Excel軟件在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

林建春 （浙江省溫州市洞頭區(qū)第一中學(xué) 浙江溫州 325700）

Excel軟件擁有直觀的界面、出色的計(jì)算和繪制圖表功能，使其成為最實(shí)用的個人計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件。在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，定量分析實(shí)驗(yàn)始終離不開數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、處理和分析。通過應(yīng)用Excel 軟件，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理、生成和可視化等多方面用途。本文基于高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以浙科版高中生物學(xué)教材中的多個實(shí)驗(yàn)為例，闡述Excel 軟件在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，以期將其推廣應(yīng)用于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

1 利用圖表工具實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可視化

定量實(shí)驗(yàn)通常需要進(jìn)行記錄、整理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有助于學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究過程。以“制作并觀察植物細(xì)胞有絲分裂的臨時裝片”為例，可將該實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槎糠治鰧?shí)驗(yàn)，例如，進(jìn)行探究洋蔥根尖分生區(qū)細(xì)胞周期。制作洋蔥根尖分生區(qū)細(xì)胞周期，需要學(xué)生在制作和觀察植物細(xì)胞有絲分裂臨時裝片的基礎(chǔ)上，對間期和分裂期細(xì)胞分別進(jìn)行計(jì)數(shù)［1］，細(xì)胞數(shù)目越多，說明在細(xì)胞周期中該時期所占的比例越大。最終，可利用Excel 軟件自帶的圖表工具實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可視化（圖1）。通過該實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對細(xì)胞周期及其制作過程有直觀的認(rèn)識與體驗(yàn)。

圖1 利用Excel 軟件繪制洋蔥根尖細(xì)胞周期圖［1］

此外，在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，還可通過分光光度計(jì)、傳感器等儀器實(shí)現(xiàn)定量實(shí)驗(yàn)分析。以分光光度計(jì)為例，可應(yīng)用于“檢測生物組織中還原糖、蛋白質(zhì)”“探究培養(yǎng)液中酵母菌數(shù)量的動態(tài)變化”“探究影響酶活性的因素”等多個必修課程實(shí)驗(yàn)中（表1）。對于獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，教師與學(xué)生可利用Excel 圖表功能進(jìn)行結(jié)果可視化展示，進(jìn)而分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，有利于學(xué)生形成尊重事實(shí)、證據(jù)的科學(xué)態(tài)度，提升科學(xué)思維素養(yǎng)。表1為三大類實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果展示參考圖［2］。上圖為“檢測3 種乳制品中蛋白質(zhì)含量”結(jié)果可視化展示；中圖為“培養(yǎng)液中細(xì)菌數(shù)量的動態(tài)變化”結(jié)果可視化展示；下圖為“探究溫度對淀粉酶（來自小麥幼苗）活性的影響”實(shí)驗(yàn)結(jié)果可視化展示［2］。

表1 分光光度計(jì)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用及數(shù)據(jù)可視化展示

2 輔助擬合功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化

2.1 線性擬合繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線 在“泡菜的腌制和亞硝酸鹽的測定”實(shí)驗(yàn)中，需要繪制亞硝酸鹽的標(biāo)準(zhǔn)曲線。教材中繪制亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)曲線的大致步驟為：取一系列不同濃度的亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液分別與顯色劑反應(yīng)，將反應(yīng)液置于光程1 cm 的比色杯中，在550 nm 處測定光密度值。最后，以亞硝酸鈉質(zhì)量或濃度為橫坐標(biāo)，以光密度值為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。教材并未交代清楚如何利用數(shù)據(jù)精準(zhǔn)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

通過實(shí)驗(yàn)操作，最終會得到多組數(shù)據(jù)（表2），利用多組數(shù)據(jù)按照傳統(tǒng)方法手動計(jì)算并制作標(biāo)準(zhǔn)曲線不僅難度極大，且費(fèi)時、費(fèi)力。應(yīng)用Excel 軟件中的散點(diǎn)圖及添加趨勢線功能，可快速線性擬合出標(biāo)準(zhǔn)曲線。具體步驟為：選擇數(shù)據(jù)→選中編輯欄中的“插入”→選擇散點(diǎn)圖→添加趨勢線→選擇線性 （L）→勾選顯示公式和顯示R2。結(jié)果如圖2所示，由R2為0.9959 可知，本次繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線是可信的。應(yīng)用Excel 軟件，在幾分鐘內(nèi)即可完成標(biāo)準(zhǔn)曲線制作，有利于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。

表2 亞硝酸鹽溶液濃度與OD 值之間的關(guān)系

圖2 利用Excel 軟件線性擬合功能繪制亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)曲線

此外，在浙科版“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的動態(tài)變化”實(shí)驗(yàn)中，其實(shí)驗(yàn)?zāi)康陌▽W(xué)習(xí)用血細(xì)胞計(jì)數(shù)板進(jìn)行酵母菌細(xì)胞計(jì)數(shù)的操作方法、學(xué)習(xí)比濁計(jì)（或比色計(jì)）的使用方法，并找出酵母菌細(xì)胞數(shù)量變化與其渾濁度之間的關(guān)系。尋找酵母菌細(xì)胞數(shù)量變化與渾濁度的關(guān)系，類似于上述標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作。應(yīng)用Excel 軟件，以培養(yǎng)不同時期的酵母菌數(shù)量為橫坐標(biāo)，渾濁度為縱坐標(biāo)，繪制散點(diǎn)圖，再通過添加輔助線、選擇線性、勾選顯示公式和顯示R2等操作，即可快速擬合出二者之間的線性關(guān)系。

2.2 指數(shù)擬合繪制“J”型增長曲線 在必修3“種群的增長方式”教學(xué)中，也可利用Excel 的擬合功能繪制J 型增長曲線（圖3）。其具體做法與上述標(biāo)準(zhǔn)曲線制作類似，只是在添加輔助線時，選擇“指數(shù)”而不是選擇“線性”。之所以利用擬合功能而不是直接采用圖表繪制功能進(jìn)行繪制J 型增長曲線，其原因是，自然界中種群增長數(shù)量的真實(shí)數(shù)據(jù)不可能與指數(shù)增長趨勢完全一致，直接繪制得到的曲線波動較大，而利用擬合功能更加科學(xué)地反映自然界中種群數(shù)量指數(shù)增長的動態(tài)變化關(guān)系。

圖3 利用Excel 軟件指數(shù)擬合功能繪制種群的指數(shù)增長模型

3 利用函數(shù)功能生成與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

3.1 模擬孟德爾雜交實(shí)驗(yàn) 模擬孟德爾雜交實(shí)驗(yàn)時，由于在課堂中學(xué)生模擬次數(shù)有限，使得模擬結(jié)果難以趨于真實(shí)分離比。借助Excel 軟件簡單函數(shù)功能，可實(shí)現(xiàn)快速獲得和統(tǒng)計(jì)大數(shù)據(jù)，從而使結(jié)果更加準(zhǔn)確。以“模擬分離定律”為例（圖4），在Excel 中先建立模擬流程圖，在模擬圖右側(cè)為模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程，下邊是模擬數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

圖4 應(yīng)用Excel 軟件模擬孟德爾雜交實(shí)驗(yàn)

在圖4中，共有9 個關(guān)鍵單元格（即灰色單元格）需要輸入公式。其中，單元格K3 和L3 輸入公式為“=IF（RAND（）<0.5，"A"，"a"）”。RAND()函數(shù)可生成介于［0，1）之間的隨機(jī)數(shù)，因而隨機(jī)數(shù)介于［0，0.5）和［0.5，1）內(nèi)的概率均為0.5。IF（條件，甲，乙）為邏輯函數(shù)，如果括號內(nèi)條件滿足，則返回甲值；如果不滿足，則返回乙值。單元格K3、L3輸入的公式，表示隨機(jī)數(shù)大小在［0，0.5）內(nèi)，則輸出A，隨機(jī)數(shù)大小在［0.5，1）內(nèi)，則輸出a。該公式含義與模擬基因型Aa個體產(chǎn)生A、a配子的情況一致。單元格M3 中的公式“=K3&L3”是將K3 和L3 單元格中的字符串連在一起，即模擬受精作用，可能的結(jié)果會有4 種類型，即AA、Aa、aA、aa。

單元格D23=SUMPRODUCT（N（EXACT（M ∶M，"AA"）））、D24=SUMPRODUCT（N（EXACT（M ∶M，"Aa"）））、D25=SUMPRODUCT （N （EXACT （M ∶M，"aA"）））和D26=SUMPRODUCT（N（EXACT（M∶M，"aa"）））。EXACT（）函數(shù)用來測試2 字符串是否完全一致，如果2 字符串之間完全一致，則返回TRUE；否則，返回FALSE。N（）函數(shù)是一個用來返回轉(zhuǎn)換為數(shù)值的函數(shù)，SUMPRODUCT（）是條件累積求和函數(shù)。以單元格D23 中的公式為例進(jìn)行說明，“=SUMPRODUCT（N（EXACT（M∶M，"AA"）））”是指在M 這一列單元格中，遇到與“AA”字符串完全一致的，則EXACT（）函數(shù)輸出為TRUE，N（）函數(shù)結(jié)果計(jì)1，SUMPRODUCT（）函數(shù)進(jìn)行累加，從而實(shí)現(xiàn)了對“AA”字符的統(tǒng)計(jì)。單元格D27 中的“=D23&"∶"&SUM（D24∶D25）&"∶"&D26”是用于將AA、Aa和aa的統(tǒng)計(jì)數(shù)量以比值的形式輸出（注：Aa與aA在統(tǒng)計(jì)時均合計(jì)為Aa的數(shù)量）。此外，單元格D22=SUM（D23∶D26），是對單元格D23 至D26 中的數(shù)值相加，即統(tǒng)計(jì)模擬次數(shù)。

在實(shí)際教學(xué)過程中為減少公式輸入時間，可提前將公式輸入各單元格，各單元格隨即得到相應(yīng)的數(shù)字或字符。模擬批量產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)“大數(shù)據(jù)”時，選中單元格K3、L3 和M3 并下拉，即可獲得模擬“大數(shù)據(jù)”，并且模擬圖下方隨即得到模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖4是將單元格K3、L3 和M3 下拉至1 002行后（即模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行1 000 次），所獲得的模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示AA、Aa和aa比值為238∶502 ∶260，非常接近分離比1∶2∶1，說明利用Excel 軟件模擬分離定律效果佳，同時也解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中大數(shù)據(jù)難以獲得、結(jié)果難以統(tǒng)計(jì)的問題，該方法也適合應(yīng)用于自由組合定律、測交等模擬實(shí)驗(yàn)中。

3.2 模擬探究細(xì)胞表面積與細(xì)胞體積的關(guān)系在“模擬探究細(xì)胞表面積與細(xì)胞體積的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中，也可應(yīng)用Excel 軟件函數(shù)功能計(jì)算得出相應(yīng)數(shù)據(jù)。如表3所示，在Excel 軟件中輸入相應(yīng)的正方體邊長或球體半徑，利用函數(shù)公式即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理，解決了教學(xué)中一些繁雜數(shù)據(jù)的計(jì)算問題。此外，教師也可利用表格中的數(shù)據(jù)，應(yīng)用Excel 圖表功能制作相應(yīng)的柱狀圖或曲線圖，幫助學(xué)生直觀認(rèn)識半徑、邊長與比表面積的關(guān)系。

表3 利用Excel 軟件函數(shù)功能計(jì)算正方體和球體表面積與體積之比

4 總結(jié)

Excel軟件可應(yīng)用于高中生物學(xué)多個實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，同時，在學(xué)生課外研究性課題、學(xué)生小論文寫作中也能進(jìn)行應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用Excel 軟件，不僅能以各種形式的圖形直觀表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了結(jié)果的可視化，同時，還能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過程，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。此外，實(shí)驗(yàn)是促成學(xué)生達(dá)成生物學(xué)核心素養(yǎng)的重要途徑與手段?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)重視定量實(shí)驗(yàn)，向?qū)W生提供學(xué)習(xí)測量方法的機(jī)會，使其在記錄、整理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的過程中了解事物的本質(zhì)［4］。高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用Excel 軟件，可為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析提供新的途徑，有利于學(xué)生體驗(yàn)完整的科學(xué)研究過程，提升生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。