利用DIS系統探究環境因素對光合作用強度的影響

余秀

摘? ?要：數字化實驗室（簡稱DIS）是利用計算機數據處理軟件和傳感器結合的一種實時數據采集、建模和圖像分析的技術。利用DIS呈現實驗結果，不僅可以使實驗定量分析更準確，而且也可以提升探究活動的層次，實現實驗過程可視化、實驗設計重點化、數據采集和分析智能化、教學過程現代化。

關鍵詞：數字化實驗室;實驗探究;生物教學

1? 現狀分析

探究性實驗教學的重要性不言而喻，對高中生物實驗進行比較發現，在人教版高中生物必修中編選的探究實驗共15個，而在大多數學校實際教學中能按要求開出的不到30%。從探究性實驗教學組織方法來看，主要是按教材給出的探究實驗的一般流程進行，有的教師會利用“引導-探究”即從教學設計的視角組織教學。很少教師能對實驗的材料、用具、方法、過程等進行創新與改造。學生在實驗過程中相關能力得不到發展，如提出問題的能力，作出假設的能力，設計實驗的能力等等[ 1 ]。顯然，大多數實驗數據采集和分析耗時、繁瑣且誤差較大，工作量較大與緊張的課時之間存在的矛盾以及實驗資源配置缺乏等，都是探究實驗無法開出或開足的限制因素。

筆者利用現代信息技術手段——數字化實驗室，以“探究環境因素對光合作用強度的影響”為例，探索解決探究實驗開設限制的新方法。

DIS是利用傳感器結合計算機相應軟件，實現數據實時采集和實時分析的技術。“探究環境因素對光合作用強度的影響”是人教版高中生物必修一第五章第四節能量之源——光與光合作用中的探究實驗。旨在讓學生通過設計實驗來探究環境因素對光合作用強度的影響，為農業生產提高農作物產量提供依據，并為后續“光合作用原理的應用”的學習奠定基礎。該部分在考綱中為Ⅱ類要求，通常為綜合考查。參考案例“探究光照強弱對光合作用強度的影響”，以菠菜葉為實驗材料，簡單易取又經濟，利用臺燈作為光源節能安全，但使用相對籠統的 “強、中、弱”來描述光照強度，定量分析顯得較為簡單，而且通過臺燈和葉片間距離改變來實現光照強度的差異，產生的溫度變化引起的影響卻沒有考慮[? 2? ]。如果引導學生利用DIS呈現實驗結果，不僅可以使實驗定量分析更準確，而且也可以提升探究活動的層次，培養學生探究能力。

2? 基于“DIS”的教學流程

學生已經學習了光合作用的探究歷程，了解光合作用的過程，知道外界諸多因素將影響光合作用強度，但這些都是感性認識，光合作用強度變化是一個微觀變化過程，通過設計該實驗可以幫助學生更好理解其本質[ 3 ]。高中生已經具備初步探究能力，學習的自覺性和主動性較高，實踐能力和表達交流能力較強，所以教師在課堂只要引導學生從光照強度、CO2濃度、光質等角度自主選擇研究課題“探究某種因素對光合作用強度的影響”，以學習小組為單位自行設計相關實驗方案，從自變量設定，因變量的檢測，無關變量的平衡等方面分析實驗方案的可行性。實驗前準備好需要使用的傳感器，使用USB線將傳感器與電腦相連，打開傳感器側面開關;點擊啟動通用軟件，確保傳感器與軟件連接成功。按照實驗設計將植物和傳感器置于實驗器中，可使用實驗模板進行實驗或者根據所需自行設定相應參數，如設置采集數據點的頻率、實驗采集時間、實時實驗數據顯示框、實時實驗曲線顯示框等。設置完成點擊“開始”，開始數據采集，軟件界面即會顯示實時數據和實時曲線，待數據穩定后保存。

3? 評價

根據DIS采集的數據和分析，學生便可以直觀地得出實驗結論，利用DIS使得信息技術與傳統實驗課程整合，使得抽象的環境因素對光合作用的影響以實時數據和實時曲線的形式呈現，變得“可視化”。利用該系統，學生可以直觀地看出環境因素對光合作用的影響，使學生擺脫了手工作圖的繁瑣和作圖不準確而造成的實驗錯誤，從而將更多的時間、精力用于實驗設計、探究、分析、驗證和修改，提高學生探究的興趣同時將實驗設計成為學生的思考中重心的目的。通過對系統參數高采樣率的設置，把整個實驗過程完整記錄下來，而且數據采集器能同時接入多只傳感器，同步采集，實驗過程與數據變化過程同步化，實現數據實時采集、處理、定量顯示。

學生通過調查，設計探究某種因素對光合作用的影響實驗，從而提高科學探究的能力;通過實驗，學生學會從物質與能量視角，探索光合作用與呼吸作用，闡明細胞生命活動過程中貫穿著物質與能量的變化從而形成生命觀念;同時學生能夠基于實驗數據，探討、闡釋環境因素對光合作用強度的影響的規律，從而發展科學思維;最后，分析引起光合作用強度變化的關鍵因素，有助于指導生產實踐，從而培養學生社會責任。需要注意的是數字實驗對教師和學生在現代教學設備的應用以及完整的信息處理能力等方面要求較高。

生物學是一門實驗科學，學生實驗是生物教學的常態。在開展學生實驗活動中不僅要關注學生的興趣，更重要的是讓學生借助現代化的技術手段，通過實驗，像科學家一樣去主動求知、自主探索，形成批判性和創造性思維[ 4? ] 。

參考文獻：

[1]王飛.高中生物探究性實驗教學的現狀與反思[J].天津師范大學學報，2019（2）.

[2]韓曉. 高中生物實驗的改進和拓展[J].中學生物教學，2015（3）.

[3]張云，林穎韜.高中生物實驗技術與教學[M].廈門：廈門大學出版社，2015.

[4]李惠新.對基于實驗探究的生物課堂教學的幾點反思[J].教學月刊，2014（11）.