例談傳感器在中學生物實驗教學中的應用

張華民

摘 要：中學生物實驗大多是驗證性實驗和定性實驗。實驗誤差大，精確度低，傳感器的使用可以直接獲取以往常規實驗無法獲取的實驗信息。新型傳感器還具有微型化、數字化、智能化、網絡化等特點。傳感器有著無可替代的重要作用，尤其是在培養學生的自主探究能力、創新能力上起著決定性作用。

關鍵詞：傳感器；實驗教學；中學生物

傳感器在中學物理教學中的應用處于常態化，但在中學生物教學中的使用較少，以至于我們忽略了它的存在。數字化實驗室的建設推動了傳感器在實驗教學中的使用。近幾年，傳感器類的試題已經悄悄地出現在試卷上了，這讓教師和學生都措手不及。怎樣選擇和使用好傳感器成了當務之急。

一、科學選擇傳感器

根據傳感器的敏感元件的特點可分為三大類：一是物理類：主要基于力、熱、光、電、磁和聲等物理效應；二是化學類：主要基于化學反應的原理；三是生物類：主要基于酶、抗體、激素和核酸等分子特異性識別功能。中學數字化實驗室的標準配置中大多是物理類傳感器，它們具有快速、簡便、直觀、量化、自動化、智能化等優點。

根據中學生物學科的自身特點，合理選擇傳感器，不僅能直觀地顯示實驗現象，而且能科學定量地顯示結果（表格或圖像），提高了實驗的精確度和可信度，進而體現了它的優勢，打破了傳統實驗教學的局限性。選擇時主要依據傳感器的量程、分度和適用范圍（不同品牌的傳感器其量程和分度略有不同）。

例如：在探究神經沖動在神經纖維上的傳導的原理時，不能選用電流傳感器（量程：-1A～+1A；分度：0.01A），而是要選擇微電流傳感器（量程：-1μA～+1μA；分度：0.01μA）。這是因為神經纖維上興奮部位和未興奮部位之間的局部電流是很微弱的，只有微電流傳感器才能測量到。

又如：在光合作用的相關實驗中，如果實驗對象是陸生植物，變量中的氧氣和二氧化碳主要發生在周圍的空氣中，那就要選擇氧氣傳感器（量程：0～100%，分度1%）或二氧化碳傳感器（量程：0～150Kppm，分度1Kppm）。如果實驗對象是水生植物，變量中的氧氣會溶解在周圍的水中，這時就要選擇溶解氧傳感器（量程：0～20mg/L，分度0.2mg/L）。

二、優化現有實驗

1.案例

探究酶的高效性。原實驗繁瑣，特別是檢驗這一環節，由于加酶試管的實驗反應快，氣泡多，而且只能定性檢測實驗結果，無法定量檢測O2。

2.改進

在原有的實驗基礎上，簡化實驗。改進引入壓力傳感器（量程：0kPa～300kPa；分度：0.1kPa；配件：20ml注射器）的使用，可用于直接測量氣體的絕對壓強。注意裝置必須保持密封。試劑的添加也做相應的改變。原來是等量的兩組過氧化氫溶液中分別滴加等量的催化劑和肝臟研磨液。現在改為試管中加入等量催化劑，酶和蒸餾水，注射器中是1ml過氧化氫溶液。連接壓力傳感器、采集器和計算機，打開計算機，進入相應軟件系統，系統會自動識別所接入的傳感器，并顯示壓強值窗口。“組合圖線”添加不同顏色的“時間—壓強”圖線。“調零”后開始記錄數據。系統就會顯示實時的參數變化（形成曲線圖）。實驗現象直觀、精確，有利于調動學生的學習興趣。

3.延伸

此種方法還可以用來探究酶的專一性：實驗裝置和方法基本相同，只需試管中改用等量的豬肝勻漿、胃蛋白酶溶液和蒸餾水，系統設置基本相同。還可以探究影響酶活性的條件：溫度或酸堿度。配合使用溫度傳感器和pH傳感器，控制自變量溫度或酸堿度進行實驗。

另外，多種動、植物活組織中含有過氧化氫酶。傳統實驗無法準確區別不同活組織中的過氧化氫酶的催化效率或過氧化氫酶的含量。傳感器的使用使其成為可能：可以比較不同植物、動物活組織中過氧化氫酶分解過氧化氫的情況，如比較豬肝勻漿、胡蘿卜、大白菜、蘋果、土豆等勻漿中過氧化氫。傳感器精細的分度可以感知微小的變化，通過圖表的形式能直觀反映出不同的活組織中含有過氧化氫酶，并反映出所含的量是有差異的。

傳感器的使用可以有效縮短實驗時間，科學拓展延伸實驗，提高實驗教學效率有利于培養學生的主動探索、自主探究的創新能力。

4.解讀

改進要點：一是篩選傳感器，此實驗可以用氧氣傳感器（量程：0～100%，分度1%），也可以用（量程：0～20mg/L，分度0.2 mg/L）。根據量程和分度以及對比壓力傳感器，后者的測量結果誤差小，更科學。二是試劑添加方式，原實驗試劑過氧化氫量大，催化劑和酶的量雖然少，但是其高效性促使反應劇烈，不適宜改進的實驗。改用傳感器后，反應無需劇烈，微小的變化也能清晰、直觀地顯示，所以通過注射器來少量添加過氧化氫溶液。否則由于產生的壓強過大而彈出橡皮塞或炸裂試管。三是裝置要密封，由于是選用壓力傳感器，因此密封是關鍵，否則測量結果不正確，誤差大。

5.缺點

隨著壓力的增大，注射器在實驗的過程中可能發生反彈，進而影響實驗數據。建議選用注射器的針頭越細小越好，或增大注射器活塞的摩擦力和增加一根橡皮筋。

三、拓展研究性學習

作為綜合實踐活動之一的研究性學習已開展十多年了。在研究性學習中使用傳感器，有助于STS教育在中學生物教學中的滲透與融合，有助于培養學生主動獲取知識、應用知識、解決問題的能力。

1.研究性學習與生物實驗教學無縫對接

例如：在開展“葉色與植物生長的研究”“不同種子儲存條件的研究”等研究性學習時，需要測量不同顏色的葉的光合速率和呼吸速率以及不同種子的呼吸速率。傳統方法很難開展實驗，也沒有直觀的數據可記錄。這使研究性學習的可行性、科學性大打折扣。傳感器的使用使其簡便易行。便攜式光合作用測量系統是一種集成化的傳感器，其功能強大，攜帶方便，涵蓋了所有與蒸騰作用、光合作用、呼吸作用相關的變量的測量和計算，其葉室能對光照、溫度、含水量、CO2等環境因子進行自動或手動控制。傳感器的使用加強了生物學科知識與研究性學習雙向滲透。

2.STS教育在生物實驗教學中的滲透

STS教育強調把學科教育和社會、科技發展、生產生活等緊密結合。尤其在生物實驗教學中，我們不僅應重視學科知識的教育，更應重視生物科學知識在社會生產和生活中的應用。

例如：在血糖調節和模擬尿糖實驗時，可以聯系生活，介紹生物傳感器在醫藥衛生和生活中的應用。如高精度血糖分析儀，它是采用固定化酶的生物傳感分析儀，可以測量新鮮的毛細血管全血或靜脈全血的葡萄糖含量。其分析精度很高，速度快，成本低，可以反復使用。

又如：生物芯片在醫學領域的應用。生物芯片是生物傳感器的陣列和集成化。基因傳感器和基因芯片、蛋白質芯片、組織芯片等為分子生物學提供了一種高通量、大樣本以及快速的分子水平的分析工具。把生物實驗室集成化到芯片上，使分子生物學的分析更加靈敏、準確、快速和簡便。

生物技術與傳感器技術的融合，提高了學生理解知識、應用知識的能力，認同科學技術發展與社會進步是密不可分的。

四、總結反思

利用傳感器進行中學生物實驗教學是一個全新的嘗試，不僅開拓了現代中學生物實驗教學的一個新領域，而且還改變并彌補了傳統實驗方法、設備的不足，使其更符合中學生的認知規律，把定性實驗提升為定量實驗。可以進一步定量比較、探究實驗，同時，可以通過學生間的互動協作，通過實驗圖像學會并提高分析數據、處理數據的能力，提高學生對生命科學的求知欲。

數字化實驗教學極易走入機械化實驗教學的誤區：計算機軟件自動化顯示、計算實驗結果，減少學生對實驗現象和實驗數據分析、計算的時間，但也很容易培養學生的惰性。怎樣最優化利用數字、圖表等直觀的數據反映出定量實驗的結果，還是一個課堂實驗教學中有待解決的問題。另外，原本實驗中的錯誤操作和錯誤結果會被新的錯誤所代替，怎樣科學、高效地解決生成的新問題，對教師把握實驗教學的能力又提出了新的要求。

參考文獻：

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