數(shù)碼顯微互動系統(tǒng)在“種群數(shù)量的變化”教學(xué)中的運(yùn)用

摘 要：顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)由數(shù)碼顯微鏡、電腦軟件系統(tǒng)、數(shù)字成像芯片、交換機(jī)等設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接而成，能將顯微鏡下的視野導(dǎo)入電腦，師生可通過電腦互動交流。種群數(shù)量的變化一節(jié)需要通過探究酵母菌的數(shù)量變化來建立種群增長的數(shù)學(xué)模型，本節(jié)應(yīng)用傳統(tǒng)教學(xué)存在著酵母菌個體微小難以辨認(rèn)、難以找到血球計數(shù)板的計數(shù)室;數(shù)據(jù)需要用數(shù)據(jù)處理軟件處理等等困難。運(yùn)用顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)能輕松突破以上難點(diǎn)，激發(fā)學(xué)生的積極性，有效提高課堂效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)碼顯微互動;種群數(shù)量;教學(xué);運(yùn)用

多媒體、電腦和網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，給人們的工作、生活帶來了巨大的變革，也為教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變帶來了極大的便利。顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)集多媒體、電腦和網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢為一體，具有共享性、時效性和交互性等特點(diǎn)[1]，為教師和學(xué)生在圖像、語音、文字的互動提供了交流平臺，給高中生物細(xì)胞、細(xì)胞器等的形態(tài)觀察實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了革命性的變化，顯示出傳統(tǒng)教學(xué)無可比擬的獨(dú)特優(yōu)勢。

1.顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)的功能

顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)由數(shù)碼顯微鏡、電腦軟件系統(tǒng)、數(shù)字成像芯片、交換機(jī)等設(shè)備通過網(wǎng)絡(luò)連接而成。實(shí)驗(yàn)室配有教師端電腦1臺和學(xué)生端電腦56臺。數(shù)碼顯微鏡用于捕捉視野形態(tài)結(jié)構(gòu);數(shù)字成像芯片可將捕捉到的圖像高速導(dǎo)入電腦，具有圖像拍照、錄像和測量等功能，并可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程共享[1];電腦軟件系統(tǒng)為MoticDigiLabⅡ軟件系統(tǒng)，運(yùn)行軟件可完成教師屏幕廣播、學(xué)生屏幕轉(zhuǎn)播、彩信交流、屏幕監(jiān)控和語音教學(xué)[1]等功能，進(jìn)行教學(xué)示范、監(jiān)控學(xué)生實(shí)驗(yàn)進(jìn)程、有針對性地輔導(dǎo)學(xué)生。

教師端電腦的主要功能有：（1）將教師端顯微鏡（或?qū)W生端顯微鏡）下觀察的內(nèi)容轉(zhuǎn)換并制作成圖像、視頻等數(shù)字化教學(xué)資源;（2）應(yīng)用相關(guān)軟件對采集到的相關(guān)數(shù)字化教學(xué)資源進(jìn)行分析、對比和統(tǒng)計;（3）實(shí)現(xiàn)在線授課、監(jiān)控并觀摩學(xué)生端顯微鏡下觀察及電腦屏幕顯示的內(nèi)容，師生在線問答、交流與討論;（4）可將某臺（或多臺）顯微鏡下觀察內(nèi)容實(shí)時傳送到實(shí)驗(yàn)室中的每臺電腦屏幕上，供教師講解與點(diǎn)評（或由學(xué)生進(jìn)行比對、交流與討論）;（5）下發(fā)實(shí)驗(yàn)作業(yè)、試卷、電子教案等數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源;（6）顯示提問或需教師指導(dǎo)的學(xué)生座位[2]。

學(xué)生端電腦的主要功能有：（1）可將顯微鏡下觀察的內(nèi)容采集并制作成圖像數(shù)字化教學(xué)資源對資源進(jìn)行分析、統(tǒng)計;（2）接收、觀摩、存儲由教師端下發(fā)的其圖像，并與自己觀察的相關(guān)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行比對分析;（3）在線向教師提問;（4）在線提交作業(yè)或圖像;（5）與同學(xué)通過系統(tǒng)的彩信交流等方式進(jìn)行討論[2]。

2.傳統(tǒng)方法進(jìn)行“種群數(shù)量的變化”一節(jié)教學(xué)面臨的困難

“種群數(shù)量的的變化”為人教版必修三《穩(wěn)態(tài)與環(huán)境》模塊、第四部分《種群和群落》的內(nèi)容，高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)對這節(jié)的描述為“嘗試建立數(shù)學(xué)模型解釋種群的數(shù)量變動”，屬于能力層面的“模仿”水平和知識層面的“理解”水平。在活動建議里則提出“探究培養(yǎng)液中酵母種群數(shù)量的動態(tài)變化”。即本節(jié)內(nèi)容要通過探究酵母菌的數(shù)量變化來建立種群增長的數(shù)學(xué)模型。而突破這一難點(diǎn)面臨以下困難：

酵母菌屬于微生物，需要在顯微鏡下觀察。盡管有圖片示范，很多同學(xué)依舊不清楚酵母菌長得什么樣，通常會把顯微視野下的雜物（如擦玻片留下的纖維、酵母菌培養(yǎng)液里的雜質(zhì)等）誤認(rèn)為是酵母菌，傳統(tǒng)教學(xué)需要教師對學(xué)生觀察到的視野一個個地進(jìn)行檢查，費(fèi)時費(fèi)力;

學(xué)生第一次用血球計數(shù)板，難以找到計數(shù)室，也很難理解計數(shù)的原理和方法;

計數(shù)完成后需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計、處理，建立數(shù)學(xué)模型，需要用到數(shù)學(xué)軟件。傳統(tǒng)教學(xué)只能留到課后請部分同學(xué)找到電腦進(jìn)行操作，很難全員參與。這樣造成的后果是：學(xué)生獲得數(shù)據(jù)后沒有立即處理，一段時間后很難理解這些數(shù)據(jù)背后隱藏的生物學(xué)意義。

3.基于顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)進(jìn)行“種群數(shù)量的變化”教學(xué)的實(shí)驗(yàn)改進(jìn)和數(shù)據(jù)處理

在運(yùn)用顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)前，先對相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容和實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行以下調(diào)整。

①優(yōu)化酵母菌的培養(yǎng)條件：取250ml的錐形瓶6個，每瓶裝培養(yǎng)液100ml，30℃，250rpm/min。由于條件優(yōu)化了，實(shí)驗(yàn)由原來的一周縮短為一天。

②將酵母菌種群數(shù)量固定在某一特定時段：接種完酵母菌后，每隔2小時取樣5ml，注入5ml的離心管內(nèi)，興趣小組即時計數(shù)后，用沸水加熱25min殺死的方法或是直接放到冰箱冷藏（事先經(jīng)過驗(yàn)證為可行方法，省去固定劑）。

③在課堂上請同一小組的學(xué)生算出不同時段的酵母菌種群密度，通過顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)內(nèi)的彩信交流，進(jìn)運(yùn)用EXCEL等軟件處理數(shù)據(jù)，取平均值，繪制曲線，建立酵母菌種群數(shù)量增長的數(shù)學(xué)模型。教師應(yīng)用教師端電腦展示酵母菌圖片，講解血球計數(shù)板的使用和計數(shù)原理，監(jiān)控處理學(xué)生在操作中出現(xiàn)的問題，交流數(shù)據(jù)，展示學(xué)生圖像進(jìn)行教學(xué)示范。

以上改進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)在于：條件優(yōu)化和分組計數(shù)大大縮短了時間，提高了效率;集中精力將重點(diǎn)放在應(yīng)用數(shù)碼顯微系統(tǒng)進(jìn)行酵母菌計數(shù)并建立數(shù)學(xué)模型。不在實(shí)驗(yàn)過程耗費(fèi)過多精力;親身體驗(yàn)這些數(shù)據(jù)的來源，建立模型并及時進(jìn)行分析，有利于讓學(xué)生領(lǐng)會掌握規(guī)律的重要性，即：理解建立數(shù)學(xué)模型的意義。

4.顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)在“種群數(shù)量的變化”一節(jié)教學(xué)中展現(xiàn)的優(yōu)勢

由于顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)能及時將顯微視野下的圖像高速導(dǎo)入電腦，教師能實(shí)時監(jiān)控并觀摩學(xué)生端顯微鏡下觀察及電腦屏幕顯示的內(nèi)容，運(yùn)用顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)進(jìn)行本節(jié)教學(xué)體現(xiàn)出傳統(tǒng)教學(xué)無可比擬的優(yōu)越性。

讓每一位學(xué)生都能準(zhǔn)確認(rèn)識并找到酵母菌。教師通過教師端電腦的實(shí)時監(jiān)控，一發(fā)現(xiàn)問題即可對學(xué)生進(jìn)行及時的指導(dǎo)、糾錯，或展示操作比較好的同學(xué)的圖像，進(jìn)行教學(xué)示范;

確保每一位學(xué)生都學(xué)會血球計數(shù)板的使用，準(zhǔn)確找到計數(shù)室。教師在監(jiān)控過程中可及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作中出現(xiàn)的問題，進(jìn)行有效的指導(dǎo)。這樣，大大縮短了時間，提高了效率;

酵母菌計數(shù)完之后，同學(xué)之間可通過系統(tǒng)內(nèi)的彩信功能進(jìn)行交流，傳輸數(shù)據(jù)并及時進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理，如：取平均值，建立曲線圖，發(fā)現(xiàn)酵母菌增長的內(nèi)在規(guī)律。這時，為了深化學(xué)生對酵母菌增長“S”型增長規(guī)律的理解，可通過教師端電腦分配學(xué)習(xí)任務(wù)：

①用生物學(xué)知識說明“S”型曲線產(chǎn)生的原因。（如果是自然環(huán)境中的其它生物呢？）

②“S”型曲線與“種群的特征”有哪些知識聯(lián)系，還可以跟哪些知識聯(lián)系起來？

③如果上述“S”型曲線的縱坐標(biāo)改成增長速率，那么曲線應(yīng)該怎么畫？若改成出生率、死亡率呢？

④應(yīng)用種群數(shù)量的“S”型增長規(guī)律如何解決實(shí)際問題（如：如何有效地滅鼠？如何拯救瀕危動物大熊貓？怎么捕撈才能保護(hù)魚類資源不受破壞，并獲得最大的年捕魚量？）

以上四個問題，分組討論，讓學(xué)生學(xué)會思考數(shù)據(jù)背后隱藏的生物學(xué)意義，懂得知識的前后聯(lián)系。問題④啟發(fā)學(xué)生應(yīng)用數(shù)學(xué)模型去分析問題、解決實(shí)際問題，從根本上引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識到建立數(shù)學(xué)模型的重要性，讓學(xué)生在解決問題的過程中深入理解生物學(xué)的核心概念，體驗(yàn)知識應(yīng)用的樂趣，從而把科學(xué)、技術(shù)與社會聯(lián)系起來。

應(yīng)用數(shù)碼互動系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)，能及時監(jiān)測學(xué)生的動態(tài);即時計數(shù)，即時統(tǒng)計，繪制曲線圖，由于時間上的連續(xù)性，學(xué)生對自己獲得的數(shù)據(jù)及時處理，很容易理解數(shù)據(jù)與規(guī)律的關(guān)聯(lián);學(xué)生建立完酵母菌種群增長的數(shù)學(xué)模型后，教師立即以4個問題啟發(fā)學(xué)生思考，避免了傳統(tǒng)教學(xué)時間和思維上的斷層，有效地突破了“應(yīng)用數(shù)學(xué)模型闡明、預(yù)測解決實(shí)際問題”這一重難點(diǎn)。

總之，運(yùn)用顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)，有效提高了“種群數(shù)量的變化”一節(jié)的教學(xué)質(zhì)量。學(xué)生更加直觀地觀察酵母菌的形態(tài)，學(xué)會了血球計數(shù)板的使用，加深了對課本知識的理解;通過顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)，學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主體，改變了被動學(xué)習(xí)的狀況;通過顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)，教學(xué)效率大大提高了，教學(xué)效果得到了切實(shí)有效的落實(shí)。當(dāng)然，我們還應(yīng)繼續(xù)充分拓展顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)的功能，轉(zhuǎn)變教學(xué)觀念，改進(jìn)教學(xué)設(shè)計，優(yōu)化教學(xué)過程，激發(fā)學(xué)生的積極性和創(chuàng)新性，進(jìn)一步提高教學(xué)的質(zhì)量和效果。

參考文獻(xiàn)

[1]劉艷，馬曉平，利用顯微數(shù)碼互動系統(tǒng)提高微生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[J]，實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2015（10）：195—197，205

[2]杜坤，張彪，等，數(shù)碼顯微互動系統(tǒng)用于細(xì)胞生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)[J]，實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2015（2）：128—130，150

作者簡介：楊春香，1977年9月生，女，中學(xué)一級，生物化學(xué)與分子生物學(xué)理學(xué)碩士