數字化微型實驗在高中生物學實驗教學中的應用

湯向榮

(江蘇省江陰高級中學 江陰 214443)

微型實驗是指用盡可能少的試劑來獲取所需信息的實驗方法，其主要特點是“實驗試劑微量化，實驗儀器微小化，明顯縮短實驗時間，減少環境污染，安全性較高”，比較符合課程標準實施建議中“低成本、低消耗和低(無)污染”的基本要求[1]。基于傳感器技術的數字化實驗系統是由傳感器、數據采集器和計算機中相應的配套軟件3部分組成。數字化微型實驗教學就是微型實驗與數字化實驗的有機融合，具有實驗步驟簡單、實驗時間縮短、實驗藥劑微量、實驗結果形象直觀、實驗準確性強和實驗過程可重復等優勢。因此，在高中生物學實驗教學中，運用數字化微型實驗進行教學是提高實驗教學質量的有效途徑。

1 適用數字化微型實驗的高中生物學實驗

數字化微型實驗教學可以通過實驗改進或多樣化設計，可將原來時間緊、辨不清、看不見和抓不住的實驗，轉變為“來得及”“辨得清”“看得見”和“抓得住”的實驗。從而能彌補普通實驗教學中存在的不足，有效地提高生物學實驗的質量。在人教版高中生物學教材中，要求的實驗內容共有26個，筆者通過教學實踐和經驗總結，認為其中適用數字化微型實驗的有6個(表1)。

表1 人教版高中生物學教材中適用數字化的微型實驗

2 數字化微型實驗教學的案例

2.1 由“時間緊”到“來得及” 案例1： 探究細胞大小和物質運輸的關系

2.1.1 原實驗的不足 原實驗中存在著“NaOH溶液是強腐蝕性的安全問題”“測量、計算繁瑣，耗時長來不及，誤差大”等不足[2]。

2.1.2 可改成數字化微型實驗 具體如下：

實驗原理： 使用瓊脂立方塊作為細胞模型，當瓊脂塊放入一定濃度的NaCl溶液中時，離子會向瓊脂塊中擴散，離子擴散速度與瓊脂塊表面積有很大關系，溶液的電導率與溶液的離子濃度成正相關，使用電導率傳感器可測量溶液中離子濃度。溶液中的離子濃度下降，電導率下降，從而得出物質運輸的效率。

實驗步驟： ①連接裝置并打開實驗系統軟件；②取100 mL NaCl溶液加入250 mL錐形瓶中，將電導率傳感器的電極浸入溶液中；③用塑料刀將瓊脂塊切成邊長分別為3 cm、 2 cm、 1 cm的正方體；④將瓊脂塊放入錐形瓶中進行數據采集，邊采集數據邊用玻璃棒攪拌；⑤取出傳感器電極用蒸餾水沖洗，重復以上步驟，在相同時間內分別測量第2塊、第3塊瓊脂塊的溶液電導率；⑥通過電腦系統在同一坐標軸內形成電導率曲線，比較不同體積的瓊脂塊放入同體積的NaCl溶液中后電導率變化；⑦分析和結論，通過曲線圖比較，在相同濃度、相同體積的NaCl溶液中，相同時間內瓊脂塊相對表面積越大，擴散的離子越多，即物質運輸的效率越大。

改進優點： 通過電導率傳感器，一方面減少了測量、計算步驟，簡化了操作，明顯縮短了時間，可直觀地從電腦曲線圖上分析得到結論，由原來實驗“時間緊”變為實驗“來得及”。同時，用NaCl溶液取代NaOH溶液，排除了強腐蝕性的安全隱患。

2.2 變“辨不清”為“辨得清” 案例2： 探究酵母菌細胞呼吸的方式

2.2.1 原實驗的不足 原實驗存在不足之處是： 實驗中產生了多少CO2，哪種方式產生的較多都無從得知。此外，培養時間約為8～10 h，整個實驗耗時過長；如果時間過短，則CO2產生量較少，實驗現象則不太明顯[2]。

2.2.2 可改成數字化微型實驗 具體如下：

實驗原理： 酵母菌是利用培養液中的溶解氧進行有氧呼吸并產生CO2，當培養液中的氧氣耗完后就進行無氧呼吸并產生CO2。CO2傳感器可實時監測有氧呼吸和無氧呼吸所產生的CO2濃度，從而能探究酵母菌細胞的呼吸方式。

實驗步驟： ①材料處理和組裝裝置： 取2 g新鮮食用酵母菌，分成2等份，分別放入100 mL錐形瓶A和B中，分別向瓶中注入30 mL質量分數為5%的葡萄糖溶液，組裝好有氧呼吸和無氧呼吸裝置，放置培養3 h；②連接裝置： 將2個C02傳感器與數據采集器、計算機連接，然后將傳感器的探頭插入錐形瓶塞后分別伸入兩個A、 B錐形瓶中；③數據采集： 打開實驗系統軟件，設置數據采集時間為1 min，選擇相應模板和曲線名稱后，點擊“開始實驗”按鈕，開始采集數據，界面上就會顯示錐形瓶內C02的含量值和變化曲線；④結果與分析： 通過1 min內C02的含量變化數值和C02含量隨時間變化的曲線，可得出相應的實驗結論。

改進優點： 通過C02傳感器，不僅能測定酵母菌細胞一段時間內產生的C02的含量，還能記錄有氧呼吸和無氧呼吸的過程，有利于學生直觀、快速地了解實驗結果，定量數據和圖像更加精確和客觀，比定性的澄清石灰水變混濁了要更有說服力[3]。使學生能變“辨不清”為“辨得清”。此外，整個實驗還可適當減少材料用量，實現在課堂教學的時間內完成實驗。

2.3 從“看不見”到“看得見” 案例3： 探究影響植物光合作用強度的環境因素

2.3.1 原實驗的不足 原實驗存在不足之處是： 光合作用是高中生物學的重要內容，在學習過程中學生往往較難理解。主要問題是學生缺乏感性認識，對光合作用吸收CO2、放出氧氣的微觀過程無法用肉眼觀察到。同時，該實驗耗時較長；如時間過短則圓形葉片浮起較少，各組實驗現象則區別不明顯[2]。

2.3.2 可改成數字化微型實驗 具體如下：

實驗原理： 通過控制人工光源和實驗裝置的距離，使用CO2和氧氣傳感器實時監測實驗裝置中CO2減少量和氧氣生成量，進而通過曲線變化判斷不同光照強度對植物光合作用的影響。

實驗步驟： ①連接實驗裝置，打開數據采集器；②將CO2或氧氣傳感器與數據采集器、計算機連接；③將傳感器的探頭插入實驗裝置中；④打開光源，控制好光照強度，調節好熱過濾裝置；⑤開始實驗，記錄實驗數據；⑥改變光照強度，重復實驗，記錄實驗數據。

改進優點： 通過氧氣或CO2傳感器測量實驗環境中O2、 CO2的曲線變化，學生能直觀地觀察到有水藻的試管在光照下氧氣逐漸增加、CO2逐漸減少，而對照組沒有變化，從而知道水藻在光照下進行光合作用吸收CO2、釋放出氧氣。同時，還能直觀地觀察單位時間光合作用的速率，從“看不見”到“看得見”，讓學生對光合作用的理解從抽象到形象，更為直觀。

2.4 將“抓不住”變“抓得住” 案例4： 探究生物體維持pH穩定的機制

2.4.1 原實驗的不足 原實驗存在不足之處是： 用pH試紙測定pH變化時，是通過與比色卡上的顏色比對來估計的，誤差較大，測得的pH較不精確。

2.4.2 可改成數字化微型實驗 具體如下：

實驗原理： 運用pH傳感器檢測、比較加入酸或堿后的自來水、生物材料和緩沖溶液中的pH的變化，推測生物體內的pH是如何維持穩定的。

實驗步驟： ①連接實驗裝置，打開實驗系統軟件，添加pH—時間曲線；②在500 mL燒杯中加入50 mL自來水，將pH傳感器電極放入待測溶液中，同時用玻棒按一定方向勻速攪拌；③使用采集功能，向燒杯溶液中滴加1滴濃度為0.1%的鹽酸溶液，采集1個數據；④重復以上步驟，分別采集滴加2～20滴時的數據；⑤用蒸餾水充分沖洗燒杯和pH傳感器電極，在500 mL燒杯中加入50 mL pH為6.8的緩沖液代替自來水，重復③和④步驟；⑥用蒸餾水充分沖洗燒杯和pH傳感器電極，分別用牛奶、馬鈴薯勻漿和黃瓜汁代替自來水，重復③和④步驟；⑦將量濃度為0.1%的鹽酸換成量濃度為0.1%的氫氧化鈉，重復以上③④⑤⑥步驟；⑧實驗分析得出結論： 自來水不具有維持pH穩態的能力。而牛奶、馬鈴薯、黃瓜與緩沖液溶液功能有些類似，在一定的范圍內可以維持pH的穩態。

改進優點： 測定pH的變化時，pH傳感器能將溶液中微小的pH變化過程有效地記錄下來，由定性研究上升到定量分析，使實驗的結果更精確、可靠。