黃燕芬 任翠娟 王平瑞 聶冬梅

【摘要】本文主要從數(shù)字化實驗系統(tǒng)的特點、對中學(xué)生物教學(xué)的優(yōu)化作用及應(yīng)用于中學(xué)生物教學(xué)的幾點感受三個方面，論述了數(shù)字化實驗系統(tǒng)在引入過程中對中學(xué)生物教學(xué)理念、過程、方式、效果等的影響，為構(gòu)建高效中學(xué)生物教學(xué)環(huán)境提供一定參考。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化實驗系統(tǒng) 中學(xué)生物教學(xué) 優(yōu)化

【基金項目】貴州省教育廳重點課改項目：高師理科專業(yè)教學(xué)論課程引入數(shù)字化實驗教學(xué)體系的建立和內(nèi)容研究；教育部項目：生物資源科學(xué)專業(yè)綜合改革試點（2012287）；貴州省學(xué)位辦項目：貴州省重點支持學(xué)科建設(shè)（2011231）。

【中圖分類號】G633.91 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2013）06-0178-02

數(shù)字化實驗系統(tǒng)（（Digital Information System，以下簡稱DIS）是一種新型實驗系統(tǒng)，主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)及實驗軟件包（專用軟件、通用軟件）等構(gòu)成。近年來，隨著教學(xué)中信息技術(shù)應(yīng)用量的增加，不少學(xué)校斥資引入DIS。DIS的使用拓寬了師生視野，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，提高了教學(xué)效率，實現(xiàn)了信息技術(shù)與中學(xué)生物教學(xué)的整合。謹(jǐn)以此文淺談對DIS 與中學(xué)生物教學(xué)關(guān)系的一些認(rèn)識，為構(gòu)建信息化中學(xué)生物教學(xué)環(huán)境提供一定參考。

1.DIS的特點

l.1 實現(xiàn)實驗過程“可視化”，增強(qiáng)實驗效果

實驗過程可視化包括實驗過程空間和時間的可視化。這是學(xué)生認(rèn)識生物現(xiàn)象、建立生物概念的基礎(chǔ)，是掌握生物規(guī)律，學(xué)會處理生物問題的關(guān)鍵所在。生物實驗中，空間上細(xì)微結(jié)構(gòu)的觀察一般可借助顯微鏡完成。而時間上過程難以捕捉記錄，是生物實驗的一個難點。例如“光合作用現(xiàn)象”過程研究，氣體變化情況受環(huán)境因素的影響（尤其是南方一些地區(qū)）較大，獲得明顯實驗結(jié)果耗費實驗時間較長，教學(xué)效果差。很多學(xué)校一般采用多媒體軟件進(jìn)行模擬演示或教師事先收集好氣體，學(xué)生完成最后驗證氣體這一步。以此方式完成實驗，學(xué)生沒有參與和體驗實驗的整個過程，更談不上科學(xué)探究。而引入DIS，通過傳感器實時采集數(shù)據(jù)，短時間內(nèi)可獲得大量數(shù)據(jù)，由此實現(xiàn)了數(shù)據(jù)記錄的自動性和時間連續(xù)性。清晰地顯示出光合作用過程中氣體隨時間變化的圖像，使光合作用過程變得“可視”，且能定量表達(dá)實驗結(jié)果，便于總結(jié)光合作用現(xiàn)象的特點和條件，符合歸納法教學(xué)的要求，可解決這一類似的問題。

1.2 數(shù)據(jù)采集處理“智能化”，使學(xué)生獲得更多探究時間

DIS數(shù)據(jù)采集器高頻率的采集功能可以自動把整個實驗過程中相關(guān)量的變化完整的記錄、存儲下來，由計算機(jī)通過“待測變量一時間”圖象直接把測量數(shù)據(jù)的變化過程顯示出來，直觀地看出各變量之間的關(guān)系，并由計算機(jī)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單統(tǒng)計、處理和分析，避免學(xué)生手工作圖不準(zhǔn)確造成實驗誤差而花時間查找和擺脫繁瑣的計算過程，節(jié)省時間用于學(xué)習(xí)實驗過程中的設(shè)計、觀察、思考、分析等。例如“探究食物能量”實驗，采用DIS，學(xué)生花費較短時間可完成花生所含能量的測定實驗操作，計算機(jī)直接給出花生燃燒的“溫度-時間”工作圖和實驗數(shù)據(jù)的計算結(jié)果，實驗很快結(jié)束。在教師的引導(dǎo)下學(xué)生將多出的時間、心力用于實驗設(shè)計，把實驗內(nèi)容拓展為富含糖、脂肪、蛋白質(zhì)三種類型食物所含能量的探究，充分驗證和修改假設(shè)，分析比較結(jié)果，有利于更好地理解概念，掌握規(guī)律，同時可以提高學(xué)生進(jìn)行實驗探究的興趣。

2.DIS對中學(xué)生物教學(xué)的優(yōu)化作用

2.1提高教學(xué)效率解決教學(xué)難題

DIS發(fā)揮了傳感器和計算機(jī)的優(yōu)勢，能采集到多種完整、動態(tài)的信息，并且能對實驗數(shù)據(jù)作出多維的、綜合性的分析和處理。使教師和學(xué)生可集中精力設(shè)計實驗方案、歸納總結(jié)、交流信息，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，極大的提高了教學(xué)效率。例如“蒸騰作用”的教學(xué)，在教師的指導(dǎo)下學(xué)生小組計算機(jī)聯(lián)機(jī)，分別引入溫度、光照度、濕度等傳感器，計算機(jī)將濕度隨溫度或光照度的變化顯現(xiàn)為圖像和數(shù)據(jù)，學(xué)生直觀地看到不同環(huán)境因素對蒸騰強(qiáng)度的影響，幫助學(xué)生認(rèn)識蒸騰作用的本質(zhì)。在此過程中學(xué)生由被動聽講變成主動參與，通過積極對話交流加深了對蒸騰作用的理解，解決了傳統(tǒng)實驗儀器不能直觀反映出更本質(zhì)現(xiàn)象的弊端，便于學(xué)生仔細(xì)觀察，加深理解，大大提高課堂教學(xué)的效果，輕松地解決教學(xué)中的難題。

2.2 易于培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和探究精神

DIS是一個開放式的易操作實驗平臺，與傳統(tǒng)的實驗儀器結(jié)合，提供了一種能夠快速、準(zhǔn)確地完成教師和學(xué)生自行設(shè)計的實驗，以及傳統(tǒng)儀器做不成或做不好的實驗的環(huán)境[1]。將傳統(tǒng)生物教學(xué)中很多不能量化，甚至是不能做的實驗變得具有可操作性，允許在實驗中嘗試改變各種實驗條件，比較得到的不同實驗結(jié)果，為學(xué)生創(chuàng)造一個科學(xué)探究和自主學(xué)習(xí)的便利環(huán)境，讓學(xué)生能更直觀地認(rèn)識和驗證生物規(guī)律，由此培養(yǎng)學(xué)生的實驗探究興趣，提高學(xué)生的動手能力，從而激發(fā)他們對學(xué)科的喜愛及培養(yǎng)觀察和實驗?zāi)芰σ约皩嵤虑笫怯掠诳茖W(xué)探究的精神。

2.3 創(chuàng)造促進(jìn)學(xué)生轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式的條件

信息化的實驗手段可以增強(qiáng)學(xué)生自主探究，運用所學(xué)知識解釋生物現(xiàn)象的能力。DIS種類豐富的傳感器和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力以及開放的實驗平臺，正好能滿足學(xué)生的多種實踐體驗需求，激發(fā)學(xué)生探究的欲望。有助于培養(yǎng)學(xué)生通過親自動手實踐發(fā)現(xiàn)問題尋找規(guī)律，把所學(xué)知識應(yīng)用于生物實驗解決問題的能力。將DIS和多媒體網(wǎng)絡(luò)教室結(jié)合起來，為開放互動性的課堂教學(xué)創(chuàng)造條件，增強(qiáng)團(tuán)隊合作精神，促使學(xué)生以獨立自主與合作交流相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式代替從前單一的個體學(xué)習(xí)方式。

2.4 創(chuàng)建信息化實驗環(huán)境提高學(xué)生實驗素質(zhì)

實驗素質(zhì)指學(xué)生在實驗過程中的科學(xué)精神、情感態(tài)度和實驗技能，包括懷疑、求真、分析、總結(jié)、創(chuàng)新等基本要素以及認(rèn)真、勤奮、謙虛、合作等情感因素和熟練完成實驗觀察、測量、驗證、探究等基礎(chǔ)能力，是科學(xué)素質(zhì)的重要組成部分。DIS系統(tǒng)的應(yīng)用，極大地優(yōu)化了傳統(tǒng)實驗手段和方法，建立了“信息化實驗環(huán)境”，符合現(xiàn)代教育大環(huán)境要求。學(xué)生在數(shù)字化實驗室充分體驗“快樂的科學(xué)”，有助于學(xué)生實驗素質(zhì)的發(fā)展。而實驗素質(zhì)的培養(yǎng)會促進(jìn)思維能力和創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)能力的培養(yǎng)，為學(xué)生將來從事科學(xué)研究、良好適應(yīng)工作環(huán)境創(chuàng)造條件。

3.DIS應(yīng)用于中學(xué)生物教學(xué)的幾點感受

3.1數(shù)字化實驗必須與傳統(tǒng)實驗有機(jī)結(jié)合

中學(xué)生物傳統(tǒng)實驗有許多基本上是屬于“定性”實驗，只能通過最終實驗現(xiàn)象來說明問題。實驗過程中，生物本身受到環(huán)境的影響較大，一個實驗內(nèi)容往往涉及多個方面的相關(guān)因素，加上實驗內(nèi)容本身設(shè)計單一，實驗結(jié)果的可控性與化學(xué)、物理等學(xué)科相比較差。此外采集數(shù)據(jù)需要多次操作才能得到多組數(shù)據(jù)，課堂時間僅能完成實驗數(shù)據(jù)的記錄。但是傳統(tǒng)實驗是培養(yǎng)學(xué)生基本實驗?zāi)芰蛯嶒炈仞B(yǎng)的載體，實驗過程要求學(xué)生操作熟練、手眼協(xié)調(diào)、觀察快速、選擇準(zhǔn)確。培養(yǎng)學(xué)生的操作能力，提高學(xué)生觀察的敏銳程度，有助于培養(yǎng)學(xué)生實事求是的科學(xué)態(tài)度及思考、質(zhì)疑、堅韌和創(chuàng)新的精神，是不能忽略的教學(xué)環(huán)節(jié)[2]。

DIS是以計算機(jī)為核心搭載各種傳感器構(gòu)成的一個實驗平臺，利用傳感器測量收集數(shù)據(jù)，計算機(jī)處理數(shù)據(jù)顯示結(jié)果，并且數(shù)據(jù)的量大、客觀真實，學(xué)生有選擇性的菜單式的操作就可以得到理想的擬合效果，實驗過程大大縮短，可以在課堂上完成完整的實驗過程。學(xué)生還可靈活設(shè)置實驗條件，拓寬實驗內(nèi)容，克服傳統(tǒng)實驗內(nèi)容的單一性，直接同時獲得多種數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果進(jìn)行分析比較，這是傳統(tǒng)實驗所無法達(dá)到的，在探究方面表現(xiàn)出很強(qiáng)的優(yōu)勢。由此可想，傳統(tǒng)實驗與DIS有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮二者的優(yōu)勢，必將大大提高實驗效率效果。例如，“動物與植物的相互依賴”教學(xué)過程中，采用傳統(tǒng)實驗需要測定不同條件下的CO2或O2的含量變化，體現(xiàn)動植物的相互依賴關(guān)系。工作量大，耗時長，數(shù)據(jù)繁多，誤差大，往往不能取得較好的實驗結(jié)果。若與DIS結(jié)合，配以CO2和O2傳感器，CO2和O2含量在不同條件下短時間內(nèi)的動態(tài)變化情況均能以圖像和數(shù)據(jù)結(jié)果形式表現(xiàn)出來，學(xué)生在有限的課堂時間內(nèi)完成了實驗，并通過圖像或數(shù)據(jù)變化，清晰深刻地認(rèn)識理解動植物的生存是相互依賴的這一生命本質(zhì)現(xiàn)象。在此，傳統(tǒng)實驗發(fā)揮了基礎(chǔ)教育的作用，DIS提升了實驗的準(zhǔn)確、高效性，二者結(jié)合的優(yōu)勢凸顯出來，使其成為達(dá)到更好教學(xué)效果的首選。

3.2 DIS是優(yōu)化實驗的一條重要途徑

創(chuàng)造性地進(jìn)行實驗改進(jìn)是新課程教學(xué)中的一項經(jīng)常性工作。DIS以全新的數(shù)字技術(shù)為核心手段，對實驗的各個環(huán)節(jié)、層面進(jìn)行優(yōu)化，是一種高科技、高起點的改進(jìn)[3]。DIS的數(shù)據(jù)處理軟件配合不同的傳感器，可實現(xiàn)不同的測量功能，完成一些傳統(tǒng)實驗手段不太好做的實驗。例如，配合壓強(qiáng)傳感器，能完成像“植物細(xì)胞的吸水和失水”、“滲透現(xiàn)象”等實驗；配合溫度傳感器，則能完成與溫度變化有關(guān)的一系列實驗的探究過程；配合多個傳感器還能同時完成一個實驗中的多個變量的測定。此外，DIS所特有的優(yōu)勢及其衍生的良好教學(xué)效果，如快速、準(zhǔn)確采集實驗數(shù)據(jù)和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力使之成為實驗改進(jìn)的多種途徑中較為行之有效的一條。充分利用這一重要途徑推行傳統(tǒng)實驗的改進(jìn)，可為學(xué)生提供更加寬泛的實驗領(lǐng)域，培養(yǎng)學(xué)生的探究創(chuàng)新能力和綜合信息處理能力。

3.3 充分發(fā)揮傳感器在探究性實驗中的作用

在生物教學(xué)中，通常通過實驗再現(xiàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程，讓學(xué)生體驗到“猜想—驗證—歸納”的科學(xué)探究過程，初步掌握科學(xué)探究的方法。傳感器作為其中重要的輔助手段，大大提高了探究過程的實效[4]。應(yīng)用傳感器可對傳統(tǒng)實驗進(jìn)行“再挖掘”，開發(fā)其潛在的教育和教學(xué)功能。例如，關(guān)于“細(xì)胞大小與物質(zhì)運輸?shù)年P(guān)系”，學(xué)生是沒有多少感性認(rèn)識的。通過創(chuàng)設(shè)模擬的實驗情景，教師及時引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)的生物研究方法，利用電導(dǎo)率傳感器主動進(jìn)行探究，可使學(xué)生在研究和歸納的過程中感性地理解生物的變化及其規(guī)律，從而理解書本理論知識，同時培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑，富于創(chuàng)新的精神。充分利用傳感器還可結(jié)合教材，把一些教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的學(xué)生不易理解的理論知識創(chuàng)設(shè)出一些新的實驗項目。以學(xué)生自身為主體，從發(fā)現(xiàn)者和探索者的角度出發(fā)，從實驗數(shù)據(jù)中，獨立地得到客觀世界的規(guī)律，在探究性實驗過程中，教師雖然不是主體，但是必須及時加以指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)的研究方法，學(xué)會在研究和歸納的過程中感性地理解生物變化及其規(guī)律[5]。

總之，將DIS引進(jìn)中學(xué)生物教學(xué)，推動了中學(xué)生物“實驗教學(xué)法”、“研究性學(xué)習(xí)”和“發(fā)現(xiàn)法”等教學(xué)理念的研究，豐富和發(fā)展了教育理論，并且將可能是現(xiàn)代學(xué)校生物教學(xué)水準(zhǔn)的重要標(biāo)志。生物學(xué)教師善于充分發(fā)揮DIS的教育功能，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用其進(jìn)行生產(chǎn)或科學(xué)實驗研究，獲得相應(yīng)能力，是生物科學(xué)素養(yǎng)的重要內(nèi)容。

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作者簡介：

黃燕芬（1967-），女，貴州貴陽人，副教授。主要研究方向：植物生物學(xué)教學(xué)與科研。