智慧實驗室在生物學實驗教學中的應用

徐 婷

(江蘇省南京外國語學校河西初級中學 210019)

1 智慧實驗室簡況

生物學是一門探究生命現象和生命活動規律的科學。在生物學探究的過程中，實驗是尤為重要的一種研究方式，它不僅與學生生活結合緊密，還能激發學生對生物學學習的熱情。然而，生物學實驗教學也面臨各種問題。例如，耗時較長的實驗無法在課堂上完成；實驗設備、實驗條件的限制使得實驗效果不佳等。如何提升生物學實驗教學的質量，已成為急需解決的問題。

智慧實驗室是一種新型的智慧學習環境，借助數字化互聯網技術、融合智能傳感、智能控制和智能安防等先進的無線通信技術，建造的一套智能控制、遠程可視的互聯網實驗室。本校智慧實驗室根據功能大致分成幾個區域： ①迷你智慧植物園，其采用全套物聯傳感設備，可獨立控制溫度、濕度、遮光、澆水和視頻監控等操作；②數碼實驗臺，學生可利用數碼顯微鏡進行實驗探究；③水培種植區，學生可親自參與種植，還可以用傳感器測得并發送數據到移動終端；④教學、討論區，可進行正常課堂教學。

智慧實驗室的建設與使用旨在將生物學實驗室和互聯網結合，利用互聯網技術彌補生物學實驗教學中的不足，并尋找到兩者有效結合的途徑，提高生物學教學質量。

2 智慧實驗室在生物學實驗教學中的應用

2.1 迷你智慧植物園 具體如下：

2.1.1 利用互聯網技術有效控制實驗條件 在實際教學中發現，實驗條件的限制常常會影響實驗效果的呈現。

例如，在研究“影響種子萌發的外界因素”的實驗中，因為教學進行到該內容時，氣溫已經比較低了。受到天氣和溫度的影響，學生在實驗時常常培養好幾天也沒有觀察到明顯的實驗結果。但是，在迷你智慧植物園中，卻可以有效地控制實驗條件： 將相互獨立的兩個迷你植物園進行環境參數設置，調節環境溫度為0℃和25℃，其他條件通過程序嚴格控制相同。同時，學生也可以利用監控拍下種子萌發和生長過程，實時記錄保存，留下寶貴的實驗資料。

2.1.2 善用互聯網技術進行自主探究 相較于平時課堂的知識傳授，生物學實驗課堂可提供更多機會給學生主動地進行探究、提高思維能力和生物學核心素養。但是，平時的生物學實驗教學卻存在一些不足： 教師往往是實驗教學的主導，從實驗目的到操作步驟，幾乎都要按照教師的規定進行。這樣的實驗教學，雖然可以幫助學生較快地掌握操作技巧，但在對學生科學探究能力的培養上的幫助并不明顯。

迷你智慧植物園的建立，給學生提供了一個可自主探究的平臺。植物園內配備了溫度、濕度、二氧化碳、滴灌系統和遮陽系統等智能傳感和控制系統，全部可通過本地或者互聯網進行遠程可視控制。學生在學習傳感器和控制軟件的使用辦法后，就可以開始嘗試利用這些器材對自己感興趣的問題進行探究。例如，由于學生對于空氣污染的問題比較感興趣： 他們找來了生活中常見的一些綠色植物，探究這些植物對空氣中可吸入顆粒物吸收能力的差異： 首先對四個迷你智慧植物園的相關參數進行調節，保證每個迷你植物園的環境是相同的；再將不同的綠色植物放置在植物園中。通過一段時間的培養后，測量PM 2.5濃度的變化，并針對研究的結果進行更深層次的交流探討。

此外，學生還探究了“同種植物在不同環境中空氣凈化能力的比較”等實驗。在這些實驗中，學生充分體驗了從發現問題、提出問題、作出假設到設計實驗、分析數據和得出結論的完整過程。

2.2 智用數碼實驗臺，提高交流互動 初中生物學實驗中涉及使用顯微鏡的實驗比較多，包括觀察動植物細胞結構、觀察葉片的結構、觀察微生物的形態、觀察人血涂片和探究酒精對水蚤心率的影響等。在平時的實驗教學中，常會采用普通光學顯微鏡進行觀察。但是，這樣的教學方式卻存在一定的不足： 教師在對學生進行輔導時很難兼顧到全體學生；或有些學生不愿意和教師及時交流反饋，直到下課都沒有觀察到實驗現象。因此，學生的某些優秀實驗成果，或者一些典型錯誤的實驗現象，無法記錄下來進行分享或分析。還有一些需要較長時間才能觀察到結果的實驗，學生又很難做到一直盯著顯微鏡的鏡筒等。因此，在智慧實驗室中，筆者嘗試借助數碼顯微鏡彌補平時實驗教學中的一些遺憾。

例如，在探究“酒精對水蚤心率的影響”實驗教學中，實驗的難點之一是如何找到水蚤的心臟并計算心率。而在數碼顯微鏡的幫助下，教師可將自己做好的臨時玻片標本圖像展示在屏幕上，對全班學生進行集中指導；在實驗過程中，教師也可通過查看每組的觀察圖像，及時了解學生的實驗狀況，并對實驗遇到困難的小組進行講解。同時，學生的實驗結果也可被截圖記錄、展示和分析對比，對本班學生的實驗結果進行交流。

在實驗過程中，學生還可利用數碼顯微鏡將自己滿意的實驗圖片或視頻記錄并保存下來，后期也可通過圖像處理在上面進行文字注解等，這種學習形式大大提高了學生的學習積極性與參與度。

2.3 巧用傳感器，拓展教材實驗 因初中生認知能力和操作能力的限制，初中生物學實驗主要是做一些定性實驗，學生通過實驗可以獲得“是”或“不是”的結論。但是，一些學有余力或者對生物學實驗感興趣的學生，他們對實驗結果的定量認識的需求卻很難得到滿足。

例如，在驗證“植物的呼吸作用產生二氧化碳”一節的實驗中，一般是將植物呼吸產生的氣體通入澄清石灰水中進行證明。但實際操作過程中會發現難度較大： 學生通過擠壓裝有新鮮蔬菜的黑色塑料袋，將其中的氣體通過吸管擠到澄清石灰水中，這樣的操作一方面是塑料袋容易漏氣；另一方面又較難確保擠出氣體的量，以至于該實驗的效果并不理想。而利用傳感器技術將定性實驗改進為定量實驗后，學生只需利用傳感器探頭分別測量裝有新鮮蔬菜的容器中前后兩次的二氧化碳濃度，從電腦上就可以直接讀出濃度數據，非常直觀而準確地獲取信息，并驗證了植物的呼吸作用產生二氧化碳的事實。

巧用傳感器，將定性實驗改成定量實驗，既保證了實驗的順利進行，又在一定程度上拓展了教材上原有實驗的深度，學生還可進一步根據實驗數據進行研究和探討。

2.4 活用水培種植，進行情感教育 城市中的學生從小生活在高樓林立的環境中，較多學生對生物學的感性認識模糊，只能依靠教材、互聯網的輔助來了解。但是，教材、互聯網卻不能給學生一個生動的生物生長過程，而通過智慧實驗室可以彌補這方面的不足。

例如，利用智慧實驗室中的水培種植區，教師可以在課余、選修課和校本課程等時間，帶領學生去接近自然： 如認識校園植物、種植蘑菇、植物標本的制作、體驗互聯網實驗箱和制作簡易澆灌設備等。在植物品種的選擇上，教師可以根據教材選擇實驗中會用到的植物，也可以種植一些具有代表性的、易栽培的植物，讓學生課外進行研究。在種植管理上可以發揮學生社團或者選修課興趣小組的作用，按照季節和教學進度安排植物的種植。例如，在教八年級(上冊)前可種植一些苔蘚、藻類和蕨類植物，為“五彩繽紛的植物世界”一節的實驗教學做好準備。

學生在立體化的互聯網水培種植架上進行種植，在體驗科技發展的同時，更能體驗到勞動的艱辛與快樂。他們在種植過程中會遇到各種各樣的問題： 為什么種子萌發率不高？為什么葉片會發黃？“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。學生在實踐中能發現問題、解決問題，通過自主參與的種植實踐活動，也培養了他們對自然環境的關注與關心。

*前文受翰思科學儀器公司關注*