應(yīng)用智能手機進階生物實驗的數(shù)字化

摘要：借助顯微觀察細胞核仁、演示糖脂燃燒放能比較、探究pH維持穩(wěn)態(tài)機制等實驗，探索智能手機的放大拍攝、鏡像投影、數(shù)據(jù)處理等功能在生物實驗教學(xué)中的應(yīng)用，達成類似數(shù)字化實驗的效果。

關(guān)鍵詞：放大拍攝；鏡像投影；數(shù)據(jù)處理

文章編號：1003-7586（2024）02-0034-02 中圖分類號：G633.91 文獻標識碼：B

隨著信息技術(shù)、移動互聯(lián)網(wǎng)等的快速發(fā)展，方便小巧的智能手機既具有更加完善的拍照攝像、鏡像投影、群聊交流、視頻通話等信息處理功能與交互能力，又憑借層出不窮的軟件而不斷拓展著應(yīng)用領(lǐng)域，正逐漸成為使用方便的教學(xué)工具，機動靈活地應(yīng)用于學(xué)校教學(xué)，助力教學(xué)方法的變革創(chuàng)新。有鑒于此，筆者對智能手機提升高中生物實驗數(shù)字化進行一定的探索。

1應(yīng)用放大拍攝功能，進階顯微觀察實驗的數(shù)字化

高中生物有很多需要利用顯微鏡進行觀察的實驗，然而在使用單目鏡普通顯微鏡進行這類實驗時，一次只有一人能夠通過目鏡進行顯微觀察活動，不僅嚴重制約了觀察效率，限制了教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的交流與借鑒，還無法將觀察到的微觀現(xiàn)象高保真地保存下來，影響圖像視頻資料的積累，而且對于需用油鏡才能觀察到的結(jié)構(gòu)或現(xiàn)象，往往由于機械性能的限制而無法取得理想效果，嚴重阻礙知識的直觀建構(gòu)。為了克服這類弊端，以觀察經(jīng)特殊染色的洋蔥鱗片葉內(nèi)表皮細胞中的核仁為例，探索智能手機的變焦放大、屏幕顯示、拍攝傳輸功能在顯微觀察類實驗中的應(yīng)用。

上課前，教師選擇洋蔥根尖細胞有絲分裂永久裝片，按低倍鏡使用要求操作顯微鏡，待肉眼從目鏡里能夠清晰看到裝片中的細胞后，將手機顯微攝影支架的圓筒套在目鏡處的鏡筒上固定好，再將智能手機放入支架的手機托板上，調(diào)整位置，使手機攝像頭通過支架圓筒對準目鏡；然后，將智能手機的攝像功能打開，不斷調(diào)整手機支架托板的位置，待智能手機屏中顯示清晰的細胞圖像時，徹底固定智能手機在顯微鏡上的位置，從而組裝成智能手機與顯微鏡的組合終端。

學(xué)生分組進行實驗活動時，首先將2g甲基綠與2g吡羅紅共同加入100 mL蒸餾水中，待充分溶解后取幾滴滴于培養(yǎng)皿中，撕取洋蔥鱗片葉無色內(nèi)表皮，浸入皿內(nèi)染色劑中染色5 min，取出后于蒸餾水中略作漂洗，再浸入70％酒精中分色10 min，獲得細胞核被染成藍綠色、核仁被染成紅色的觀察材料。然后用該材料制作臨時裝片并放在組合終端的載物臺上，使其中經(jīng)特殊染色的材料位于通光孔的正中央，規(guī)范進行低倍鏡和高倍鏡操作。

利用組合終端，在進行低倍鏡操作時，就能非常容易地在智能手機屏上觀察到細胞及其中細胞核的圖像，既能夠滿足活動小組的所有同學(xué)同時觀察，又能方便教師快速了解活動小組的實驗活動結(jié)果，從而及時給予適當?shù)闹笇?dǎo)與幫助。在規(guī)范完成低倍鏡到高倍鏡的轉(zhuǎn)換后，既能借助智能手機攝像狀態(tài)的變焦放大功能，將手機屏幕上的細胞進行適當放大，從而清楚觀察到被染成藍綠色的細胞核中，散布有一個或幾個紅色的小圓球——核仁，又能利用智能手機與電腦可以通過微信或QQ互傳文件的功能，將手機所拍攝圖像傳輸?shù)诫娔X等設(shè)備上進行大屏幕放大投影，使全體學(xué)生都能輕而易舉地觀察清晰核仁圖像，獲得理想的實驗效果，從而有效克服一般顯微鏡只能偶爾勉強看到核仁的弊端。另外，借助智能手機的拍攝功能，還可以將顯微鏡下觀察到的現(xiàn)象拍攝下來，利于交流與資料保存。

2應(yīng)用鏡像投影功能，進階微觀演示實驗的數(shù)字化

在實驗教學(xué)中，往往存在一些需要進行演示的操作或?qū)嶒?，如模擬探究膜透性實驗中向玻璃紙封口漏斗內(nèi)注入蔗糖溶液的操作、稀釋涂布平板法中一系列稀釋的操作、平扳劃線法的劃線操作等。但普通條件下的演示實驗，往往難以克服部分學(xué)生因所處角度、距離等不適宜而觀察不清楚的困難，而恰當應(yīng)用智能手機的鏡像投影功能，可以較好地解決這一問題。

例如，為了使學(xué)生直觀形象地生成“相同質(zhì)量的脂肪燃燒釋放的能量是糖類的兩倍多”的概念，施教者制作環(huán)保型燃燒密封盒，借助噴火式防風打火槍，點燃底板上蒸發(fā)皿中的5g高錳酸鉀（助燃劑）與1g葡萄糖或食用油的混合物，對嵌掛于中板的加厚小燒杯中的10 mL水進行加熱，通過測量水溫的變化值，進行“比較糖類與脂質(zhì)燃燒釋放能量”的實驗。然而，因為擔憂燃燒過分劇烈引發(fā)的安全性問題，只能采用演示實驗，且由于缺乏溫度傳感數(shù)字分析系統(tǒng)，只能利用通過頂板小孔懸插在水中的溫度計進行測量?？墒?，若用常規(guī)方法呈現(xiàn)實驗，很難使全體學(xué)生都能清晰觀察到燃燒過程中溫度計的數(shù)據(jù)變化。對此，施教者應(yīng)用智能手機的鏡像投影功能加以突破。

在燃燒之前，將智能手機固定在自拍支架上，打開智能手機與電腦的鏡像投影功能，調(diào)整支架位置，使溫度計的紅色水銀柱通過攝像頭鏡像投影在大屏幕上。這樣，燃燒過程中紅色水銀柱迅速上升的現(xiàn)象能同步呈現(xiàn)在大屏幕上，從而使全體學(xué)生都能獲得強烈的視覺感知。

另外，在其他一些學(xué)生分組操作的實驗活動中，施教者可以使用智能手機的鏡像投影功能，將學(xué)生實驗中的規(guī)范操作、創(chuàng)新操作、失誤操作等現(xiàn)場大屏呈現(xiàn)給全體學(xué)生，以便相互借鑒與學(xué)習。

3應(yīng)用數(shù)據(jù)處理功能，進階定量分析實驗的數(shù)字化

高中生物實驗中，有些是測量氣體的定量實驗，如環(huán)境因素對光合作用強度影響的實驗；有些實驗由原本的定性實驗改進為定量實驗會取得高階實驗教學(xué)效果，如以過氧化氫分解為核心的一系列實驗，包括探究酶的催化作用、酶催化活性受pH影響等；有些實驗是對變化非常微小的因變量進行定量測定的實驗，如探究pH維持穩(wěn)定機制的實驗。在沒有數(shù)字化實驗室實施教學(xué)的情況下，這些實驗往往需要另辟蹊徑來達到測量精確、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)動態(tài)直觀的良好教學(xué)效果。施教者在開展“模擬生物體維持pH穩(wěn)定”的學(xué)生分組實驗教學(xué)中，采用常規(guī)實驗、簡易pH檢測儀、智能手機的Excel數(shù)據(jù)處理功能相結(jié)合的方法，達到了與數(shù)字化系統(tǒng)類似的即時動態(tài)生成直觀pH變化曲線的效果。

在課前，施教者對將要提供給每個實驗小組的智能手機進行如是操作：安裝WPS Office應(yīng)用軟件，提供一個設(shè)計有與教材中相似的數(shù)據(jù)錄入表格的Excel文件，打開該Excel文件，選中整個數(shù)據(jù)錄入表格－點開Excel界面左上側(cè)“工具”－點開橫向菜單欄“插入”－點開下拉菜單欄“圖表”－點開橫向菜單欄“折線圖”－選擇折線圖，在數(shù)據(jù)錄入表格下方插入一個折線圖（該圖可以將隨時錄入的數(shù)據(jù)同步動態(tài)轉(zhuǎn)換成形象直觀的曲線）。將某個小組的手機進行鏡像投影設(shè)置，以便將該組手機屏上的數(shù)據(jù)錄入和曲線生成動態(tài)地投影至大屏上，供全體師生觀察參考、分析總結(jié)。

課堂分組實驗時，各活動小組分工合作選用自來水、NazHPO4／NaH2PO4緩沖溶液、稀釋的雞蛋清、馬鈴薯研磨過濾液作為測定對象，采用簡易式pH檢測儀，按教材方案實施實驗，對每個節(jié)點的pH進行測量和記錄。當將所測得的數(shù)據(jù)輸入Excel相應(yīng)單元格時，折線圖中就能同步動態(tài)生成相關(guān)pH變化曲線。

隨著智能手機使用的生活化和功能的日新月異，智能手機逐漸成為教學(xué)中經(jīng)常使用的資源終端。施教者應(yīng)該重視智能手機在提高教學(xué)效果和提升核心素養(yǎng)中的作用，在不違反學(xué)校管理條例和不產(chǎn)生負面影響的前提下，選擇恰當?shù)臅r機和方法，借助智能手機，打破傳統(tǒng)實驗的條件限制，使實驗教學(xué)在學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展中發(fā)揮更好的作用。