余秀

摘? ?要：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室（簡稱DIS）是利用計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件和傳感器結(jié)合的一種實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、建模和圖像分析的技術(shù)。利用DIS呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不僅可以使實(shí)驗(yàn)定量分析更準(zhǔn)確，而且也可以提升探究活動(dòng)的層次，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程可視化、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)重點(diǎn)化、數(shù)據(jù)采集和分析智能化、教學(xué)過程現(xiàn)代化。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室;實(shí)驗(yàn)探究;生物教學(xué)

1? 現(xiàn)狀分析

探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要性不言而喻，對高中生物實(shí)驗(yàn)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，在人教版高中生物必修中編選的探究實(shí)驗(yàn)共15個(gè)，而在大多數(shù)學(xué)校實(shí)際教學(xué)中能按要求開出的不到30%。從探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織方法來看，主要是按教材給出的探究實(shí)驗(yàn)的一般流程進(jìn)行，有的教師會(huì)利用“引導(dǎo)-探究”即從教學(xué)設(shè)計(jì)的視角組織教學(xué)。很少教師能對實(shí)驗(yàn)的材料、用具、方法、過程等進(jìn)行創(chuàng)新與改造。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中相關(guān)能力得不到發(fā)展，如提出問題的能力，作出假設(shè)的能力，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的能力等等[ 1 ]。顯然，大多數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和分析耗時(shí)、繁瑣且誤差較大，工作量較大與緊張的課時(shí)之間存在的矛盾以及實(shí)驗(yàn)資源配置缺乏等，都是探究實(shí)驗(yàn)無法開出或開足的限制因素。

筆者利用現(xiàn)代信息技術(shù)手段——數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，以“探究環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度的影響”為例，探索解決探究實(shí)驗(yàn)開設(shè)限制的新方法。

DIS是利用傳感器結(jié)合計(jì)算機(jī)相應(yīng)軟件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集和實(shí)時(shí)分析的技術(shù)?！疤骄凯h(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度的影響”是人教版高中生物必修一第五章第四節(jié)能量之源——光與光合作用中的探究實(shí)驗(yàn)。旨在讓學(xué)生通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來探究環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度的影響，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提高農(nóng)作物產(chǎn)量提供依據(jù)，并為后續(xù)“光合作用原理的應(yīng)用”的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。該部分在考綱中為Ⅱ類要求，通常為綜合考查。參考案例“探究光照強(qiáng)弱對光合作用強(qiáng)度的影響”，以菠菜葉為實(shí)驗(yàn)材料，簡單易取又經(jīng)濟(jì)，利用臺(tái)燈作為光源節(jié)能安全，但使用相對籠統(tǒng)的 “強(qiáng)、中、弱”來描述光照強(qiáng)度，定量分析顯得較為簡單，而且通過臺(tái)燈和葉片間距離改變來實(shí)現(xiàn)光照強(qiáng)度的差異，產(chǎn)生的溫度變化引起的影響卻沒有考慮[? 2? ]。如果引導(dǎo)學(xué)生利用DIS呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，不僅可以使實(shí)驗(yàn)定量分析更準(zhǔn)確，而且也可以提升探究活動(dòng)的層次，培養(yǎng)學(xué)生探究能力。

2? 基于“DIS”的教學(xué)流程

學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了光合作用的探究歷程，了解光合作用的過程，知道外界諸多因素將影響光合作用強(qiáng)度，但這些都是感性認(rèn)識，光合作用強(qiáng)度變化是一個(gè)微觀變化過程，通過設(shè)計(jì)該實(shí)驗(yàn)可以幫助學(xué)生更好理解其本質(zhì)[ 3 ]。高中生已經(jīng)具備初步探究能力，學(xué)習(xí)的自覺性和主動(dòng)性較高，實(shí)踐能力和表達(dá)交流能力較強(qiáng)，所以教師在課堂只要引導(dǎo)學(xué)生從光照強(qiáng)度、CO2濃度、光質(zhì)等角度自主選擇研究課題“探究某種因素對光合作用強(qiáng)度的影響”，以學(xué)習(xí)小組為單位自行設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)方案，從自變量設(shè)定，因變量的檢測，無關(guān)變量的平衡等方面分析實(shí)驗(yàn)方案的可行性。實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備好需要使用的傳感器，使用USB線將傳感器與電腦相連，打開傳感器側(cè)面開關(guān);點(diǎn)擊啟動(dòng)通用軟件，確保傳感器與軟件連接成功。按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)將植物和傳感器置于實(shí)驗(yàn)器中，可使用實(shí)驗(yàn)?zāi)０暹M(jìn)行實(shí)驗(yàn)或者根據(jù)所需自行設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，如設(shè)置采集數(shù)據(jù)點(diǎn)的頻率、實(shí)驗(yàn)采集時(shí)間、實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示框、實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)曲線顯示框等。設(shè)置完成點(diǎn)擊“開始”，開始數(shù)據(jù)采集，軟件界面即會(huì)顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)曲線，待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后保存。

3? 評價(jià)

根據(jù)DIS采集的數(shù)據(jù)和分析，學(xué)生便可以直觀地得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，利用DIS使得信息技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)課程整合，使得抽象的環(huán)境因素對光合作用的影響以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)曲線的形式呈現(xiàn)，變得“可視化”。利用該系統(tǒng)，學(xué)生可以直觀地看出環(huán)境因素對光合作用的影響，使學(xué)生擺脫了手工作圖的繁瑣和作圖不準(zhǔn)確而造成的實(shí)驗(yàn)錯(cuò)誤，從而將更多的時(shí)間、精力用于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、探究、分析、驗(yàn)證和修改，提高學(xué)生探究的興趣同時(shí)將實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)成為學(xué)生的思考中重心的目的。通過對系統(tǒng)參數(shù)高采樣率的設(shè)置，把整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程完整記錄下來，而且數(shù)據(jù)采集器能同時(shí)接入多只傳感器，同步采集，實(shí)驗(yàn)過程與數(shù)據(jù)變化過程同步化，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、處理、定量顯示。

學(xué)生通過調(diào)查，設(shè)計(jì)探究某種因素對光合作用的影響實(shí)驗(yàn)，從而提高科學(xué)探究的能力;通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生學(xué)會(huì)從物質(zhì)與能量視角，探索光合作用與呼吸作用，闡明細(xì)胞生命活動(dòng)過程中貫穿著物質(zhì)與能量的變化從而形成生命觀念;同時(shí)學(xué)生能夠基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，探討、闡釋環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度的影響的規(guī)律，從而發(fā)展科學(xué)思維;最后，分析引起光合作用強(qiáng)度變化的關(guān)鍵因素，有助于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐，從而培養(yǎng)學(xué)生社會(huì)責(zé)任。需要注意的是數(shù)字實(shí)驗(yàn)對教師和學(xué)生在現(xiàn)代教學(xué)設(shè)備的應(yīng)用以及完整的信息處理能力等方面要求較高。

生物學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)，學(xué)生實(shí)驗(yàn)是生物教學(xué)的常態(tài)。在開展學(xué)生實(shí)驗(yàn)活動(dòng)中不僅要關(guān)注學(xué)生的興趣，更重要的是讓學(xué)生借助現(xiàn)代化的技術(shù)手段，通過實(shí)驗(yàn)，像科學(xué)家一樣去主動(dòng)求知、自主探索，形成批判性和創(chuàng)造性思維[ 4? ] 。

參考文獻(xiàn)：

[1]王飛.高中生物探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀與反思[J].天津師范大學(xué)學(xué)報(bào)，2019（2）.

[2]韓曉. 高中生物實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)和拓展[J].中學(xué)生物教學(xué)，2015（3）.

[3]張?jiān)?，林穎韜.高中生物實(shí)驗(yàn)技術(shù)與教學(xué)[M].廈門：廈門大學(xué)出版社，2015.

[4]李惠新.對基于實(shí)驗(yàn)探究的生物課堂教學(xué)的幾點(diǎn)反思[J].教學(xué)月刊，2014（11）.