.2 變“辨不清”為“辨得清” 案例2： 探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式

2.2.1 原實(shí)驗(yàn)的不足 原實(shí)驗(yàn)存在不足之處是： 實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了多少CO2，哪種方式產(chǎn)生的較多都無(wú)從得知。此外，培養(yǎng)時(shí)間約為8～10 h，整個(gè)實(shí)驗(yàn)耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)；如果時(shí)間過(guò)短，則CO2產(chǎn)生量較少，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象則不太明顯[2]。

2.2.2 可改成數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn) 具體如下：

實(shí)驗(yàn)原理： 酵母菌是利用培養(yǎng)液中的溶解氧進(jìn)行有氧呼吸并產(chǎn)生CO2，當(dāng)培養(yǎng)液中的氧氣耗完后就進(jìn)行無(wú)氧呼吸并產(chǎn)生CO2。CO2傳感器可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)有氧呼吸和無(wú)氧呼吸所產(chǎn)生的CO2濃度，從而能探究酵母菌細(xì)胞的呼吸方式。

實(shí)驗(yàn)步驟： ①材料處理和組裝裝置： 取2 g新鮮食用酵母菌，分成2等份，分別放入100 mL錐形瓶A和B中，分別向瓶中注入30 mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的葡萄糖溶液，組裝好有氧呼吸和無(wú)氧呼吸裝置，放置培養(yǎng)3 h；②連接裝置： 將2個(gè)C02傳感器與數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)連接，然后將傳感器的探頭插入錐形瓶塞后分別伸入兩個(gè)A、 B錐形瓶中；③數(shù)據(jù)采集： 打開(kāi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件，設(shè)置數(shù)據(jù)采集時(shí)間為1 min，選擇相應(yīng)模板和曲線名稱后，點(diǎn)擊“開(kāi)始實(shí)驗(yàn)”按鈕，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，界面上就會(huì)顯示錐形瓶?jī)?nèi)C02的含量值和變化曲線；④結(jié)果與分析： 通過(guò)1 min內(nèi)C02的含量變化數(shù)值和C02含量隨時(shí)間變化的曲線，可得出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)： 通過(guò)C02傳感器，不僅能測(cè)定酵母菌細(xì)胞一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的C02的含量，還能記錄有氧呼吸和無(wú)氧呼吸的過(guò)程，有利于學(xué)生直觀、快速地了解實(shí)驗(yàn)結(jié)果，定量數(shù)據(jù)和圖像更加精確和客觀，比定性的澄清石灰水變混濁了要更有說(shuō)服力[3]。使學(xué)生能變“辨不清”為“辨得清”。此外，整個(gè)實(shí)驗(yàn)還可適當(dāng)減少材料用量，實(shí)現(xiàn)在課堂教學(xué)的時(shí)間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)。

2.3 從“看不見(jiàn)”到“看得見(jiàn)” 案例3： 探究影響植物光合作用強(qiáng)度的環(huán)境因素

2.3.1 原實(shí)驗(yàn)的不足 原實(shí)驗(yàn)存在不足之處是： 光合作用是高中生物學(xué)的重要內(nèi)容，在學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生往往較難理解。主要問(wèn)題是學(xué)生缺乏感性認(rèn)識(shí)，對(duì)光合作用吸收CO2、放出氧氣的微觀過(guò)程無(wú)法用肉眼觀察到。同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)耗時(shí)較長(zhǎng)；如時(shí)間過(guò)短則圓形葉片浮起較少，各組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象則區(qū)別不明顯[2]。

2.3.2 可改成數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn) 具體如下：

實(shí)驗(yàn)原理： 通過(guò)控制人工光源和實(shí)驗(yàn)裝置的距離，使用CO2和氧氣傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置中CO2減少量和氧氣生成量，進(jìn)而通過(guò)曲線變化判斷不同光照強(qiáng)度對(duì)植物光合作用的影響。

實(shí)驗(yàn)步驟： ①連接實(shí)驗(yàn)裝置，打開(kāi)數(shù)據(jù)采集器；②將CO2或氧氣傳感器與數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)連接；③將傳感器的探頭插入實(shí)驗(yàn)裝置中；④打開(kāi)光源，控制好光照強(qiáng)度，調(diào)節(jié)好熱過(guò)濾裝置；⑤開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；⑥改變光照強(qiáng)度，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)： 通過(guò)氧氣或CO2傳感器測(cè)量實(shí)驗(yàn)環(huán)境中O2、 CO2的曲線變化，學(xué)生能直觀地觀察到有水藻的試管在光照下氧氣逐漸增加、CO2逐漸減少，而對(duì)照組沒(méi)有變化，從而知道水藻在光照下進(jìn)行光合作用吸收CO2、釋放出氧氣。同時(shí)，還能直觀地觀察單位時(shí)間光合作用的速率，從“看不見(jiàn)”到“看得見(jiàn)”，讓學(xué)生對(duì)光合作用的理解從抽象到形象，更為直觀。

2.4 將“抓不住”變“抓得住” 案例4： 探究生物體維持pH穩(wěn)定的機(jī)制

2.4.1 原實(shí)驗(yàn)的不足 原實(shí)驗(yàn)存在不足之處是： 用pH試紙測(cè)定pH變化時(shí)，是通過(guò)與比色卡上的顏色比對(duì)來(lái)估計(jì)的，誤差較大，測(cè)得的pH較不精確。

2.4.2 可改成數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn) 具體如下：

實(shí)驗(yàn)原理： 運(yùn)用pH傳感器檢測(cè)、比較加入酸或堿后的自來(lái)水、生物材料和緩沖溶液中的pH的變化，推測(cè)生物體內(nèi)的pH是如何維持穩(wěn)定的。

實(shí)驗(yàn)步驟： ①連接實(shí)驗(yàn)裝置，打開(kāi)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件，添加pH—時(shí)間曲線；②在500 mL燒杯中加入50 mL自來(lái)水，將pH傳感器電極放入待測(cè)溶液中，同時(shí)用玻棒按一定方向勻速攪拌；③使用采集功能，向燒杯溶液中滴加1滴濃度為0.1%的鹽酸溶液，采集1個(gè)數(shù)據(jù)；④重復(fù)以上步驟，分別采集滴加2～20滴時(shí)的數(shù)據(jù)；⑤用蒸餾水充分沖洗燒杯和pH傳感器電極，在500 mL燒杯中加入50 mL pH為6.8的緩沖液代替自來(lái)水，重復(fù)③和④步驟；⑥用蒸餾水充分沖洗燒杯和pH傳感器電極，分別用牛奶、馬鈴薯勻漿和黃瓜汁代替自來(lái)水，重復(fù)③和④步驟；⑦將量濃度為0.1%的鹽酸換成量濃度為0.1%的氫氧化鈉，重復(fù)以上③④⑤⑥步驟；⑧實(shí)驗(yàn)分析得出結(jié)論： 自來(lái)水不具有維持pH穩(wěn)態(tài)的能力。而牛奶、馬鈴薯、黃瓜與緩沖液溶液功能有些類似，在一定的范圍內(nèi)可以維持pH的穩(wěn)態(tài)。

改進(jìn)優(yōu)點(diǎn)： 測(cè)定pH的變化時(shí)，pH傳感器能將溶液中微小的pH變化過(guò)程有效地記錄下來(lái)，由定性研究上升到定量分析，使實(shí)驗(yàn)的結(jié)果更精確、可靠。