信息技術在IBDP生物學課程實驗教學中的應用及分析

趙亞萍 潘修義

(江蘇省常州高級中學 常州 213003)

1 IBDP生物學課程的特點

國際文憑(International Baccalaureate， IB)是由國際文憑組織(International Baccalaureate Organization， IBO)推出的課程和考試項目，大學預科國際文憑課程(Diploma Program， DP)則是面向全球16～19歲優秀高中生開展的課程[1]。IBDP生物學課程的總體特色是“輕知識、重技能”，強調實驗教學的過程性和方法，旨在關注學生知識的生成過程，培養學生解決問題的能力，全方面提高生物學素養，在情感教育上則充分體現了以人為本、尊重生命的課程目標。

課程內容上主要分為理論教學和實踐探索兩個部分，分別占總分值的80%和20%。為了滿足不同學生的學習需要，開設了高水平和標準水平課程，課程內容也因標準不同而有所差別。理論教學內容也分為核心內容和選修內容兩部分，表現出的特點是與生命科學的前沿知識聯系緊密，學生更接近當代科學界的熱點問題；教師根據學情和教學需要重新整合大綱，加強知識的系統性；在選修內容方面多為開放性主題，主要為論述類問題。實踐探索表現出來的特點是： 評價方式為內部評價，教師依據學生的實驗報告以及五項評價標準進行評分[2]；實驗內容可由教師根據學校實驗條件和學生需要進行合理安排，實驗類型包括觀察、驗證、探究、數據分析以及跨學科實驗等；其教學方式特點是與先進實驗設備及計算機使用緊密結合，在此過程中進而培養學生自主設計實驗、分析實驗數據和建立數學模型等能力。案例介紹如下。

2 基于數據分析的實驗教學

2.1 課堂實錄 現以“檢測細胞液容量滲透壓摩爾濃度”實驗為例。該實驗是教材《IB BIOLOGY》(牛津大學課程2014年版)中第1章“細胞生物學”第4節“膜運輸”課后實驗“估算細胞液容量滲透壓摩爾濃度”的內容，探究內容為“利用鵪鶉蛋檢測細胞液容量滲透壓摩爾濃度”。實驗教學可分為兩大部分： 一是實驗數據的獲得；二是實驗數據進行處理和分析進而進行數學模型建構。其中，第二部分是該實驗教學的重點。整個實驗設計思路為將去殼鵪鶉蛋放置在質量分數分別為0%、 5%、 10%、 15%、 20%的蔗糖溶液中，分別在第0、 10、 20、 30、 40、 50、 60min內檢測其質量，利用Excel軟件將實驗數據進行處理，構建鵪鶉蛋質量與蔗糖溶液濃度之間的關系圖像，從而算出鵪鶉蛋內溶液容量滲透壓摩爾濃度。

教師在實驗教學時將學生分為4組，每組2人，每組學生獨立進行實驗，獲得的數據作為平行實驗數據共享。教師發放給學生兩張指導單，第一張為實驗過程指導單(表1)，第二張為實驗數據處理指導單(表2)，學生根據指導單分小組獨立進行實驗。學生是高二年級，實驗時間為1節課85min。

表1 “檢測細胞液容量滲透壓摩爾濃度”實驗過程指導單

表2 “檢測細胞液容量滲透摩爾濃度”實驗數據處理指導單

當有個別學生需要指導時，教師會俯身去解釋引導。通過課堂觀察發現，學生表現出用多種形式記錄實驗數據： 如用紙筆畫表格記錄數據，利用計算機建立Excel表格記錄數據，用手機拍照或者拍視頻；合作意識方面： 表現出小組內部的實驗分工和小組之間的數據共享；安全意識方面： 實驗操作過程中知道佩戴手套和圍裙；操作規范方面： 如給不同實驗組貼上標簽，每次都是同一位學生稱取鵪鶉蛋的質量和仔細用吸水紙吸干雞蛋表面的水分等；計算機操作能力方面： 能夠根據實驗數據處理指導單，作出實驗標準誤差，構建數據關系圖像等。

2.2 教學分析 本節課的教學目的主要有兩個： 一是讓學生學會如何檢測細胞液容量滲透摩爾濃度；二是學會如何利用Excel對實驗數據進行誤差分析。在教學組織上，教師通過給學生發放指導單，通過小組合作完成實驗，學生個人獨立完成實驗數據處理和分析，可培養學生獨立實驗以及自主學習的能力。該節課利用信息技術方法，主要是實現對于實驗數據的收集、實驗數據分析(包括平均值的計算、實驗誤差的分析)以及對于數學模型的構建。對于學生嚴謹的科學思維和數學技能的培養是十分必要和高效的。

3 基于網絡資源的模擬實驗教學

5.1 課堂實錄 現以“設計、制作生態缸并檢測其穩定性”實驗為例。該實驗教材中第4章“生態學”理論知識基礎上的探究實驗，是以小組為單位的探究活動。該實驗可在實驗室內進行，整個實驗要持續數周，學生每天同一時間進行實驗觀察記錄，利用傳感器進行數據采集、分析。

4.2 教學分析 IBDP生物學課程中是利用“Imagej”軟件對種子的胚芽進行數據采集及分析。具體操作步驟為： 先將各實驗組的種子萌發情況拍照，標上序號和日期。注意： 拍照時需要在胚的旁邊放一把卡尺作為長度參照。然后，利用軟件對圖片中胚芽的長度進行統計分析。這樣，也同時解決了彎曲的莖難以測量的難題。“Imagej”軟件在生物學實驗中的功能，還包括對圖像中細胞進行計數、對DNA和蛋白質電泳圖象進行定性和定量分析等，是一種應用廣泛的圖像分析軟件。

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表3 用網絡模擬“檢測藻類光合作用速率”實驗指導單

通過課堂觀察發現，學生在課堂上表現出的特點為： 信息技術運用能力較強，包括表格的制作、在Excel軟件中作圖等，合作互助精神較強。有一個細節是當光源距離伊樂藻較近時，氣泡產生太快而難以計數時，有位學生關注到這一點后，會在共享平臺里給出了“當氣泡產生太快難以計數時可以按暫停鍵”的小提示。

4.1 課堂實錄 現以“外界因素對種子萌發的影響”實驗為例，主題為“設計實驗檢測影響種子萌發的因素”，是教材中第9章“植物學”第4節“植物繁殖”學生課后的個人探究活動。教師給學生提出實驗主題后，要求學生通過文獻閱讀提出探究問題、實驗設計方案、進行實驗、實驗數據采集與分析、得出實驗結論并進行評價和改進。經過觀察，大多數學生選擇的自變量有“溫度”“培養液pH”“赤霉素”和“光照強度”等，將胚芽的長度作為因變量即實驗指標。學生利用教師提供的黃豆、綠豆和紅豆等實驗材料，借助實驗儀器，在實驗室內進行實驗，整個實驗持續數周。學生每天同一時間進行實驗觀察記錄、利用軟件進行數據采集和分析(可借用校內時間)。

4 基于軟件分析的實驗教學

3.2 教學分析 本實驗的教學目的是培養學生獲取實驗數據，并且進行數量關系圖形建構。在人教版教材“光合作用”這一節中也給出同樣主題的探究實驗。但在實際的實驗教學中，由于實驗材料選擇、光源強度以及距離植物遠近、對氣泡計數和時間緊張等問題，教師常會采用教師演示實驗、或只是簡單用氣泡多少，來定性地描述光源距離與光合作用之間的關系。與之相比，該模擬實驗則具有操作簡單、節省材料和時間等優點，在有限的時間里培養學生的數學技能、科學思維以及獨立實驗精神。

其二，優化現有自主核心專利技術的競爭機制。應對河南省戰略性新興產業中具有自主核心技術的科技項目與成果進行專利前置審查，設立發明專利考核硬指標與檢測體系，設定專利存活率、企業對外發明專利申請產出率、自主知識產權和自主品牌產品銷售收入等一批圍繞科技創新的指標，并與本單位知識產權年度工作考核掛鉤[6]。在科技創新規劃及其實施中，應確立核心高質量發明專利在推進河南省自主創新建設中的決定性地位，打造河南自主創新優勢品牌，通過自主核心技術的產權保護，鞏固河南省優勢產業的專利競爭優勢，積極發揮鄭洛新國家自主創新示范區的自主創新引領與輻射作用。

5 基于傳感器的實驗教學

3.1 課堂實錄 現以“檢測伊樂藻光合作用速率”實驗為例。該實驗是教材中第8章“代謝，細胞呼吸和光合作用”第3節“光合作用”理論知識基礎上的探究實驗。該實驗特點是利用計算機進行網絡模擬實驗(由University of Reading和Syngenta公司開發)。課前，教師給每位學生發放一張實驗指導單(表3)，包括模擬實驗網址以及該實驗的任務要求和分值分布。學生需要在下課前按指導單要求獨立進行實驗，并將實驗結果發送到教師的郵箱。學生是高二年級，實驗時間為一節課85min。

該網絡模擬實驗共包含兩個操作頁面，頁面一(圖略)包含光源、伊樂藻和一把直尺，學生可以調整光源與伊樂藻之間的距離；頁面二(圖略)包含實驗現象(伊樂藻光合作用產生的氣泡)、一個計數器和計時器、使用說明三部分內容。學生可以通過計時器和計數器檢測出“光源與伊樂藻之間一定距離時，伊樂藻產生的氣泡速率，即光合速率”。

在寄存處，用電視機紙箱包裝的情況比較普遍，包括無人認領的行李共有13件，對無主行李進行檢查，只在一個黑色旅行包中發現一把槍，不過只是較逼真的玩具槍而已。另外寄存的數百件行李都沒有什么可疑之處。分局分管刑偵的副局長盧成功也趕到現場，他是派出所所長出身，為人圓滑世故，辦事經驗老到，扛一級警督肩章，比秦明月的三級警督可高了兩級。盧成功圓胖胖的身材，幾乎要把警服撐破，其面白無須，表情再怎么嚴肅看起來都是笑嘻嘻的。

5.2 教學分析 在人教版生物學教材高中(必修3)第5章第5節中也設有同樣的探究實驗。但在實驗方法上主要是采用觀察法，即將生態缸內的生物種類和數量作為本實驗的觀察指標，對實驗結果進行定性分析。而IBDP生物學課程中則是利用氧氣和二氧化碳傳感器這一電子設備，對本實驗進一步做了定量檢測，從而加強了對學生的數學技能和科學思維能力的培養。

就這樣，他們和我見了面。見面之后，他們覺得我不僅有知識有學問，還具備良好的修養，更難能可貴的是我才剛剛24歲，而且家境貧寒急需用錢。他們認為我會是一個稱職的“代孕媽媽”。而我得知了陳清夫婦的坎坷遭遇，看著這對經歷了太多磨難的夫妻飽含希冀的眼神，不禁欣然同意為他們孕育孩子。

通過以上IBDP生物學實驗教案的分析可以看出，信息技術在生物學教學中的應用形式可以是多種多樣的，信息技術的應用為培養學生數學技能也提供了便利和高效的途徑，能進一步提升學生解決問題和創新能力。