新視角：以數(shù)字化實驗系統(tǒng)來優(yōu)化傳統(tǒng)生物實驗教學

費偉虎

摘 要：隨著科技的進步，傳統(tǒng)生物實驗中的一些短板正在被新型的數(shù)字化實驗系統(tǒng)所彌補，以傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機和相關(guān)軟件組成的數(shù)字化實驗系統(tǒng)可以發(fā)揮更多的優(yōu)勢，彌補課堂教學的限制，以另一種面貌呈現(xiàn)出生物實驗教學的新趨勢。

關(guān)鍵詞：傳感器; 數(shù)據(jù)采集器; 數(shù)字化實驗; 傳統(tǒng)生物實驗

中圖分類號：G633.91? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-3315（2019）11-026-001

生物學是一門以實驗為基礎(chǔ)的學科，隨著科技的進步和教學的發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)字化的實驗系統(tǒng)，它使傳統(tǒng)生物實驗中難以進行定量測試的實驗得以用數(shù)據(jù)、圖像直觀的表現(xiàn)出來;能夠把難以在當堂完成的實驗得以完整的開展。以數(shù)字化實驗系統(tǒng)與傳統(tǒng)生物實驗教學相結(jié)合將是生物實驗教學發(fā)展的新方向。

一、數(shù)字化實驗系統(tǒng)的界定

基于傳感器的數(shù)字化實驗系統(tǒng)是由計算機及配套軟件、傳感器、數(shù)據(jù)采集器三部分構(gòu)成的。配套軟件含有相關(guān)的分析、顯示功能，能夠?qū)y得的數(shù)據(jù)以曲線、柱形圖、表格等多種形式顯示出來。使用時仍需要傳統(tǒng)的實驗儀器與之配合，才能獲取信號并轉(zhuǎn)化[1]。

二、數(shù)字化實驗系統(tǒng)對傳統(tǒng)實驗優(yōu)化的教學案例

適當?shù)倪\用數(shù)字化實驗系統(tǒng)對傳統(tǒng)生物實驗教學進行優(yōu)化，能夠很好的彌補傳統(tǒng)實驗教學中的不足。以下將蘇教版生物學七年級上冊“7.1能量的釋放和利用”為例講述。

教學片段，探究一：“探究植物呼吸過程中氣體的變化”的疑問

實驗1：驗證植物呼吸消耗氧氣

根據(jù)蘇教版生物學七年級上冊第112頁圖7-2植物的呼吸實驗（二），圖甲中沸水處理過的菠菜甲瓶中蠟燭火焰正常，而圖乙中新鮮菠菜在的乙瓶中蠟燭火焰燃燒不旺，火焰變小。

提出問題：乙瓶中火焰變小的原因可能是哪些？

學生討論，學生甲得出：乙瓶中由于氧氣變少導致了火焰變小。

生乙：乙瓶中的二氧化碳會增多也可能導致火焰變小。

生丙：可能既有氧氣變少也有二氧化碳增多兩種情況一起導致火焰變小。

師：非常好，大家分析的很準確。按照我們剛才強調(diào)實驗單一變量原則，這個實驗的做法就不嚴謹了。所以我們重新設(shè)計實驗。

重新設(shè)計實驗解決疑問。由教師展示并介紹實驗器材及數(shù)字化實驗系統(tǒng)，著重介紹二氧化碳和氧氣傳感器;學生觀察各裝置。

師：請同學們想想利用這兩種傳感器后，還需要分別檢測這兩種氣體的含量變化嗎？

生：不需要，可以同時觀察這兩種氣體在種子呼吸作用過程中的變化。

師：很好，請大家選擇合適的實驗裝置進行設(shè)計安裝。

師生合作：引導學生上前動手安裝實驗裝置，并罩好罩子，然后點擊軟件的“開始”按鈕。同時觀察軟件顯示的曲線變化趨勢，分析豌豆在進行呼吸作用時的氣體變化。

生：可以從屏幕上直觀的看到氧氣含量這條曲線正在下降，二氧化碳含量這條曲線正在上升。得出結(jié)論：植物在呼吸過程中氧氣會減少，二氧化碳會增多。

教學片段，探究二：探究種子呼吸過程中釋放熱量

師：探究種子呼吸過程中釋放熱量，由于使用普通溫度計測量時精度較差，是一個較緩慢的過程，所以需要較長時間才能看出效果。

師：根據(jù)前面的實驗，我們同樣可以用溫度傳感器來替代普通溫度計。

師生合作：用溫度傳感器替代溫度計，并連接數(shù)據(jù)采集器和電腦，打開軟件，等溫度穩(wěn)定后點擊開始，觀察溫度的變化。

師：大家看到了什么？

生：能夠直接在屏幕上看到溫度這條曲線在逐漸上升，溫度值在逐漸升高。

師：聯(lián)系探究一的實驗，你們可以得出什么結(jié)論嗎？

生：種子萌發(fā)的過程不斷的在進行著呼吸作用，呼吸作用過程中除了會消耗氧氣，產(chǎn)生二氧化碳和水以外，還會釋放熱量。

三、小結(jié)與體會

（一）小結(jié)本案例

在此教學實例中，把驗證性實驗改成探究性實驗，更容易激發(fā)學生的學習興趣，并能看出數(shù)字化實驗系統(tǒng)中的幾個優(yōu)點：

1.實驗一和探究二中的實驗都需要處理24小時左右，在傳統(tǒng)實驗教學中必須前期做好準備，而數(shù)字化實驗系統(tǒng)得益于傳感器的精確程度高，能在較短時間內(nèi)就測量出實驗中氣體含量的變化以及種子萌發(fā)過程中溫度的微小變化，并可以直觀的看出數(shù)據(jù)的變化趨勢。

2.實驗一的乙瓶火焰變小原因存在疑惑，在傳統(tǒng)實驗教學中以定性表達為著重點，但會出現(xiàn)疑惑，而借助數(shù)字化實驗系統(tǒng)就可以避免出現(xiàn)此類情況，以直觀的數(shù)據(jù)和曲線直接表達出實驗中植物進行呼吸作用過程中氣體含量的變化。消除疑惑，直觀而準確的表達。

3.數(shù)字化實驗系統(tǒng)可以直接把植物呼吸過程中兩種氣體的變化在一次實驗中就完成了，比傳統(tǒng)實驗更為簡單更具說服力。

4.探究種子萌發(fā)過程中釋放熱量的實驗，在傳統(tǒng)實驗中由于呼吸作用過程是一個微觀過程，種子釋放熱量也是積少成多的，所以這個觀察過程需要長時間才能看出溫度的變化?，F(xiàn)在使用溫度傳感器，就能在短時間內(nèi)測出溫度的變化及趨勢。

（二）體會

1.優(yōu)勢。數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗相比的突出優(yōu)點是實驗操作步驟變的簡單、操作時間減少，從而增加了學生的探究時間，實驗的結(jié)果直接以曲線形式展現(xiàn)形象直觀，可以將定性實驗變?yōu)槎繉嶒?，提高了實驗的準確度，實驗過程和結(jié)果可以重復(fù)觀看和分析，課堂時間內(nèi)完成傳統(tǒng)實驗不易完成的實驗。[2]

2.數(shù)字化實驗教學的劣勢。①長期使用數(shù)字化實驗系統(tǒng)會使學生處理數(shù)據(jù)的能力和動手能力有所減弱。②傳感器的種類以及能夠運用數(shù)字化實驗進行教學的內(nèi)容不多。③數(shù)字化實驗設(shè)備價格昂貴，大面積推廣還需要應(yīng)地制宜。

總之，基于傳感器的數(shù)字化實驗系統(tǒng)作為一種全新的實驗教學工具與傳統(tǒng)實驗教學相比具有新的功能優(yōu)勢，但也同樣存在不足之處，所以教師在實驗教學過程中可以利用數(shù)字化試驗系統(tǒng)來對部分傳統(tǒng)實驗進行優(yōu)化，根據(jù)實際情況合理使用數(shù)字化實驗。

參考文獻：

[1]喻金龍.高中物理DIS實驗基礎(chǔ)與拓展研究[D]上海：上海師范大學，2011：6

[2]張鳳.基于傳感器技術(shù)的數(shù)字化實驗在高中生物實驗教學的應(yīng)用研究[D]內(nèi)蒙：內(nèi)蒙古師范大學，2016