利用數(shù)字化實驗中的傳感器技術探究酵母菌細胞呼吸方式

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摘 要：數(shù)字化實驗教學模式是利用各種傳感器測量實驗數(shù)據(jù)并通過計算機數(shù)據(jù)處理軟件進行數(shù)據(jù)的實時采集、建模和圖像分析的技術。利用數(shù)字化實驗呈現(xiàn)結果，不僅可以使實驗定量分析更準確、結果更直觀，而且操作簡便、靈活，減少了煩瑣的計算，簡化了課堂教學程序，也能夠真正實現(xiàn)對學生科學探究能力的培養(yǎng)。

關鍵詞：生物教學;探究實驗;數(shù)字化實驗

一、現(xiàn)狀分析

新一輪的高中生物課程標準提出要提高學生的生物科學素養(yǎng)尤其是發(fā)展學生的科學探究能力。但實驗課程作為科學探究的重要載體目前存在諸多問題 [1 ]。探究性實驗教學因為傳感器技術的數(shù)字化實驗系統(tǒng)走進實驗室從而得到發(fā)展。筆者運用數(shù)字化實驗系統(tǒng)對探究性實驗“探究酵母菌細胞呼吸的方式”進行優(yōu)化，彌補傳統(tǒng)教學中該實驗耗時長、實驗裝置存在一定的局限性，造成在實際教學中開設率極低的現(xiàn)象，必須要探索新的方法 [2 ]。

基于傳感器技術的數(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)采集器三部分構成。傳感器是通過測量生物實驗的實驗數(shù)據(jù)然后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送到數(shù)據(jù)采集器，而數(shù)據(jù)采集器是將來自傳感器的數(shù)據(jù)進行采集并傳送到計算機。配套軟件能以多種形式將測得的數(shù)據(jù)顯示出來。“探究酵母菌細胞呼吸的方式”是人教版高中生物中的探究實驗，通過酵母菌細胞呼吸方式的探究不僅讓學生為后面的學習打下了基礎，還能培養(yǎng)學生根據(jù)相關的科學原理舉一反三地聯(lián)系實際的能力 [3 ]。

二、數(shù)字化實驗教學流程

學生已經(jīng)學習了酵母菌在有氧和無氧條件下都能生存，知道酵母菌能使葡萄糖發(fā)酵產(chǎn)生酒精，但不清楚這一過程是在有氧條件下還是無氧條件下進行的。在傳統(tǒng)實驗中實驗裝置煩瑣而且進行酵母菌培養(yǎng)時耗時8～10h，極大地限制了教學活動的開展，給教學帶來了困難。但通過數(shù)字化傳感器設備設計實驗可以幫助學生理解其本質(zhì)：培養(yǎng)液中的酵母菌細胞利用溶解氧進行有氧呼吸，氧氣用完之后就會進行無氧呼吸而且可以通過溶解氧傳感器來監(jiān)測氧氣濃度。由于能夠在課堂時間內(nèi)完成實驗就可以及時進行課堂反饋，實驗前準備溶解氧傳感器和數(shù)據(jù)采集器，通過USB線與計算機相連進行存儲和分析，點擊通用軟件，打開傳感器開關，屏幕顯示傳感器與軟件連接成功 [4 ]。將一定濃度的葡萄糖溶液和一定量的活性干酵母依次加入錐形瓶中，放入磁轉(zhuǎn)子。將溶解氧傳感器插入錐形瓶內(nèi)調(diào)節(jié)探頭高度最后將密閉好的錐形瓶放在磁力攪拌器上勻速攪拌。在軟件中自行設置相應參數(shù)點擊開始，軟件界面就會出現(xiàn)實時數(shù)據(jù)和實時曲線，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后點擊保存。

三、評價

生物教學活動的重要內(nèi)容是實驗，教師在教學過程中充當指導者并給學生提供一定的幫助，在探究過程中使學生能有一個明確的方向。筆者發(fā)現(xiàn)在高中生物實驗教學中運用數(shù)字化實驗可以在較短的時間內(nèi)完成大量的數(shù)據(jù)處理并隨時獲得實驗數(shù)據(jù)，直觀地得出實驗結論。運用傳感器技術與傳統(tǒng)實驗相整合，以實時數(shù)據(jù)和曲線的形式直觀地呈現(xiàn)酵母細胞的呼吸方式，使學生擺脫了煩瑣的計算和手工作圖工作，從而有更多的時間用于探究實驗的設計、分析、驗證和修改。通過對軟件參數(shù)的設置，可以完整地記錄下整個實驗過程，而且多種傳感器可同時接入一個數(shù)據(jù)采集器進行同步采樣、分析 [5 ]。在實驗中，學生不僅可以從物質(zhì)與能量的角度形成新的生命觀念，而且能基于實驗數(shù)據(jù)進行進一步探討、闡釋生命現(xiàn)象及規(guī)律，從而發(fā)展科學思維;最后分析得到的細胞呼吸的兩種方式有助于指導生產(chǎn)實踐，從而培養(yǎng)學生的社會責任感。今后在實際教學活動中以傳統(tǒng)實驗為載體，創(chuàng)設具體的生活情景，讓學生主動發(fā)現(xiàn)問題、研究問題從而解決問題，并利用數(shù)字化實驗設備進行探究，獲取相應的知識和能力 [6 ]。

新課改倡導培養(yǎng)學生基本能力的同時，注重培養(yǎng)學生的科學探究能力，信息技術特別是基于傳感器技術的數(shù)字化實驗系統(tǒng)為此提供了新的契機。學生接觸新的信息技術手段，與社會發(fā)展接軌，有利于學生的全面發(fā)展 [7 ]。在這種環(huán)境的推動下，隨著信息技術的發(fā)展，數(shù)字化實驗系統(tǒng)進入中學理科教學是必然趨勢。

參考文獻：

[1]王飛.高中生物探究性實驗教學的現(xiàn)狀與反思[J].天津師范大學學報，2019（2）.

[2]韓曉.高中生物實驗的改進和拓展[J].中學生物教學，2015（3）.

[3]曹春華.“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗改進與實施[J].福建基礎教育研究，2010，8（5）：15.

[4]喻金龍.高中物理DIS實驗基礎與拓展研究[D].上海：上海師范大學，2011.

[5]張云，林穎韜.高中生物實驗技術與教學[M].廈門：廈門大學出版社，2015.

[6]李惠新.對基于實驗探究的生物課堂教學的幾點反思[J].教學月刊：中學版（教學參考），2014（11）.

[7]張風.基于傳感器技術的數(shù)字化實驗在高中生物實驗教學的應用研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古師范大學，2016.