數(shù)字化技術(shù)在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用與評(píng)價(jià)

【摘 要】在教育信息化不斷推進(jìn)的背景下，數(shù)字化技術(shù)在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。本文通過具體案例的闡述，深入剖析了數(shù)字化技術(shù)在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的諸多優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，結(jié)合對(duì)學(xué)生的訪談反饋，對(duì)數(shù)字化技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)際效果進(jìn)行全面而客觀的評(píng)估。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化技術(shù)；生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)；評(píng)價(jià)

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2024）09-084-03

生物實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)探究能力、實(shí)踐操作能力以及科學(xué)邏輯思維能力等方面具有舉足輕重的地位。數(shù)字化技術(shù)，憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了顯著的效果。具體而言，數(shù)字化技術(shù)的引入有助于簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)雜步驟，通過計(jì)算機(jī)的高效運(yùn)算實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的快速收集與處理，從而大幅縮減實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間，讓學(xué)生有機(jī)會(huì)能夠進(jìn)行更深入的分析與探討。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)以直觀的圖像形式在計(jì)算機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)展示，以便學(xué)生能夠直觀地觀察和理解實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果[1]，相較于傳統(tǒng)冗長(zhǎng)的數(shù)據(jù)記錄，這種方式更能提升學(xué)生的圖表解讀與分析能力。更重要的是，數(shù)字化技術(shù)還有助于將諸多定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為定量實(shí)驗(yàn)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。數(shù)字化技術(shù)在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的運(yùn)用，無疑為提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)提供了有力支持。

概念界定

數(shù)字化技術(shù)，就是通過計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)和其他現(xiàn)代電子設(shè)備進(jìn)行信息處理、存儲(chǔ)、傳輸和應(yīng)用的先進(jìn)技術(shù)手段。這些技術(shù)將現(xiàn)實(shí)世界中的各種信息轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)可以理解和處理的數(shù)字形式，從而實(shí)現(xiàn)信息的快速、高效、精確處理[2]。

數(shù)字化技術(shù)在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，是指將現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)與生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，利用數(shù)字化設(shè)備、軟件及系統(tǒng)，對(duì)生物實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集、分析處理及可視化展示，從而提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，幫助學(xué)生更深入地理解和掌握生物學(xué)知識(shí)。

數(shù)字化技術(shù)在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

1.讓生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)更高效和準(zhǔn)確

數(shù)字化技術(shù)可以通過自動(dòng)化、智能化的設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行精確控制，并通過數(shù)據(jù)分析和可視化技術(shù)展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，大大提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率和準(zhǔn)確性。

如“使用高倍顯微鏡觀察幾種細(xì)胞”的實(shí)驗(yàn)，其目標(biāo)為：一是掌握臨時(shí)裝片的制作方法；二是熟悉利用高倍顯微鏡觀察細(xì)胞，并分析不同細(xì)胞之間的異同點(diǎn)。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，使用高倍顯微鏡時(shí)，需手動(dòng)調(diào)整反光鏡方向以獲取光源，以及手動(dòng)調(diào)整粗細(xì)準(zhǔn)焦螺旋以獲取清晰物像，一旦觀察到物像，僅觀察者本人可見，同組其他成員及教師均無法同時(shí)觀看，這在一定程度上防礙了學(xué)生之間的交流，也增加了教師對(duì)學(xué)生觀察結(jié)果的指導(dǎo)難度。當(dāng)需要將觀察到的圖像保存或展示給其他組學(xué)生時(shí)，傳統(tǒng)顯微鏡無法滿足這一需求，這在某種程度上影響了教學(xué)效果和學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

隨著數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用，傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡已被數(shù)碼顯微鏡所替代。數(shù)碼顯微鏡頂部配備圖像捕捉裝置，能夠?qū)崟r(shí)收集顯微鏡視野下的圖像，并通過計(jì)算機(jī)顯示器展示給觀察者及其他人員。這種技術(shù)的引入不僅便于學(xué)生間的交流，也可以實(shí)現(xiàn)將觀察到的圖像保存下來并提交給教師作為作業(yè)素材。同時(shí)，教師能夠?qū)崟r(shí)查看所有學(xué)生的觀察結(jié)果，從而及時(shí)提供指導(dǎo)和反饋。對(duì)于表現(xiàn)優(yōu)秀的實(shí)驗(yàn)組，教師可直接將其圖像在大屏幕上展示，作為優(yōu)秀作業(yè)的范例。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師和學(xué)生可對(duì)捕捉到的多種細(xì)胞的圖像進(jìn)行匯總和比較，有助于實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)——分析不同細(xì)胞的異同點(diǎn)。此外，這些圖像資料可長(zhǎng)期保存，為今后的教學(xué)工作提供豐富的素材。相較于過去通過互聯(lián)網(wǎng)搜索細(xì)胞圖像以獲取教學(xué)素材的方式，現(xiàn)今利用數(shù)碼顯微鏡所獲取的圖像更貼合實(shí)際教學(xué)需求。這種改變不僅提升了教學(xué)的準(zhǔn)確性，也增強(qiáng)了學(xué)生對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)和功能的直觀理解，為教學(xué)質(zhì)量的提升奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

本實(shí)驗(yàn)充分展示了數(shù)字化技術(shù)在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)。無論是學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作、教師的指導(dǎo)，還是對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的評(píng)價(jià)和資料的保存，數(shù)碼顯Zrb+i8OAh5YXyKMEC/nMEZGpyp2gP+PBf01dmb8pdkk=微鏡都顯著提高了便捷性。類似“使用高倍顯微鏡觀察幾種細(xì)胞”的實(shí)驗(yàn)，以及涉及細(xì)胞觀察的其他實(shí)驗(yàn)，如“觀察DNA和RNA在細(xì)胞中的分布”“體驗(yàn)制備細(xì)胞膜的方法”“用高倍顯微鏡觀察葉綠體和線粒體”“植物細(xì)胞的吸水和失水”以及“觀察根尖組織細(xì)胞的有絲分裂”等，均可借助數(shù)碼顯微鏡實(shí)現(xiàn)更高效的教學(xué)和學(xué)習(xí)體驗(yàn)[3]。特別是在“體驗(yàn)制備細(xì)胞膜的方法”實(shí)驗(yàn)中，數(shù)碼顯微鏡能夠捕捉并實(shí)時(shí)展示紅細(xì)胞吸水后細(xì)胞膨脹至破裂的連續(xù)過程，有助于學(xué)生更直觀地理解這一生物學(xué)現(xiàn)象。

2.豐富生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式與手段

通過數(shù)字化平臺(tái)，教師可以輕松獲取和分享各種教學(xué)資源，如實(shí)驗(yàn)視頻、教學(xué)課件等，豐富了教學(xué)內(nèi)容和形式[4]。同時(shí)，學(xué)生也可以利用數(shù)字化工具進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和探究，如通過模擬實(shí)驗(yàn)軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作練習(xí)，或利用數(shù)據(jù)分析工具對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行深入分析，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新精神。

以“探究影響酶活性的因素”實(shí)驗(yàn)為例，學(xué)生在進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)時(shí)需自主提出假設(shè)，并通過實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)行驗(yàn)證。教材提供了兩個(gè)假設(shè)方向，即溫度對(duì)酶活性的影響以及PH對(duì)酶活性的影響。鑒于溫度和PH是理化性質(zhì)中常見的測(cè)量指標(biāo)，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，我們可以利用溫度計(jì)以及PH試紙和對(duì)應(yīng)的數(shù)值表進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量工作。在忽略對(duì)溫度和PH值測(cè)量精確度要求的前提下，實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蝽樌M(jìn)行，并得出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，從而初步確定酶活性的最適溫度和最適PH的大致范圍。

然而，若學(xué)生有進(jìn)一步的研究需求，如希望精確探究淀粉酶的最適溫度或過氧化氫酶的最適PH，則必須依賴更為精確的測(cè)量?jī)x器。此時(shí)，數(shù)字化技術(shù)的優(yōu)勢(shì)便凸顯出來，利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)等先進(jìn)設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)更為精準(zhǔn)的測(cè)量。通過這種方式，能夠?qū)⒆钸m溫度和最適PH的范圍從大致的估計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w的數(shù)值，從而大大提升實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性。這充分展現(xiàn)了數(shù)字化技術(shù)的顯著優(yōu)勢(shì)[5]。

3.實(shí)現(xiàn)生物實(shí)驗(yàn)由定性上升到定量分析

數(shù)字化技術(shù)的引入，使得生物實(shí)驗(yàn)得以從傳統(tǒng)的定性分析邁向更為精確的定量分析，為生物學(xué)研究帶來了革命性的變革[6]。在之前的生物實(shí)驗(yàn)中，往往依賴于實(shí)驗(yàn)者的觀察和經(jīng)驗(yàn)來判斷實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這種方式雖然具有一定的參考價(jià)值，但難以避免主觀性和誤差的存在。隨著數(shù)字化技術(shù)的不斷發(fā)展，可以借助先進(jìn)的儀器設(shè)備和數(shù)據(jù)分析軟件，對(duì)生物實(shí)驗(yàn)中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行精確的測(cè)量和計(jì)算，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的定量描述。

在“探究影響酶活性的因素”實(shí)驗(yàn)中，教材在最后部分設(shè)置了一個(gè)深入的探究議題：在不同溫度或PH條件下，酶活性之間的差異究竟如何？同時(shí)，教材建議進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)，如通過測(cè)量達(dá)到相同實(shí)驗(yàn)結(jié)果所需的時(shí)間進(jìn)行比較。然而，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，準(zhǔn)確判斷何時(shí)達(dá)到同一實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在顯著困難。例如，要評(píng)估過氧化氫酶在不同PH條件下的酶活性差異，需要觀察從過氧化氫開始反應(yīng)到完全分解，即無氧氣再產(chǎn)生的整個(gè)過程中所需的時(shí)間。

雖然時(shí)間的測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單，但確定反應(yīng)完全結(jié)束，即不再產(chǎn)生氣泡的精確時(shí)間節(jié)點(diǎn)，卻頗具挑戰(zhàn)性。在反應(yīng)接近完成時(shí)，由于可能出現(xiàn)微小的氣泡，使得確定實(shí)驗(yàn)結(jié)束的具體時(shí)刻變得困難。此外，不同學(xué)生對(duì)氣泡消失的理解可能存在差異，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果無法達(dá)成一致。

為了解決這一問題，可以采用更為先進(jìn)的數(shù)字化技術(shù)。通過將試管連接壓強(qiáng)傳感器，學(xué)生可以實(shí)時(shí)觀察計(jì)算機(jī)顯示器上顯示的壓強(qiáng)變化。當(dāng)壓強(qiáng)不再增加時(shí)，即表示反應(yīng)已完全結(jié)束。通過這種方法，可以精確地比較不同PH值條件下酶活性的差異，從而將原本只能進(jìn)行定性分析的實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為定量比較的實(shí)驗(yàn)。

這一改進(jìn)充分體現(xiàn)了數(shù)字化技術(shù)在定量測(cè)量方面的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室難以處理的復(fù)雜探究項(xiàng)目，數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用讓教學(xué)更具靈活性[7]。

4.培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力

通過應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)工具，能夠?yàn)閷W(xué)生提供更為豐富、直觀和深入的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，從而有效提升他們的科學(xué)思維和探究能力。在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生需要運(yùn)用所學(xué)知識(shí)和技能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作和分析，不僅能鍛煉他們的實(shí)驗(yàn)技能，還能培養(yǎng)他們的科學(xué)探究能力。

例如，在“探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式”的實(shí)驗(yàn)中，一部分學(xué)生認(rèn)為在無氧呼吸過程中，酵母菌細(xì)胞需要在完全無氧的環(huán)境中才能進(jìn)行，而對(duì)于有氧呼吸，他們則認(rèn)為只需在氧氣存在的條件下才可發(fā)生。然而，經(jīng)過傳感器精確采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)自動(dòng)繪制成的實(shí)驗(yàn)曲線與學(xué)生的預(yù)期存在顯著的偏差。這時(shí)學(xué)生們通過結(jié)合呼吸作用化學(xué)式對(duì)實(shí)驗(yàn)曲線進(jìn)行了全面而細(xì)致的分析。經(jīng)過深入分析，學(xué)生們最終得出了科學(xué)的結(jié)論：無氧呼吸的發(fā)生并非絕對(duì)依賴于無氧環(huán)境，實(shí)際上，在低氧狀態(tài)下同樣可以發(fā)生；而有氧呼吸則必須在氧氣充足的情況下才能進(jìn)行。這一過程體現(xiàn)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度與積極主動(dòng)的科學(xué)探究精神。

數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐的評(píng)估與分析

1.訪談對(duì)象

經(jīng)過一學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐，我們針對(duì)某中學(xué)高一年級(jí)引入數(shù)字化技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的情況進(jìn)行了抽樣訪談。為確保訪談的廣泛性和代表性，我們采取隨機(jī)抽樣的方式，從每個(gè)班級(jí)中邀請(qǐng)三名學(xué)生參與。最終，共有21名學(xué)生接受了此次訪談。

2.訪談結(jié)果與分析

（1）學(xué)生對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的看法。在訪談過程中，當(dāng)問到關(guān)于將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的喜好程度時(shí)，學(xué)生們紛紛表示，他們傾向于這種數(shù)字化的教學(xué)形式。在這種教學(xué)模式下，他們展現(xiàn)了更為突出的獨(dú)立學(xué)習(xí)能力，同時(shí)也更愿意積極主動(dòng)地進(jìn)行交流分享，學(xué)生對(duì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣得到了顯著增強(qiáng)。學(xué)生們進(jìn)一步提到，通過這種數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式所培養(yǎng)的探究習(xí)慣，有助于他們更深入地學(xué)習(xí)并理解生物學(xué)知識(shí)?？傮w而言，大部分學(xué)生對(duì)將數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)表示出濃厚的興趣與認(rèn)可，這充分說明數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的優(yōu)越性。

（2）學(xué)生對(duì)生物實(shí)驗(yàn)課的喜愛程度。通過對(duì)訪談?dòng)涗浀姆治隹梢钥吹剑瑢W(xué)生們對(duì)生物實(shí)驗(yàn)課的喜愛程度較以前有了顯著的提升。這一變化得益于數(shù)字化技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的廣泛應(yīng)用，使得實(shí)驗(yàn)更具趣味性，學(xué)生們更加積極地參與到實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的學(xué)習(xí)。學(xué)生們的學(xué)習(xí)態(tài)度變得更加積極，展現(xiàn)出了強(qiáng)烈的主動(dòng)性和積極性。總體而言，大部分學(xué)生對(duì)生物實(shí)驗(yàn)課的喜愛度均有所增強(qiáng)，這充分證明了數(shù)字化技術(shù)在提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果方面的積極作用。

（3）學(xué)生解答生物實(shí)驗(yàn)試題的能力。在訪談中，學(xué)生們被問及是否感覺解答生物實(shí)驗(yàn)試題變得更為容易時(shí)，多數(shù)學(xué)生均表示他們的解題能力有所提升。大部分學(xué)生認(rèn)為，相較于以往，現(xiàn)在大家在解答這類試題時(shí)更加游刃有余。這一積極的變化主要?dú)w功于數(shù)字化技術(shù)的運(yùn)用，使得實(shí)驗(yàn)原理能夠更為直觀具體地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解更加容易，說明了數(shù)字化技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用可以提升學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)的效果。

數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用為生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入了鮮明的時(shí)代特征。通過其獨(dú)特的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與圖像顯示功能，數(shù)字化技術(shù)成功將微觀過程實(shí)現(xiàn)可視化，從而使學(xué)生能夠更直觀地觀察實(shí)驗(yàn)反應(yīng)過程。在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引入數(shù)字化技術(shù)，不僅豐富了生物實(shí)驗(yàn)研究的內(nèi)涵，更提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量。

培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力是提升其核心素養(yǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。數(shù)字化技術(shù)的運(yùn)用為學(xué)生開展探究性活動(dòng)提供了技術(shù)支撐，使學(xué)生能夠親身體驗(yàn)真實(shí)的探究過程，進(jìn)一步加深對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解與掌握。這不僅有助于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更符合當(dāng)前新課程改革的教育理念，為培養(yǎng)具備創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的優(yōu)秀人才奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

注：本文系福建省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年“研究共同體”專項(xiàng)課題“人工智能技術(shù)在教育評(píng)價(jià)中的應(yīng)用研究”（立項(xiàng)批號(hào)：Fjygzx23-099）研究成果

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