數碼顯微互動系統在“種群數量的變化”教學中的運用

摘 要：顯微數碼互動系統由數碼顯微鏡、電腦軟件系統、數字成像芯片、交換機等設備通過網絡連接而成，能將顯微鏡下的視野導入電腦，師生可通過電腦互動交流。種群數量的變化一節需要通過探究酵母菌的數量變化來建立種群增長的數學模型，本節應用傳統教學存在著酵母菌個體微小難以辨認、難以找到血球計數板的計數室;數據需要用數據處理軟件處理等等困難。運用顯微數碼互動系統能輕松突破以上難點，激發學生的積極性，有效提高課堂效率。

關鍵詞：數碼顯微互動;種群數量;教學;運用

多媒體、電腦和網絡的飛速發展，給人們的工作、生活帶來了巨大的變革，也為教學方式的轉變帶來了極大的便利。顯微數碼互動系統集多媒體、電腦和網絡的優勢為一體，具有共享性、時效性和交互性等特點[1]，為教師和學生在圖像、語音、文字的互動提供了交流平臺，給高中生物細胞、細胞器等的形態觀察實驗教學帶來了革命性的變化，顯示出傳統教學無可比擬的獨特優勢。

1.顯微數碼互動系統的功能

顯微數碼互動系統由數碼顯微鏡、電腦軟件系統、數字成像芯片、交換機等設備通過網絡連接而成。實驗室配有教師端電腦1臺和學生端電腦56臺。數碼顯微鏡用于捕捉視野形態結構;數字成像芯片可將捕捉到的圖像高速導入電腦，具有圖像拍照、錄像和測量等功能，并可實現遠程共享[1];電腦軟件系統為MoticDigiLabⅡ軟件系統，運行軟件可完成教師屏幕廣播、學生屏幕轉播、彩信交流、屏幕監控和語音教學[1]等功能，進行教學示范、監控學生實驗進程、有針對性地輔導學生。

教師端電腦的主要功能有：（1）將教師端顯微鏡（或學生端顯微鏡）下觀察的內容轉換并制作成圖像、視頻等數字化教學資源;（2）應用相關軟件對采集到的相關數字化教學資源進行分析、對比和統計;（3）實現在線授課、監控并觀摩學生端顯微鏡下觀察及電腦屏幕顯示的內容，師生在線問答、交流與討論;（4）可將某臺（或多臺）顯微鏡下觀察內容實時傳送到實驗室中的每臺電腦屏幕上，供教師講解與點評（或由學生進行比對、交流與討論）;（5）下發實驗作業、試卷、電子教案等數字化實驗教學資源;（6）顯示提問或需教師指導的學生座位[2]。

學生端電腦的主要功能有：（1）可將顯微鏡下觀察的內容采集并制作成圖像數字化教學資源對資源進行分析、統計;（2）接收、觀摩、存儲由教師端下發的其圖像，并與自己觀察的相關實驗內容進行比對分析;（3）在線向教師提問;（4）在線提交作業或圖像;（5）與同學通過系統的彩信交流等方式進行討論[2]。

2.傳統方法進行“種群數量的變化”一節教學面臨的困難

“種群數量的的變化”為人教版必修三《穩態與環境》模塊、第四部分《種群和群落》的內容，高中生物課程標準對這節的描述為“嘗試建立數學模型解釋種群的數量變動”，屬于能力層面的“模仿”水平和知識層面的“理解”水平。在活動建議里則提出“探究培養液中酵母種群數量的動態變化”。即本節內容要通過探究酵母菌的數量變化來建立種群增長的數學模型。而突破這一難點面臨以下困難：

酵母菌屬于微生物，需要在顯微鏡下觀察。盡管有圖片示范，很多同學依舊不清楚酵母菌長得什么樣，通常會把顯微視野下的雜物（如擦玻片留下的纖維、酵母菌培養液里的雜質等）誤認為是酵母菌，傳統教學需要教師對學生觀察到的視野一個個地進行檢查，費時費力;

學生第一次用血球計數板，難以找到計數室，也很難理解計數的原理和方法;

計數完成后需要對數據進行統計、處理，建立數學模型，需要用到數學軟件。傳統教學只能留到課后請部分同學找到電腦進行操作，很難全員參與。這樣造成的后果是：學生獲得數據后沒有立即處理，一段時間后很難理解這些數據背后隱藏的生物學意義。

3.基于顯微數碼互動系統進行“種群數量的變化”教學的實驗改進和數據處理

在運用顯微數碼互動系統進行教學前，先對相應的教學內容和實驗方案進行以下調整。

①優化酵母菌的培養條件：取250ml的錐形瓶6個，每瓶裝培養液100ml，30℃，250rpm/min。由于條件優化了，實驗由原來的一周縮短為一天。

②將酵母菌種群數量固定在某一特定時段：接種完酵母菌后，每隔2小時取樣5ml，注入5ml的離心管內，興趣小組即時計數后，用沸水加熱25min殺死的方法或是直接放到冰箱冷藏（事先經過驗證為可行方法，省去固定劑）。

③在課堂上請同一小組的學生算出不同時段的酵母菌種群密度，通過顯微數碼互動系統內的彩信交流，進運用EXCEL等軟件處理數據，取平均值，繪制曲線，建立酵母菌種群數量增長的數學模型。教師應用教師端電腦展示酵母菌圖片，講解血球計數板的使用和計數原理，監控處理學生在操作中出現的問題，交流數據，展示學生圖像進行教學示范。

以上改進的優點在于：條件優化和分組計數大大縮短了時間，提高了效率;集中精力將重點放在應用數碼顯微系統進行酵母菌計數并建立數學模型。不在實驗過程耗費過多精力;親身體驗這些數據的來源，建立模型并及時進行分析，有利于讓學生領會掌握規律的重要性，即：理解建立數學模型的意義。

4.顯微數碼互動系統在“種群數量的變化”一節教學中展現的優勢

由于顯微數碼互動系統能及時將顯微視野下的圖像高速導入電腦，教師能實時監控并觀摩學生端顯微鏡下觀察及電腦屏幕顯示的內容，運用顯微數碼互動系統進行本節教學體現出傳統教學無可比擬的優越性。

讓每一位學生都能準確認識并找到酵母菌。教師通過教師端電腦的實時監控，一發現問題即可對學生進行及時的指導、糾錯，或展示操作比較好的同學的圖像，進行教學示范;

確保每一位學生都學會血球計數板的使用，準確找到計數室。教師在監控過程中可及時發現學生實驗操作中出現的問題，進行有效的指導。這樣，大大縮短了時間，提高了效率;

酵母菌計數完之后，同學之間可通過系統內的彩信功能進行交流，傳輸數據并及時進行數據的處理，如：取平均值，建立曲線圖，發現酵母菌增長的內在規律。這時，為了深化學生對酵母菌增長“S”型增長規律的理解，可通過教師端電腦分配學習任務：

①用生物學知識說明“S”型曲線產生的原因。（如果是自然環境中的其它生物呢？）

②“S”型曲線與“種群的特征”有哪些知識聯系，還可以跟哪些知識聯系起來？

③如果上述“S”型曲線的縱坐標改成增長速率，那么曲線應該怎么畫？若改成出生率、死亡率呢？

④應用種群數量的“S”型增長規律如何解決實際問題（如：如何有效地滅鼠？如何拯救瀕危動物大熊貓？怎么捕撈才能保護魚類資源不受破壞，并獲得最大的年捕魚量？）

以上四個問題，分組討論，讓學生學會思考數據背后隱藏的生物學意義，懂得知識的前后聯系。問題④啟發學生應用數學模型去分析問題、解決實際問題，從根本上引導學生認識到建立數學模型的重要性，讓學生在解決問題的過程中深入理解生物學的核心概念，體驗知識應用的樂趣，從而把科學、技術與社會聯系起來。

應用數碼互動系統進行教學，能及時監測學生的動態;即時計數，即時統計，繪制曲線圖，由于時間上的連續性，學生對自己獲得的數據及時處理，很容易理解數據與規律的關聯;學生建立完酵母菌種群增長的數學模型后，教師立即以4個問題啟發學生思考，避免了傳統教學時間和思維上的斷層，有效地突破了“應用數學模型闡明、預測解決實際問題”這一重難點。

總之，運用顯微數碼互動系統進行教學，有效提高了“種群數量的變化”一節的教學質量。學生更加直觀地觀察酵母菌的形態，學會了血球計數板的使用，加深了對課本知識的理解;通過顯微數碼互動系統，學生成為學習的主體，改變了被動學習的狀況;通過顯微數碼互動系統，教學效率大大提高了，教學效果得到了切實有效的落實。當然，我們還應繼續充分拓展顯微數碼互動系統的功能，轉變教學觀念，改進教學設計，優化教學過程，激發學生的積極性和創新性，進一步提高教學的質量和效果。

參考文獻

[1]劉艷，馬曉平，利用顯微數碼互動系統提高微生物實驗教學效果[J]，實驗室研究與探索，2015（10）：195—197，205

[2]杜坤，張彪，等，數碼顯微互動系統用于細胞生物學實驗教學[J]，實驗科學與技術，2015（2）：128—130，150

作者簡介：楊春香，1977年9月生，女，中學一級，生物化學與分子生物學理學碩士