數(shù)碼顯微鏡在高中生物觀察類實(shí)驗(yàn)中的運(yùn)用實(shí)例

馮艷娜

【摘要】：高中生物觀察類實(shí)驗(yàn)往往需要借助于普通光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察，但傳統(tǒng)的教學(xué)方式并不便于結(jié)果的記錄、分析和共享。將數(shù)碼顯微鏡運(yùn)用到課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，加速了實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)記錄、資源共享、互動(dòng)交流、學(xué)后拓展，真正達(dá)到探究的目的。“觀察根尖分生組織細(xì)胞的有絲分裂”、“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)都取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。

1.傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的使用弊端

高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的觀察類實(shí)驗(yàn)往往需要借助于顯微鏡才能完成，對(duì)于大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室而言，普通光學(xué)顯微鏡是最常用的觀察設(shè)備。但普通光學(xué)顯微鏡功能單一，存在一定的局限性。如動(dòng)態(tài)過(guò)程無(wú)法記錄，優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)無(wú)法再現(xiàn)與共享。新課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)驗(yàn)的要求明顯加強(qiáng)，在教學(xué)方法上對(duì)探究性和互動(dòng)性也提出了更高的要求。只有轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式、實(shí)現(xiàn)師生、生生之間的交流，才能真正實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)。顯然，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡已經(jīng)無(wú)法滿足現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)要求。

2.我校數(shù)碼顯微鏡的結(jié)構(gòu)與功能

數(shù)碼顯微鏡是將顯微鏡看到的實(shí)物圖像通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，使其成像在顯微鏡自帶的屏幕上或計(jì)算機(jī)上，通過(guò)投影機(jī)播放，使教室內(nèi)的學(xué)生可以一同觀看影像。

2016年，學(xué)校生物實(shí)驗(yàn)室升級(jí)改裝，安裝了投影設(shè)備，并配置了一批鳳林牌FL-107CCD三目數(shù)碼顯微鏡。這批顯微鏡配置的目鏡放大倍數(shù)為10X、16X，物鏡放大倍數(shù)為4X、10X、40X和100X，內(nèi)置一體化130萬(wàn)像素高分辨率數(shù)碼攝像系統(tǒng)。數(shù)碼顯微鏡可以通過(guò)USB接口，連接到實(shí)驗(yàn)室的主控電腦上，并經(jīng)投影儀，將實(shí)時(shí)畫(huà)面投影到大屏幕上。每臺(tái)顯微鏡又自帶一個(gè)7寸顯示屏，進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，組內(nèi)成員可以同時(shí)觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，并能實(shí)現(xiàn)拍照、攝像，放大等基本操作。

3.實(shí)例一“觀察根尖分生組織細(xì)胞的有絲分裂”

3.1實(shí)驗(yàn)分析

該實(shí)驗(yàn)是高中生物中的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，由于實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度大，時(shí)間緊，教師演示難等問(wèn)題的存在，導(dǎo)致成功率低、效果差。所以在實(shí)際教學(xué)中，很少有學(xué)校帶學(xué)生動(dòng)手做實(shí)驗(yàn)，通常只是讓學(xué)生觀看實(shí)驗(yàn)視頻。而配置了數(shù)碼顯微鏡后，我校老師果斷放手，從取材到實(shí)驗(yàn)記錄，全部交給學(xué)生，并取得了一定的成功。

3.2基本操作

通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)大蒜根尖觀察效果更好。正式實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用大蒜根尖為實(shí)驗(yàn)材料。通過(guò)分組，每組4位同學(xué)共用一套觀察裝置，按照“解離-漂洗-染色-制片”的基本步驟進(jìn)行操作。

3.3結(jié)果與分析

圖1為某小組觀察到的有絲分裂圖，能較清晰的看到間期、末期和中期。雖然，實(shí)驗(yàn)中也存在一些問(wèn)題，但數(shù)碼顯微鏡的運(yùn)用使得本實(shí)驗(yàn)的意義更深遠(yuǎn)。體現(xiàn)在兩方面：一、該實(shí)驗(yàn)對(duì)解離的程度和表皮的撕取要求高，學(xué)生需要多次嘗試才能夠制作出理想的裝片。分組合作可以制作大量裝片，利用數(shù)碼顯微鏡自帶顯示屏可以實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)觀察，對(duì)于不合適裝片直接淘汰，合格裝片能夠較快捕捉視野，及時(shí)拍照。二、雖然不是每個(gè)小組、每個(gè)裝片都可以同時(shí)觀察到分裂的各個(gè)時(shí)期，但教師可以將各組觀察到的典型圖像，通過(guò)投影儀及時(shí)展示給全體學(xué)生。也可以就問(wèn)題裝片展示分析失敗原因，從而實(shí)現(xiàn)班級(jí)共享。

4.實(shí)例二“探究植物細(xì)胞的吸水和失水”

4.1實(shí)驗(yàn)分析

該實(shí)驗(yàn)是高中生物新課改后的第一個(gè)探究實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)往往機(jī)械地按照課本中的實(shí)驗(yàn)要求進(jìn)行模仿，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。要真正實(shí)施探究性實(shí)驗(yàn)，需要對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中存在的問(wèn)題，進(jìn)行大膽的改進(jìn)、創(chuàng)新。從而把學(xué)生的主動(dòng)性、創(chuàng)造性調(diào)動(dòng)起來(lái)。同時(shí)，利用數(shù)碼顯微鏡的動(dòng)態(tài)記錄功能記錄下實(shí)驗(yàn)過(guò)程。

4.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

4.2.1材料選擇

除洋蔥外，校園里正開(kāi)的薔薇花、木槿花花瓣，水綿均可作為實(shí)驗(yàn)備用材料。

4.2.2基本操作

將學(xué)生分組，每組6人，每組2臺(tái)普通光學(xué)顯微鏡，1臺(tái)數(shù)碼顯微鏡。學(xué)生依據(jù)科學(xué)探究的一般方法開(kāi)展實(shí)驗(yàn)：

提出問(wèn)題—作出假設(shè)—設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—進(jìn)行實(shí)驗(yàn)—分析結(jié)果，得出結(jié)論

4.3實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題

選擇紫色洋蔥鱗片葉外表皮細(xì)胞為實(shí)驗(yàn)材料，觀察滴加0.3g/ml蔗糖溶液發(fā)生質(zhì)壁分離及分離復(fù)原的現(xiàn)象。問(wèn)題主要表現(xiàn)為兩方面：一、材料撕取困難，洋蔥外表皮色素含量雖高，但撕取只有一二層細(xì)胞構(gòu)成的外表皮細(xì)胞有一定難度。在操作中，反而是上個(gè)班級(jí)留下來(lái)的不新鮮的洋蔥殘片，輕輕一掰，一撕，用剪刀剪斷，鑷子夾到載玻片上，效果較好。二、進(jìn)程緩慢，實(shí)驗(yàn)中采用課本中0.3g/ml的蔗糖溶液，質(zhì)壁分離較慢。

4.4 實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

鑒于以上問(wèn)題，一方面，每組各派一名學(xué)生，繼續(xù)完成課本中的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)數(shù)碼顯微鏡的攝像功能，記錄質(zhì)壁分離及復(fù)原的過(guò)程。另一方面引導(dǎo)學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題，經(jīng)小組討論，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件，學(xué)生提出以下幾點(diǎn)改進(jìn)方案：

①采用洋蔥內(nèi)表皮細(xì)胞進(jìn)行觀察

②增加蔗糖溶液的濃度

③改用KNO3溶液

④觀察其他植物細(xì)胞的吸水和失水

每組自選1-2個(gè)方案進(jìn)行探究，將觀察到的現(xiàn)象及時(shí)記錄，效果明顯的通過(guò)投影儀進(jìn)行展示。

4.4.1 改用洋蔥內(nèi)表皮細(xì)胞

用洋蔥內(nèi)表皮細(xì)胞觀察，將視野調(diào)暗，能看到質(zhì)壁分離及復(fù)原現(xiàn)象。為了使現(xiàn)象更明顯，用紅墨水染色增加對(duì)比度，結(jié)果實(shí)驗(yàn)效果非常明顯

4.4.2增加蔗糖溶液的濃度

學(xué)生分別嘗試了0.4g/ml、0.5g/ml蔗糖溶液，結(jié)果表明：0.5g/ml蔗糖溶液雖然最容易發(fā)生質(zhì)壁分離，但很多細(xì)胞無(wú)法復(fù)原，進(jìn)而得出結(jié)論：高濃度蔗糖溶液可能導(dǎo)致細(xì)胞失水過(guò)多而死。而采用0.4g/ml蔗糖溶液的實(shí)驗(yàn)小組，觀察到質(zhì)壁分離（圖4）及復(fù)原（圖5）現(xiàn)象所需時(shí)間約五分鐘，明顯短于0.3g/ml蔗糖溶液所需時(shí)間（8-10分鐘）。后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生統(tǒng)一采用0.4g/ml蔗糖溶液，加快了實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。

4.4.3 觀察KNO3溶液使細(xì)胞質(zhì)壁分離及自動(dòng)復(fù)原

學(xué)生嘗試了0.4mol/l、0.6mol/l、1.0mol/l三個(gè)濃度梯度的KNO3溶液對(duì)洋蔥外表皮細(xì)胞吸水和失水的影響，結(jié)果表明0.6mol/lKNO3溶液，既能使細(xì)胞發(fā)生質(zhì)壁分離，也能使其自動(dòng)復(fù)原。濃度過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞失水過(guò)多而死，以致無(wú)法復(fù)原。

4.4.4觀察其他植物細(xì)胞的吸水和失水

水綿，細(xì)胞單列呈絲狀，有細(xì)胞壁和大液泡，具備發(fā)生質(zhì)壁分離的條件。采集后，不需要壓片，單根藻絲即可直接制成臨時(shí)裝片。滴加0.4g/ml蔗糖溶液，結(jié)果顯示水綿細(xì)胞能在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生失水，液泡逐漸縮小，滴加清水后，快速吸水，恢復(fù)原狀。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程用時(shí)約三分鐘，比之前的任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間都短。

通過(guò)小組內(nèi)部合作，每個(gè)小組都觀察到了植物細(xì)胞的失水和吸水現(xiàn)象，并用數(shù)碼顯微鏡記錄下實(shí)驗(yàn)過(guò)程，針對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯的小組，通過(guò)投影儀對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在全班進(jìn)行展示。整個(gè)實(shí)驗(yàn)探究取得了超乎想象的效果。

5.教后感悟

5.1數(shù)碼顯微鏡的使用有助于實(shí)驗(yàn)的成功

（1）節(jié)省時(shí)間，加速實(shí)驗(yàn)進(jìn)程

普通光學(xué)顯微鏡觀察時(shí)需要時(shí)刻盯著鏡頭，容易疲勞。而數(shù)碼顯微鏡能將物象呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)屏幕上，且具有視頻記錄功能。一方面避免了長(zhǎng)時(shí)間用眼，另一方面，也可以利用記錄的空檔時(shí)間準(zhǔn)備下一個(gè)實(shí)驗(yàn)，從而加速實(shí)驗(yàn)進(jìn)程。

（2）實(shí)現(xiàn)資源共享

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)于成功的案例，可以通過(guò)投影儀進(jìn)行資源共享，對(duì)于異常的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以進(jìn)行及時(shí)的分析，并改正。

（3）實(shí)現(xiàn)學(xué)后拓展

在后續(xù)的教學(xué)中，可以將記錄下的視頻進(jìn)行編輯。經(jīng)剪輯、壓縮、快進(jìn)制作成的《質(zhì)壁分離及復(fù)原》動(dòng)態(tài)時(shí)錄，可以作為教學(xué)短視頻。既可以復(fù)習(xí)時(shí)回放，也可以插入到微課制作和慕課教學(xué)中，實(shí)現(xiàn)資源的多級(jí)利用。

（4）享受成功喜悅，激發(fā)創(chuàng)造熱情

學(xué)生對(duì)數(shù)碼顯微鏡具有濃厚的興趣，不僅希望觀察課本中的實(shí)驗(yàn)，還想探究自然界更多微觀的現(xiàn)象。科學(xué)探究不僅局限在課堂，課外活動(dòng)是課堂教學(xué)的延伸和補(bǔ)充，利用生物學(xué)知識(shí)探索生活實(shí)踐中遇到的生物問(wèn)題，也是生物實(shí)驗(yàn)拓展的主要內(nèi)容之一。

5.2小組合作、自主探究提升實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)

毋庸置疑，數(shù)碼顯微鏡在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的輔助作用是明顯的。有的高中甚至借鑒了大學(xué)微觀實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)模式，引進(jìn)了全方位的數(shù)碼顯微互動(dòng)系統(tǒng)，這將更有利于生物觀察類實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展，但所需費(fèi)用和對(duì)教師的要求也是很高的?？萍歼M(jìn)步帶來(lái)了教學(xué)的便利，但我們?cè)诮虒W(xué)的過(guò)程中也不能單純的只依靠設(shè)備，也要通過(guò)設(shè)計(jì)、恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用，從而提高課堂效率。

基金項(xiàng)目：河南省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃電化教育專項(xiàng)課題成果

課題名稱：信息技術(shù)環(huán)境下高中生物“教與學(xué)”模式新研究，批準(zhǔn)號(hào)：教教科 【2017】770號(hào)