例談傳感器在中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

張華民

摘 要：中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)大多是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和定性實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)誤差大，精確度低，傳感器的使用可以直接獲取以往常規(guī)實(shí)驗(yàn)無法獲取的實(shí)驗(yàn)信息。新型傳感器還具有微型化、數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化等特點(diǎn)。傳感器有著無可替代的重要作用，尤其是在培養(yǎng)學(xué)生的自主探究能力、創(chuàng)新能力上起著決定性作用。

關(guān)鍵詞：傳感器；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；中學(xué)生物

傳感器在中學(xué)物理教學(xué)中的應(yīng)用處于常態(tài)化，但在中學(xué)生物教學(xué)中的使用較少，以至于我們忽略了它的存在。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)推動了傳感器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的使用。近幾年，傳感器類的試題已經(jīng)悄悄地出現(xiàn)在試卷上了，這讓教師和學(xué)生都措手不及。怎樣選擇和使用好傳感器成了當(dāng)務(wù)之急。

一、科學(xué)選擇傳感器

根據(jù)傳感器的敏感元件的特點(diǎn)可分為三大類：一是物理類：主要基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)；二是化學(xué)類：主要基于化學(xué)反應(yīng)的原理；三是生物類：主要基于酶、抗體、激素和核酸等分子特異性識別功能。中學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)配置中大多是物理類傳感器，它們具有快速、簡便、直觀、量化、自動化、智能化等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)中學(xué)生物學(xué)科的自身特點(diǎn)，合理選擇傳感器，不僅能直觀地顯示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，而且能科學(xué)定量地顯示結(jié)果（表格或圖像），提高了實(shí)驗(yàn)的精確度和可信度，進(jìn)而體現(xiàn)了它的優(yōu)勢，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性。選擇時(shí)主要依據(jù)傳感器的量程、分度和適用范圍（不同品牌的傳感器其量程和分度略有不同）。

例如：在探究神經(jīng)沖動在神經(jīng)纖維上的傳導(dǎo)的原理時(shí)，不能選用電流傳感器（量程：-1A～+1A；分度：0.01A），而是要選擇微電流傳感器（量程：-1μA～+1μA；分度：0.01μA）。這是因?yàn)樯窠?jīng)纖維上興奮部位和未興奮部位之間的局部電流是很微弱的，只有微電流傳感器才能測量到。

又如：在光合作用的相關(guān)實(shí)驗(yàn)中，如果實(shí)驗(yàn)對象是陸生植物，變量中的氧氣和二氧化碳主要發(fā)生在周圍的空氣中，那就要選擇氧氣傳感器（量程：0～100%，分度1%）或二氧化碳傳感器（量程：0～150Kppm，分度1Kppm）。如果實(shí)驗(yàn)對象是水生植物，變量中的氧氣會溶解在周圍的水中，這時(shí)就要選擇溶解氧傳感器（量程：0～20mg/L，分度0.2mg/L）。

二、優(yōu)化現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)

1.案例

探究酶的高效性。原實(shí)驗(yàn)繁瑣，特別是檢驗(yàn)這一環(huán)節(jié)，由于加酶試管的實(shí)驗(yàn)反應(yīng)快，氣泡多，而且只能定性檢測實(shí)驗(yàn)結(jié)果，無法定量檢測O2。

2.改進(jìn)

在原有的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，簡化實(shí)驗(yàn)。改進(jìn)引入壓力傳感器（量程：0kPa～300kPa；分度：0.1kPa；配件：20ml注射器）的使用，可用于直接測量氣體的絕對壓強(qiáng)。注意裝置必須保持密封。試劑的添加也做相應(yīng)的改變。原來是等量的兩組過氧化氫溶液中分別滴加等量的催化劑和肝臟研磨液?，F(xiàn)在改為試管中加入等量催化劑，酶和蒸餾水，注射器中是1ml過氧化氫溶液。連接壓力傳感器、采集器和計(jì)算機(jī)，打開計(jì)算機(jī)，進(jìn)入相應(yīng)軟件系統(tǒng)，系統(tǒng)會自動識別所接入的傳感器，并顯示壓強(qiáng)值窗口?！敖M合圖線”添加不同顏色的“時(shí)間—壓強(qiáng)”圖線。“調(diào)零”后開始記錄數(shù)據(jù)。系統(tǒng)就會顯示實(shí)時(shí)的參數(shù)變化（形成曲線圖）。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象直觀、精確，有利于調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

3.延伸

此種方法還可以用來探究酶的專一性：實(shí)驗(yàn)裝置和方法基本相同，只需試管中改用等量的豬肝勻漿、胃蛋白酶溶液和蒸餾水，系統(tǒng)設(shè)置基本相同。還可以探究影響酶活性的條件：溫度或酸堿度。配合使用溫度傳感器和pH傳感器，控制自變量溫度或酸堿度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

另外，多種動、植物活組織中含有過氧化氫酶。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法準(zhǔn)確區(qū)別不同活組織中的過氧化氫酶的催化效率或過氧化氫酶的含量。傳感器的使用使其成為可能：可以比較不同植物、動物活組織中過氧化氫酶分解過氧化氫的情況，如比較豬肝勻漿、胡蘿卜、大白菜、蘋果、土豆等勻漿中過氧化氫。傳感器精細(xì)的分度可以感知微小的變化，通過圖表的形式能直觀反映出不同的活組織中含有過氧化氫酶，并反映出所含的量是有差異的。

傳感器的使用可以有效縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，科學(xué)拓展延伸實(shí)驗(yàn)，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率有利于培養(yǎng)學(xué)生的主動探索、自主探究的創(chuàng)新能力。

4.解讀

改進(jìn)要點(diǎn)：一是篩選傳感器，此實(shí)驗(yàn)可以用氧氣傳感器（量程：0～100%，分度1%），也可以用（量程：0～20mg/L，分度0.2 mg/L）。根據(jù)量程和分度以及對比壓力傳感器，后者的測量結(jié)果誤差小，更科學(xué)。二是試劑添加方式，原實(shí)驗(yàn)試劑過氧化氫量大，催化劑和酶的量雖然少，但是其高效性促使反應(yīng)劇烈，不適宜改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)。改用傳感器后，反應(yīng)無需劇烈，微小的變化也能清晰、直觀地顯示，所以通過注射器來少量添加過氧化氫溶液。否則由于產(chǎn)生的壓強(qiáng)過大而彈出橡皮塞或炸裂試管。三是裝置要密封，由于是選用壓力傳感器，因此密封是關(guān)鍵，否則測量結(jié)果不正確，誤差大。

5.缺點(diǎn)

隨著壓力的增大，注射器在實(shí)驗(yàn)的過程中可能發(fā)生反彈，進(jìn)而影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。建議選用注射器的針頭越細(xì)小越好，或增大注射器活塞的摩擦力和增加一根橡皮筋。

三、拓展研究性學(xué)習(xí)

作為綜合實(shí)踐活動之一的研究性學(xué)習(xí)已開展十多年了。在研究性學(xué)習(xí)中使用傳感器，有助于STS教育在中學(xué)生物教學(xué)中的滲透與融合，有助于培養(yǎng)學(xué)生主動獲取知識、應(yīng)用知識、解決問題的能力。

1.研究性學(xué)習(xí)與生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)無縫對接

例如：在開展“葉色與植物生長的研究”“不同種子儲存條件的研究”等研究性學(xué)習(xí)時(shí)，需要測量不同顏色的葉的光合速率和呼吸速率以及不同種子的呼吸速率。傳統(tǒng)方法很難開展實(shí)驗(yàn)，也沒有直觀的數(shù)據(jù)可記錄。這使研究性學(xué)習(xí)的可行性、科學(xué)性大打折扣。傳感器的使用使其簡便易行。便攜式光合作用測量系統(tǒng)是一種集成化的傳感器，其功能強(qiáng)大，攜帶方便，涵蓋了所有與蒸騰作用、光合作用、呼吸作用相關(guān)的變量的測量和計(jì)算，其葉室能對光照、溫度、含水量、CO2等環(huán)境因子進(jìn)行自動或手動控制。傳感器的使用加強(qiáng)了生物學(xué)科知識與研究性學(xué)習(xí)雙向滲透。

2.STS教育在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的滲透

STS教育強(qiáng)調(diào)把學(xué)科教育和社會、科技發(fā)展、生產(chǎn)生活等緊密結(jié)合。尤其在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們不僅應(yīng)重視學(xué)科知識的教育，更應(yīng)重視生物科學(xué)知識在社會生產(chǎn)和生活中的應(yīng)用。

例如：在血糖調(diào)節(jié)和模擬尿糖實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以聯(lián)系生活，介紹生物傳感器在醫(yī)藥衛(wèi)生和生活中的應(yīng)用。如高精度血糖分析儀，它是采用固定化酶的生物傳感分析儀，可以測量新鮮的毛細(xì)血管全血或靜脈全血的葡萄糖含量。其分析精度很高，速度快，成本低，可以反復(fù)使用。

又如：生物芯片在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。生物芯片是生物傳感器的陣列和集成化?；騻鞲衅骱突蛐酒?、蛋白質(zhì)芯片、組織芯片等為分子生物學(xué)提供了一種高通量、大樣本以及快速的分子水平的分析工具。把生物實(shí)驗(yàn)室集成化到芯片上，使分子生物學(xué)的分析更加靈敏、準(zhǔn)確、快速和簡便。

生物技術(shù)與傳感器技術(shù)的融合，提高了學(xué)生理解知識、應(yīng)用知識的能力，認(rèn)同科學(xué)技術(shù)發(fā)展與社會進(jìn)步是密不可分的。

四、總結(jié)反思

利用傳感器進(jìn)行中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)是一個(gè)全新的嘗試，不僅開拓了現(xiàn)代中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一個(gè)新領(lǐng)域，而且還改變并彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法、設(shè)備的不足，使其更符合中學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，把定性實(shí)驗(yàn)提升為定量實(shí)驗(yàn)?？梢赃M(jìn)一步定量比較、探究實(shí)驗(yàn)，同時(shí)，可以通過學(xué)生間的互動協(xié)作，通過實(shí)驗(yàn)圖像學(xué)會并提高分析數(shù)據(jù)、處理數(shù)據(jù)的能力，提高學(xué)生對生命科學(xué)的求知欲。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)極易走入機(jī)械化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的誤區(qū)：計(jì)算機(jī)軟件自動化顯示、計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果，減少學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、計(jì)算的時(shí)間，但也很容易培養(yǎng)學(xué)生的惰性。怎樣最優(yōu)化利用數(shù)字、圖表等直觀的數(shù)據(jù)反映出定量實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，還是一個(gè)課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有待解決的問題。另外，原本實(shí)驗(yàn)中的錯誤操作和錯誤結(jié)果會被新的錯誤所代替，怎樣科學(xué)、高效地解決生成的新問題，對教師把握實(shí)驗(yàn)教學(xué)的能力又提出了新的要求。

參考文獻(xiàn)：

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