引入數字化實驗系統提高中學生物教學效果

黃燕芬 任翠娟 王平瑞 聶冬梅

【摘要】本文主要從數字化實驗系統的特點、對中學生物教學的優化作用及應用于中學生物教學的幾點感受三個方面，論述了數字化實驗系統在引入過程中對中學生物教學理念、過程、方式、效果等的影響，為構建高效中學生物教學環境提供一定參考。

【關鍵詞】數字化實驗系統 中學生物教學 優化

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

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

數字化實驗系統（（Digital Information System，以下簡稱DIS）是一種新型實驗系統，主要由傳感器、數據采集器、計算機及實驗軟件包（專用軟件、通用軟件）等構成。近年來，隨著教學中信息技術應用量的增加，不少學校斥資引入DIS。DIS的使用拓寬了師生視野，激發了學生自主學習的積極性，提高了教學效率，實現了信息技術與中學生物教學的整合。謹以此文淺談對DIS 與中學生物教學關系的一些認識，為構建信息化中學生物教學環境提供一定參考。

1.DIS的特點

l.1 實現實驗過程“可視化”，增強實驗效果

實驗過程可視化包括實驗過程空間和時間的可視化。這是學生認識生物現象、建立生物概念的基礎，是掌握生物規律，學會處理生物問題的關鍵所在。生物實驗中，空間上細微結構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“光合作用現象”過程研究，氣體變化情況受環境因素的影響（尤其是南方一些地區）較大，獲得明顯實驗結果耗費實驗時間較長，教學效果差。很多學校一般采用多媒體軟件進行模擬演示或教師事先收集好氣體，學生完成最后驗證氣體這一步。以此方式完成實驗，學生沒有參與和體驗實驗的整個過程，更談不上科學探究。而引入DIS，通過傳感器實時采集數據，短時間內可獲得大量數據，由此實現了數據記錄的自動性和時間連續性。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”，且能定量表達實驗結果，便于總結光合作用現象的特點和條件，符合歸納法教學的要求，可解決這一類似的問題。

1.2 數據采集處理“智能化”，使學生獲得更多探究時間

DIS數據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量的變化完整的記錄、存儲下來，由計算機通過“待測變量一時間”圖象直接把測量數據的變化過程顯示出來，直觀地看出各變量之間的關系，并由計算機軟件對數據進行簡單統計、處理和分析，避免學生手工作圖不準確造成實驗誤差而花時間查找和擺脫繁瑣的計算過程，節省時間用于學習實驗過程中的設計、觀察、思考、分析等。例如“探究食物能量”實驗，采用DIS，學生花費較短時間可完成花生所含能量的測定實驗操作，計算機直接給出花生燃燒的“溫度-時間”工作圖和實驗數據的計算結果，實驗很快結束。在教師的引導下學生將多出的時間、心力用于實驗設計，把實驗內容拓展為富含糖、脂肪、蛋白質三種類型食物所含能量的探究，充分驗證和修改假設，分析比較結果，有利于更好地理解概念，掌握規律，同時可以提高學生進行實驗探究的興趣。

2.DIS對中學生物教學的優化作用

2.1提高教學效率解決教學難題

DIS發揮了傳感器和計算機的優勢，能采集到多種完整、動態的信息，并且能對實驗數據作出多維的、綜合性的分析和處理。使教師和學生可集中精力設計實驗方案、歸納總結、交流信息，從中發現規律，極大的提高了教學效率。例如“蒸騰作用”的教學，在教師的指導下學生小組計算機聯機，分別引入溫度、光照度、濕度等傳感器，計算機將濕度隨溫度或光照度的變化顯現為圖像和數據，學生直觀地看到不同環境因素對蒸騰強度的影響，幫助學生認識蒸騰作用的本質。在此過程中學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，解決了傳統實驗儀器不能直觀反映出更本質現象的弊端，便于學生仔細觀察，加深理解，大大提高課堂教學的效果，輕松地解決教學中的難題。

2.2 易于培養學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，與傳統的實驗儀器結合，提供了一種能夠快速、準確地完成教師和學生自行設計的實驗，以及傳統儀器做不成或做不好的實驗的環境[1]。將傳統生物教學中很多不能量化，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果，為學生創造一個科學探究和自主學習的便利環境，讓學生能更直觀地認識和驗證生物規律，由此培養學生的實驗探究興趣，提高學生的動手能力，從而激發他們對學科的喜愛及培養觀察和實驗能力以及實事求是勇于科學探究的精神。

2.3 創造促進學生轉變學習方式的條件

信息化的實驗手段可以增強學生自主探究，運用所學知識解釋生物現象的能力。DIS種類豐富的傳感器和強大的數據處理能力以及開放的實驗平臺，正好能滿足學生的多種實踐體驗需求，激發學生探究的欲望。有助于培養學生通過親自動手實踐發現問題尋找規律，把所學知識應用于生物實驗解決問題的能力。將DIS和多媒體網絡教室結合起來，為開放互動性的課堂教學創造條件，增強團隊合作精神，促使學生以獨立自主與合作交流相結合的學習方式代替從前單一的個體學習方式。

2.4 創建信息化實驗環境提高學生實驗素質

實驗素質指學生在實驗過程中的科學精神、情感態度和實驗技能，包括懷疑、求真、分析、總結、創新等基本要素以及認真、勤奮、謙虛、合作等情感因素和熟練完成實驗觀察、測量、驗證、探究等基礎能力，是科學素質的重要組成部分。DIS系統的應用，極大地優化了傳統實驗手段和方法，建立了“信息化實驗環境”，符合現代教育大環境要求。學生在數字化實驗室充分體驗“快樂的科學”，有助于學生實驗素質的發展。而實驗素質的培養會促進思維能力和創新發現能力的培養，為學生將來從事科學研究、良好適應工作環境創造條件。

3.DIS應用于中學生物教學的幾點感受

3.1數字化實驗必須與傳統實驗有機結合

中學生物傳統實驗有許多基本上是屬于“定性”實驗，只能通過最終實驗現象來說明問題。實驗過程中，生物本身受到環境的影響較大，一個實驗內容往往涉及多個方面的相關因素，加上實驗內容本身設計單一，實驗結果的可控性與化學、物理等學科相比較差。此外采集數據需要多次操作才能得到多組數據，課堂時間僅能完成實驗數據的記錄。但是傳統實驗是培養學生基本實驗能力和實驗素養的載體，實驗過程要求學生操作熟練、手眼協調、觀察快速、選擇準確。培養學生的操作能力，提高學生觀察的敏銳程度，有助于培養學生實事求是的科學態度及思考、質疑、堅韌和創新的精神，是不能忽略的教學環節[2]。

DIS是以計算機為核心搭載各種傳感器構成的一個實驗平臺，利用傳感器測量收集數據，計算機處理數據顯示結果，并且數據的量大、客觀真實，學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。學生還可靈活設置實驗條件，拓寬實驗內容，克服傳統實驗內容的單一性，直接同時獲得多種數據和實驗結果進行分析比較，這是傳統實驗所無法達到的，在探究方面表現出很強的優勢。由此可想，傳統實驗與DIS有機結合，發揮二者的優勢，必將大大提高實驗效率效果。例如，“動物與植物的相互依賴”教學過程中，采用傳統實驗需要測定不同條件下的CO2或O2的含量變化，體現動植物的相互依賴關系。工作量大，耗時長，數據繁多，誤差大，往往不能取得較好的實驗結果。若與DIS結合，配以CO2和O2傳感器，CO2和O2含量在不同條件下短時間內的動態變化情況均能以圖像和數據結果形式表現出來，學生在有限的課堂時間內完成了實驗，并通過圖像或數據變化，清晰深刻地認識理解動植物的生存是相互依賴的這一生命本質現象。在此，傳統實驗發揮了基礎教育的作用，DIS提升了實驗的準確、高效性，二者結合的優勢凸顯出來，使其成為達到更好教學效果的首選。

3.2 DIS是優化實驗的一條重要途徑

創造性地進行實驗改進是新課程教學中的一項經常性工作。DIS以全新的數字技術為核心手段，對實驗的各個環節、層面進行優化，是一種高科技、高起點的改進[3]。DIS的數據處理軟件配合不同的傳感器，可實現不同的測量功能，完成一些傳統實驗手段不太好做的實驗。例如，配合壓強傳感器，能完成像“植物細胞的吸水和失水”、“滲透現象”等實驗；配合溫度傳感器，則能完成與溫度變化有關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所特有的優勢及其衍生的良好教學效果，如快速、準確采集實驗數據和強大的數據處理能力使之成為實驗改進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實驗的改進，可為學生提供更加寬泛的實驗領域，培養學生的探究創新能力和綜合信息處理能力。

3.3 充分發揮傳感器在探究性實驗中的作用

在生物教學中，通常通過實驗再現科學發現的過程，讓學生體驗到“猜想—驗證—歸納”的科學探究過程，初步掌握科學探究的方法。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]。應用傳感器可對傳統實驗進行“再挖掘”，開發其潛在的教育和教學功能。例如，關于“細胞大小與物質運輸的關系”，學生是沒有多少感性認識的。通過創設模擬的實驗情景，教師及時引導學生掌握科學的生物研究方法，利用電導率傳感器主動進行探究，可使學生在研究和歸納的過程中感性地理解生物的變化及其規律，從而理解書本理論知識，同時培養學生敢于質疑，富于創新的精神。充分利用傳感器還可結合教材，把一些教學中發現的學生不易理解的理論知識創設出一些新的實驗項目。以學生自身為主體，從發現者和探索者的角度出發，從實驗數據中，獨立地得到客觀世界的規律，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，引導學生掌握科學的研究方法，學會在研究和歸納的過程中感性地理解生物變化及其規律[5]。

總之，將DIS引進中學生物教學，推動了中學生物“實驗教學法”、“研究性學習”和“發現法”等教學理念的研究，豐富和發展了教育理論，并且將可能是現代學校生物教學水準的重要標志。生物學教師善于充分發揮DIS的教育功能，引導學生應用其進行生產或科學實驗研究，獲得相應能力，是生物科學素養的重要內容。

參考文獻：

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[2]余學妹.高中物理DIS實驗和傳統實驗整合初探[J].物理教學探討，2011，（9）：34-35

[3]白振宇. 傳統物理實數字化改進例解與啟示[J].中小學信息技術教育，2007，（5）：36-37

[4]禚彥. D I S實驗在高中物理教學中的應用[J].中國教育技術裝備，2011，（1）：197-198

[5]顧連忠.數字化實驗的內涵及誤區解讀[J].唐山師范學院學報，2010，32（2）：70-72

作者簡介：

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