朱明

摘 要 在理化生等實(shí)驗(yàn)學(xué)科中，各類傳感器的使用，推動了數(shù)字化校園建設(shè)和學(xué)科教學(xué)精準(zhǔn)度，轉(zhuǎn)變了原有的學(xué)習(xí)方式與教學(xué)模式，促進(jìn)了信息技術(shù)與其他學(xué)科知識技能的整合發(fā)展。

關(guān)鍵詞 信息技術(shù)；生物實(shí)驗(yàn)；傳感器

中圖分類號：G633.91 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2016）23-0151-02

1 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室和傳感器的選擇

實(shí)驗(yàn)室概述 中學(xué)階段的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室是當(dāng)前應(yīng)用非常廣泛的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，是由各類數(shù)字化儀器和相應(yīng)的分析設(shè)備組成的測量系統(tǒng)。它可以通過設(shè)計(jì)并實(shí)施一系列的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方案，通過各類傳感設(shè)備和分析儀器，快速高效地完成電、熱、力、光、聲等各種數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和分析，實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)鏈的存儲、計(jì)算、分析，并最終展示想要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

傳感器的選擇 生物數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中，最為重要的儀器就是各類傳感器。根據(jù)傳感器敏感元件的特點(diǎn)，可將其分為三大類：

1）物理類，主要基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應(yīng)；

2）化學(xué)類，主要基于化學(xué)反應(yīng)的原理；

3）生物類，主要基于酶、抗體、激素和核酸等分子特異性識別功能。

根據(jù)中學(xué)生物學(xué)科的自身特點(diǎn)，科學(xué)選擇各類傳感器，能夠快速地分析展示出數(shù)字化、圖表化、形象化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，提高了實(shí)驗(yàn)的趣味性和準(zhǔn)確性，體現(xiàn)了現(xiàn)代化數(shù)字實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性。

傳感器的前景與展望 目前，傳感器的使用仍將圍繞選擇活性強(qiáng)、選擇性高的生物類傳感元件，還將進(jìn)一步探索如何提高數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換設(shè)備的使用壽命，解決各類儀器設(shè)備在體型、功能、質(zhì)量等方面的問題。

將來，實(shí)驗(yàn)室中各類傳感器將具備下列特點(diǎn)。

1）功能多樣。將來的各種類型的傳感器，將進(jìn)一步進(jìn)入社會和人們生活的方方面面，進(jìn)一步涉及醫(yī)療、環(huán)境、能源、食品、航天等行業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。

2）體型縮小。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，各類傳感器的體型將不斷縮小，各種可攜帶的傳感器將進(jìn)入普通人們的家庭，實(shí)現(xiàn)醫(yī)療儀器的家庭化使用，提高人們的生活品質(zhì)。

3）智能集成。同樣，科技的進(jìn)步也將進(jìn)一步帶來各類傳感儀器設(shè)備的智能化，使得各類復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)功能能夠更加集成化，實(shí)現(xiàn)從采集到結(jié)果的全自動化智能處理。

4）質(zhì)優(yōu)價(jià)廉。隨著傳感儀器設(shè)備的功能和質(zhì)量的提高，生產(chǎn)成本的不斷降低，將形成高智能化、高集成、低成本的傳感設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈。

傳感設(shè)備關(guān)鍵性能的改善，將會帶動傳感器的社會化、產(chǎn)業(yè)化和生活化的進(jìn)程，也會大大提高現(xiàn)代化的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，實(shí)現(xiàn)科技對教育的促進(jìn)作用。

2 生物實(shí)驗(yàn)狀況分析

生物數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用，主要是將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以數(shù)字化方式采集分析歸納，從而得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。相對于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)，只能強(qiáng)調(diào)儀器的操作是否規(guī)范，只能關(guān)注實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是否準(zhǔn)確，只能起到驗(yàn)證結(jié)論的作用，而無法探究具體的實(shí)驗(yàn)過程，無法提高學(xué)生的思維和創(chuàng)新能力。但是，通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的方式，則可以彌補(bǔ)這類缺憾，達(dá)到現(xiàn)代化教學(xué)的目的。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的自身特點(diǎn)尤其體現(xiàn)在下列三類實(shí)驗(yàn)中：

1）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中使用常規(guī)器材無法觀察到的實(shí)驗(yàn)；

2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在過程中不斷變化的動態(tài)實(shí)驗(yàn)；

3）一些無法使用傳統(tǒng)器材和思維進(jìn)行的現(xiàn)代化的復(fù)雜實(shí)驗(yàn)。

因此，教師在進(jìn)行有關(guān)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的安排中，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)好實(shí)驗(yàn)思路和方案，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字實(shí)驗(yàn)科學(xué)地結(jié)合起來，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢。

3 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用

1）利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)器材的超強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力，不斷提升實(shí)驗(yàn)過程中的精確度和可信度，促進(jìn)學(xué)生對生物實(shí)驗(yàn)的正確認(rèn)識。在傳統(tǒng)生物實(shí)驗(yàn)中，以觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及實(shí)驗(yàn)結(jié)果為主，對實(shí)驗(yàn)的動態(tài)過程很難把握。但是使用了現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)傳感設(shè)備，可以對實(shí)驗(yàn)過程中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，對實(shí)驗(yàn)中的各種微觀現(xiàn)象進(jìn)行展示，這樣就使得在教學(xué)目標(biāo)的設(shè)計(jì)中，不但要得到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，還要科學(xué)地把握實(shí)驗(yàn)中的重要環(huán)節(jié)，體現(xiàn)出實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程性特點(diǎn)?？梢猿浞掷煤脭?shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢，對過程中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，將其結(jié)果以表格或圖像等生動的形式展現(xiàn)。讓學(xué)生理解實(shí)驗(yàn)教學(xué)中過程和結(jié)果一樣重要的理念，提高實(shí)驗(yàn)的精確度和可信度，提升他們對實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果進(jìn)行分析和判斷的能力。

2）利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)處理和結(jié)果展示的優(yōu)勢，提升教學(xué)目標(biāo)、重難點(diǎn)的達(dá)成度，提高教學(xué)效率。在常規(guī)的教學(xué)過程中，知識點(diǎn)的概念和原理較難理解，學(xué)生也無法接觸和體驗(yàn)到具體過程，但是通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的收集和分析，可以掌握各種內(nèi)在的、本質(zhì)的、重要的內(nèi)容，便于學(xué)生進(jìn)一步的理解和接受。在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的展示中，也可以采用豐富的多媒體形式，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行各種探討和加工，形成學(xué)生探究的學(xué)習(xí)過程，不僅激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，而且優(yōu)化了教學(xué)過程，提升了教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成度，提高了課堂的教學(xué)效率。

3）利用數(shù)字化傳感設(shè)備在數(shù)據(jù)處理中精確度高的優(yōu)勢，可以對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)驗(yàn)證和判斷，提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。由于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的精確度高、過程清晰，因此，使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)所得出的結(jié)果可能與以往結(jié)論有不一致的地方。因此，應(yīng)該利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢，引導(dǎo)學(xué)生對以往傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)判斷和分析，探討理論與實(shí)際、結(jié)果與預(yù)期差異性產(chǎn)生的原因，進(jìn)一步改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方法和手段，進(jìn)一步提升實(shí)驗(yàn)操作水平。

通過以上過程可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)論是經(jīng)過多年的驗(yàn)證得以形成的，但對于學(xué)生來說，要有質(zhì)疑科學(xué)的精神，要有主動探究的能力，更要有分析總結(jié)的水平，并最終形成自身獨(dú)有、終身受用的科學(xué)素養(yǎng)。

4）利用在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中對傳感器和計(jì)算機(jī)的使用，提高學(xué)生對信息技術(shù)設(shè)備和軟件的操作水平，提升學(xué)生的信息綜合素養(yǎng)。在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中，由于實(shí)驗(yàn)過程和操作的需要，學(xué)生必須不斷接觸各類傳感儀器和計(jì)算機(jī)中的相關(guān)應(yīng)用軟件。因此，在完成生物實(shí)驗(yàn)任務(wù)的同時(shí)，他們也在不斷接觸各類儀器設(shè)備的連接和使用，以及各類專業(yè)軟件的調(diào)試和運(yùn)行，其中滲透著很多信息技術(shù)學(xué)科的知識和要領(lǐng)，對學(xué)生提出跨學(xué)科的更高要求，也不斷提高學(xué)生對于信息技術(shù)學(xué)科求知和探索的欲望，最終也提升了學(xué)生的信息綜合素養(yǎng)。

4 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)面臨的困擾

采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，能夠較好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足，但在實(shí)際運(yùn)用過程中也容易走入一定的誤區(qū)。

很多教師畏懼開設(shè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)課程 不少教師對于實(shí)驗(yàn)課程中加入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備有抵觸情緒，這打破了他們一貫的教學(xué)形式，對他們也提出了更高的要求。另外，也有部分教師對于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)剛開始熱情高漲，但經(jīng)過一段時(shí)間沒有達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，他們便沒了持之以恒的決心，也就中途放棄了。

教學(xué)內(nèi)容安排與教學(xué)實(shí)際情況的矛盾 在新課程內(nèi)容的設(shè)置中，雖然學(xué)生探究性實(shí)驗(yàn)多了，但相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課時(shí)安排還不夠；在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中，對于操作要求的嚴(yán)謹(jǐn)性較高，但學(xué)生對于探究實(shí)驗(yàn)過程的體驗(yàn)則無法很好實(shí)現(xiàn)；另外，在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)操作中，由于學(xué)生的操作技巧水平不高，容易導(dǎo)致設(shè)備的頻繁損壞，不適宜進(jìn)行廣泛的平行授課。

學(xué)生現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)技能培養(yǎng)的矛盾 如計(jì)算機(jī)軟件自動化顯示、計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果，減少了學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析、計(jì)算的時(shí)間，弱化了實(shí)驗(yàn)操作中細(xì)節(jié)分析和理解接受的過程，這也很容易養(yǎng)成學(xué)生的依賴性。

5 總結(jié)反思

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是一種工具，以其豐富的傳感器、精確快速的測量、多功能的軟件為支撐，提供了一個(gè)科學(xué)探索的技術(shù)平臺。這不僅開拓了現(xiàn)代中學(xué)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新領(lǐng)域，也對信息技術(shù)教師提出新的要求，在完成課程標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，還要進(jìn)行多學(xué)科、跨學(xué)科知識技能的思考與研究，幫助學(xué)生利用好信息技術(shù)手段，在學(xué)校教學(xué)的各方面充分體現(xiàn)出信息技術(shù)的優(yōu)勢。