運用數(shù)字化實驗 建構生物學模型

摘要 數(shù)字化實驗能夠幫助教師和學生真實、實時、清晰、準確地認識微觀圖像和實施或模擬中學生物課程中的部分實驗，對于學生完成生物模型的建構有十分重要的作用。著重介紹數(shù)字化實驗在生物模型建構中的具體運用。

關鍵詞 數(shù)字化實驗 生物學模型 模型建構

中圖分類號 G633.91 文獻標識碼 B

《高中生物課程標準（實驗）》中指出：“了解、領悟、建立數(shù)學模型等科學方法及其在科學研究中的應用，培養(yǎng)學生的建模思維和建模能力，獲得生物學的基本事實、概念、原理、規(guī)律和模型等方面的基礎知識。”這是首次在高中生物基礎知識目標中提到“模型”一詞，可見，建立模型在新課標中被提到了較高的高度。

模型建構是人們按照特定的科學研究目的，在一定的假設條件下，通過研究模型來揭示原型的形態(tài)、特征和本質(zhì)的方法，是以簡化和直觀的形式來顯示復雜事物或過程的手段。模型建構作為一種認識手段和思維方式，是科學研究中常用的重要方法之一。因此，在生物學教學中讓學生結合學習內(nèi)容而進行模型建構是十分必要的，而且也是高中學生必備的生物科學素養(yǎng)和將來從事科學研究的必備能力。通過數(shù)字化實驗能夠幫助教師和學生真實、實時、清晰、準確地認識微觀的、真實的生物結構圖像，以及實施或模擬中學生物課程中的部分實驗，尤其是能快速而高精度地完成實驗中的數(shù)據(jù)實時采集和相關圖表、曲線的生成，對于學生完成生物模型的建構有十分重要的作用。

1運用數(shù)碼顯微互動技術構建生物學物理模型

物理模型是指“以實物或圖域形式直觀地表達認識對象的特征”，顯著的特點是形象直觀，用鮮明和深刻的物質(zhì)形式再現(xiàn)概念的某種本質(zhì)特征，一方面能豐富學生感性認識，激起學生極大的好奇心和興趣，另一方面讓抽象變得具體，讓概念能“活起來”，不僅有利于加深學生對所學知識的記憶、理解，而且能引導學生進行發(fā)散思維，提高探究能力，掌握科學研究方法。

數(shù)碼顯微互動投影技術可以用顯示屏或大屏幕代替鏡頭中的視野，不僅觀察到的圖像真實、清晰，實驗效果顯著，而且每組實驗結果都可以在顯示屏或大屏幕上顯現(xiàn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)師生間、生生間對實驗結果分析的評價與交流，有利于教師示范與指導，有利于提高全體學生實驗的水平，有利于學生構建生物學物理模型。

例如在“用高倍顯微鏡觀察葉綠體和線粒體”的實驗中，學生使用傳統(tǒng)的普通光學顯微鏡進行觀察，除了操作因素外，更主要的是在視野中觀察不清或觀察不到物像，實驗效果較差，易導致學生對細胞及細胞器的認識產(chǎn)生障礙或偏差。應用數(shù)碼顯微互動投影技術，用顯示屏或大屏幕代替鏡頭中的視野，不僅觀察的葉綠體和線粒體的圖像大，而且圖像清晰真實，尤其是對細胞質(zhì)（葉綠體）的流動的觀察效果顯著，使學生對葉綠體和線粒體的形態(tài)與結構認識更加深刻。此外，采用數(shù)字切片掃描系統(tǒng)，對優(yōu)質(zhì)的切片進行掃描，通過計算機自動對各部分的掃描圖進行拼接，形成該張切片的全景圖像，通過特定的觀察軟件，在計算機上可以模擬真實顯微鏡觀察來觀察和學習這張切片。

例如在“觀察根尖分生組織細胞的有絲分裂”的實驗中，由于細胞間期占細胞周期的90%-95%，在普通光學顯微鏡的視野中處于細胞分裂期的細胞很少，以往只是利用普通的光學顯微鏡完成整個實驗，學生要通過不斷的移動裝片進行尋找，費時費力，有時還找不全細胞有絲分裂的各時期圖像；或者教師課前準備示范片進行演示，然后每一個學生輪換在顯微鏡下觀察，按一位學生觀察耗時1 min計算，全班學生輪換看下來至少需要1h。而運用數(shù)碼顯微互動投影技術，學生不僅能觀察到放大、清晰、真實的圖像，而且通過對優(yōu)質(zhì)的切片進行掃描，通過計算機自動對各部分的掃描圖進行拼接，形成該張切片的全景圖像，就能迅速觀察到細胞有絲分裂的各個時期的圖像，省時省力，效果明顯，對有絲分裂的各個時期的圖像認識深刻。

2運用數(shù)字化仿真實驗模擬構建生物學模型

數(shù)字化仿真實驗是指在科學研究中，有時不能對研究對象直接進行控制或干預性的操作，為了取得對研究對象的認識，而利用虛擬現(xiàn)實技術開發(fā)的最富真實感的實驗，可直接在電腦上模擬操作。學生通過自主操作仿真實驗，掌握理論知識與實驗技能，提高動手操作能力，培養(yǎng)模型建構和科學探究能力。

例如在嘗試制作真核細胞的三維結構模型、嘗試生物膜模型的制作、建立減數(shù)分裂中染色體變化的模型、制作DNA雙螺旋結構模型等模型制作時，學生可以通過鼠標將各“零部件”輕松組裝并操作整個實驗過程，實驗現(xiàn)象逼真且有趣味性。這樣不但讓學生做實驗有身臨其境之感，而且還集娛樂與探索科學知識于一體，激發(fā)學生的學習興趣、增強學生的學習動機、提高學生的學習效率，同時對模型制作會有深刻地理解和認識，能更好地構建生物結構模型。

當然，在生物實驗教學中，數(shù)字化仿真實驗更適用于進行實驗室實際操作的前期訓練和實驗后的復習。這樣，學生在經(jīng)過仿真虛擬實驗的訓練后，在進人實驗室進行實際操作的過程中，不僅可以在較短時間內(nèi)成功完成實驗，還可在此基礎上進行創(chuàng)新。實驗后，學生用仿真虛擬實驗進行復習，可以進一步鞏固實驗內(nèi)容，使實驗在時間和空間上得到延續(xù)。

3運用數(shù)字化實驗構建生物學數(shù)學模型

“數(shù)學模型是用來描述一個系統(tǒng)或它的性質(zhì)的數(shù)學形式”。通過“數(shù)學化構造數(shù)學模型”的過程來認識生物學概念的方法，稱為數(shù)學模型方法，其主要表現(xiàn)形式有等式或不等式（用字母、數(shù)字和其他數(shù)學符號構成）、數(shù)理邏輯的圖表（曲線圖、集合圖示等）等。

數(shù)字化實驗系統(tǒng)是一個由傳感器和計算機組成的多功能測量系統(tǒng)。它能夠獨立地或者與傳統(tǒng)的儀器結合起來進行實驗，通過傳感器快速而高精度地完成力、熱、聲、光、電等各類實驗中數(shù)據(jù)的實時采集，經(jīng)由配套軟件將數(shù)據(jù)以表格和圖像的形式呈現(xiàn)，構建相應的生物學數(shù)學模型，并進行分析處理。

例如：在探究生物體維持pH穩(wěn)態(tài)的機制的實驗中，人體血液始終維持pH在7.35-7.45左右，僅相差0.1，而這-pH范圍最適合于細胞代謝及整個機體的生存。其中的原因是人體的血液也是緩沖溶液，其中存在許多緩沖對。在以往的生物內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)機制研究實驗中，均是采用pH試紙進行定性研究判斷，由于不同學生對pH試紙使用的熟練度與視覺誤差存在的精確度差異，所得到的模擬生物內(nèi)環(huán)境pH變化曲線圖差異較大。而使用數(shù)字化實驗pH傳感器，通過比較自來水、緩沖溶液和生物材料在加入酸或堿后pH的變化值，可快速、直觀地的給學生帶來感官上的刺激，比起用傳統(tǒng)的pH試紙進行定性研究判斷更為精確，同時實時的曲線使實驗生動而有趣，結果一目了然，并且還可以避免學生因操作不慎或不規(guī)范所帶來的意外結果。

總之，在新課程教學的改革過程中，數(shù)字化實驗作為教師的教學輔助工具和學生學習的工具，實現(xiàn)了教學內(nèi)容的呈現(xiàn)方式、學生的學習方式、教師的教學方式和師生互動方式的變革。這不僅可以提高教育教學的效率，而且有助于學生構建生物學模型，掌握科學研究方法，培養(yǎng)適應時代要求的新一代高素質(zhì)人才。