例談數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)在優(yōu)化高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

牛軍銳

摘 要：實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高中生物教學(xué)的重要組成部分，本文從數(shù)碼顯微技術(shù)的直觀展示突破血球計(jì)數(shù)板的使用及計(jì)數(shù)困惑，數(shù)字化傳感技術(shù)探究細(xì)胞呼吸方式培養(yǎng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及曲線分析的科學(xué)思維能力等方面進(jìn)行了論述了如何優(yōu)化高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化技術(shù);高中生物;酵母菌實(shí)驗(yàn)

生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高中生物教學(xué)的重要組成部分和重要方式。通過實(shí)驗(yàn)操作體驗(yàn)可以幫助學(xué)生理解抽象的生物概念和知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思想和探究能力?？v觀歷年江蘇生物高考，實(shí)驗(yàn)都占有20%以上的比重，如2017年的第5題，2018年的第14，31（4）題，2019年的第14、30題等都考查了酵母菌相關(guān)實(shí)驗(yàn)的高頻考點(diǎn)，針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問題，如何借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，優(yōu)化酵母菌相關(guān)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)呢？筆者在高中生物教學(xué)中進(jìn)行了一定的嘗試。

1.借助數(shù)碼顯微鏡直觀展示，突破血球計(jì)數(shù)板的計(jì)數(shù)困惑

實(shí)驗(yàn)問題：血細(xì)胞計(jì)數(shù)板的使用是高中生物教材必修3的重要實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，近年高考試題及高三復(fù)習(xí)考試中常涉及血細(xì)胞計(jì)數(shù)板的使用原理、操作步驟、方法和相關(guān)計(jì)算的考查，但不少同學(xué)感覺解題難度較大，只知其一，不知其二，答題失分的率高。究其原因，主要是學(xué)生沒有全面認(rèn)識(shí)血球計(jì)數(shù)板的結(jié)構(gòu)，停留在紙上談兵的死記硬背狀態(tài)。

改進(jìn)方案：借助數(shù)碼顯微鏡，結(jié)合數(shù)碼互動(dòng)系統(tǒng)在一體機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作展示，通過不同實(shí)驗(yàn)操作的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的比較、分析完成酵母菌的計(jì)數(shù)及相關(guān)實(shí)驗(yàn)影響因素的分析。具體按如下實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行。①肉眼觀察血球技術(shù)板：厚度，凹槽分布（四個(gè)凹槽和一個(gè)短橫凹槽）②數(shù)碼顯微鏡（4倍低倍鏡）連接顯示屏展示計(jì)數(shù)板上的方格網(wǎng)，展示9個(gè)大方格以及中間大方格。③放大將大方格，展示并觀察，找出中方格之間的分割線（雙線）。④增大物鏡倍數(shù)，展示小方格。⑤探究蓋玻片先蓋、后蓋的影響。滴加同一酵母菌培養(yǎng)液，兩組采用先蓋后滴和先滴后蓋蓋玻片的方法，在電腦顯示屏計(jì)數(shù)每小格酵母菌數(shù)量以及中方格的酵母菌數(shù)量（討論如何計(jì)數(shù)？），而后嘗試計(jì)算酵母菌濃度，分析數(shù)據(jù)差異的原因。

優(yōu)勢(shì)分析：通過數(shù)碼顯微鏡及顯示屏直觀展示，學(xué)生在自我觀察中直觀全面的認(rèn)識(shí)了血球計(jì)數(shù)板，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作和相互討論中完成相關(guān)計(jì)算，既克服了傳統(tǒng)顯微鏡下觀察耗時(shí)長(zhǎng)，不少同學(xué)觀察不到，教師無暇顧及的情況，也避免了紙上談兵的抽象實(shí)驗(yàn)教學(xué)的認(rèn)知困難，較好的突破了學(xué)生在這一實(shí)驗(yàn)中的學(xué)習(xí)盲點(diǎn)和難點(diǎn)。

2.依托數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的直觀數(shù)據(jù)，理清酵母菌呼吸方式的表、圖、線的思維難題

實(shí)驗(yàn)問題：“探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式”實(shí)驗(yàn)是人教版高中生物必修1中的一個(gè)重要探究性實(shí)驗(yàn)。但因試劑耗費(fèi)量特別大，實(shí)驗(yàn)過程所耗時(shí)間較長(zhǎng)（將兩組裝置放到30°C下培養(yǎng)，整個(gè)實(shí)驗(yàn)需持續(xù)8～10h才能觀察到實(shí)驗(yàn)結(jié)果），并且裝置的氣密性以及酒精檢測(cè)的危險(xiǎn)性等因素的考慮，導(dǎo)致部分教師實(shí)際教學(xué)中多采用多媒體模擬實(shí)驗(yàn)代替的方式，這種紙上談兵的實(shí)驗(yàn)教學(xué)導(dǎo)致學(xué)生缺乏直接實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)和實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析能力，解題中細(xì)胞呼吸相關(guān)的數(shù)據(jù)和曲線分析成為學(xué)生的思維難題。

改進(jìn)策略：借助傳感器實(shí)驗(yàn)技術(shù)，設(shè)計(jì)探究酵母菌呼吸的相關(guān)數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)中O2、CO2、酒精的含量及含量變化。實(shí)驗(yàn)材料與器材：活化酵母，5%葡萄糖溶液，注射器、新購的輸液導(dǎo)管（帶有調(diào)節(jié)器）、氣球（包裹二氧化碳傳感器檢測(cè)部位，并起到緩沖氣體的作用）、二氧化碳傳感器、氧氣傳感器和酒精氣體傳感器，數(shù)據(jù)采集器及電腦等。實(shí)驗(yàn)過程：①將活化酵母液與5%葡萄糖溶液（按5：20比例）混合備用。②使用相同的注射器（20ml）連接四組實(shí)驗(yàn)裝置，其中A組使用兩個(gè)注射器，一個(gè)注射器添加H2O2和Fecl3作為供氧裝置，另一注射器加入混合液10ml，連接二氧化碳傳感器，測(cè)定有氧呼吸過程中二氧化碳的含量的變化。B組在注射器中加入混合液10ml，排出針管內(nèi)氣體，連接二氧化碳傳感器，測(cè)定無氧呼吸過程中二氧化碳的含量的變化。C組在注射器中加入混合液10ml，針管內(nèi)留10ml氣體，連接二氧化碳傳感器，測(cè)定有一定氧氣存在時(shí)二氧化碳的含量的變化。D組在注射器內(nèi)加入混合液10ml，針管內(nèi)留10ml氣體，連接氧氣傳感器，測(cè)定隨呼吸進(jìn)行裝置內(nèi)氧氣的含量的變化。③數(shù)據(jù)采集：打開實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件，設(shè)置數(shù)據(jù)采集時(shí)間為4min，選擇相應(yīng)模板和曲線名稱后，分組開始采集實(shí)驗(yàn)過程中各裝置C02（或O2）的含量值和變化曲線數(shù)據(jù)。④采集結(jié)束后，分別將A、B、C組發(fā)酵液進(jìn)行加熱，換用酒精氣體傳感器測(cè)定酒精的含量變化。⑤結(jié)果與分析：通過采集設(shè)備中展示的圖表或者曲線，進(jìn)行處理繪制4min內(nèi)C02（或O2、酒精）的含量變化數(shù)值表和曲線圖，分析酵母菌在氧氣充足、氧氣不足和無氧條件下的呼吸情況和產(chǎn)物，分析氧氣改變與酒精產(chǎn)生量、二氧化碳產(chǎn)生量的關(guān)系，得出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

優(yōu)勢(shì)分析：通過實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)及傳感器技術(shù)的使用，不僅解決了傳統(tǒng)探究酵母細(xì)胞呼吸方式實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)，耗材多的問題，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)借助于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、測(cè)量和歸納上有著技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，有利于學(xué)生通過定量數(shù)據(jù)和圖像直觀、快速地了解酵母菌細(xì)胞在氧氣充足、氧氣不足和無氧條件一段時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的C02的含量變化、酒精含量變化、氧氣含量變化，結(jié)合實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)嘗試進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理，比定性的澄清石灰水變混濁實(shí)驗(yàn)更能培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力。

隨著新課程改革的實(shí)施和發(fā)展，借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)來輔助優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，是教育改革必然趨勢(shì)，讓我們以教材為基礎(chǔ)，將生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)與數(shù)字化技術(shù)有機(jī)結(jié)合，創(chuàng)新優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，更好的培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和科學(xué)探究精神，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效率。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：蘇州市規(guī)劃課題《葉圣陶“問題中心，實(shí)驗(yàn)探究”課程思想運(yùn)用于高中數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐研究》課題編號(hào)：Y-B/2014/06/06