數碼顯微鏡在高中生物觀察類實驗中的運用實例

馮艷娜

【摘要】：高中生物觀察類實驗往往需要借助于普通光學顯微鏡進行觀察，但傳統的教學方式并不便于結果的記錄、分析和共享。將數碼顯微鏡運用到課堂實驗教學中，加速了實驗進程，同時可以實現實時記錄、資源共享、互動交流、學后拓展，真正達到探究的目的。“觀察根尖分生組織細胞的有絲分裂”、“探究植物細胞的吸水和失水”這兩個實驗都取得了較好的實驗效果。

1.傳統光學顯微鏡的使用弊端

高中生物實驗教學中的觀察類實驗往往需要借助于顯微鏡才能完成，對于大多數實驗室而言，普通光學顯微鏡是最常用的觀察設備。但普通光學顯微鏡功能單一，存在一定的局限性。如動態過程無法記錄，優秀的實驗無法再現與共享。新課程標準對實驗的要求明顯加強，在教學方法上對探究性和互動性也提出了更高的要求。只有轉變學習方式、實現師生、生生之間的交流，才能真正實現自主學習。顯然，傳統的光學顯微鏡已經無法滿足現階段的實驗要求。

2.我校數碼顯微鏡的結構與功能

數碼顯微鏡是將顯微鏡看到的實物圖像通過數模轉換，使其成像在顯微鏡自帶的屏幕上或計算機上，通過投影機播放，使教室內的學生可以一同觀看影像。

2016年，學校生物實驗室升級改裝，安裝了投影設備，并配置了一批鳳林牌FL-107CCD三目數碼顯微鏡。這批顯微鏡配置的目鏡放大倍數為10X、16X，物鏡放大倍數為4X、10X、40X和100X，內置一體化130萬像素高分辨率數碼攝像系統。數碼顯微鏡可以通過USB接口，連接到實驗室的主控電腦上，并經投影儀，將實時畫面投影到大屏幕上。每臺顯微鏡又自帶一個7寸顯示屏，進行分組實驗時，組內成員可以同時觀察到實驗現象，并能實現拍照、攝像，放大等基本操作。

3.實例一“觀察根尖分生組織細胞的有絲分裂”

3.1實驗分析

該實驗是高中生物中的經典實驗，由于實驗強度大，時間緊，教師演示難等問題的存在，導致成功率低、效果差。所以在實際教學中，很少有學校帶學生動手做實驗，通常只是讓學生觀看實驗視頻。而配置了數碼顯微鏡后，我校老師果斷放手，從取材到實驗記錄，全部交給學生，并取得了一定的成功。

3.2基本操作

通過預實驗發現大蒜根尖觀察效果更好。正式實驗時，采用大蒜根尖為實驗材料。通過分組，每組4位同學共用一套觀察裝置，按照“解離-漂洗-染色-制片”的基本步驟進行操作。

3.3結果與分析

圖1為某小組觀察到的有絲分裂圖，能較清晰的看到間期、末期和中期。雖然，實驗中也存在一些問題，但數碼顯微鏡的運用使得本實驗的意義更深遠。體現在兩方面：一、該實驗對解離的程度和表皮的撕取要求高，學生需要多次嘗試才能夠制作出理想的裝片。分組合作可以制作大量裝片，利用數碼顯微鏡自帶顯示屏可以實現多人同時觀察，對于不合適裝片直接淘汰，合格裝片能夠較快捕捉視野，及時拍照。二、雖然不是每個小組、每個裝片都可以同時觀察到分裂的各個時期，但教師可以將各組觀察到的典型圖像，通過投影儀及時展示給全體學生。也可以就問題裝片展示分析失敗原因，從而實現班級共享。

4.實例二“探究植物細胞的吸水和失水”

4.1實驗分析

該實驗是高中生物新課改后的第一個探究實驗。傳統的實驗教學往往機械地按照課本中的實驗要求進行模仿，持續時間較長。要真正實施探究性實驗，需要對實驗過程中存在的問題，進行大膽的改進、創新。從而把學生的主動性、創造性調動起來。同時，利用數碼顯微鏡的動態記錄功能記錄下實驗過程。

4.2實驗過程

4.2.1材料選擇

除洋蔥外，校園里正開的薔薇花、木槿花花瓣，水綿均可作為實驗備用材料。

4.2.2基本操作

將學生分組，每組6人，每組2臺普通光學顯微鏡，1臺數碼顯微鏡。學生依據科學探究的一般方法開展實驗：

提出問題—作出假設—設計實驗—進行實驗—分析結果，得出結論

4.3實驗中存在的問題

選擇紫色洋蔥鱗片葉外表皮細胞為實驗材料，觀察滴加0.3g/ml蔗糖溶液發生質壁分離及分離復原的現象。問題主要表現為兩方面：一、材料撕取困難，洋蔥外表皮色素含量雖高，但撕取只有一二層細胞構成的外表皮細胞有一定難度。在操作中，反而是上個班級留下來的不新鮮的洋蔥殘片，輕輕一掰，一撕，用剪刀剪斷，鑷子夾到載玻片上，效果較好。二、進程緩慢，實驗中采用課本中0.3g/ml的蔗糖溶液，質壁分離較慢。

4.4 實驗創新

鑒于以上問題，一方面，每組各派一名學生，繼續完成課本中的實驗，通過數碼顯微鏡的攝像功能，記錄質壁分離及復原的過程。另一方面引導學生解決實驗中存在的問題，經小組討論，結合現有實驗條件，學生提出以下幾點改進方案：

①采用洋蔥內表皮細胞進行觀察

②增加蔗糖溶液的濃度

③改用KNO3溶液

④觀察其他植物細胞的吸水和失水

每組自選1-2個方案進行探究，將觀察到的現象及時記錄，效果明顯的通過投影儀進行展示。

4.4.1 改用洋蔥內表皮細胞

用洋蔥內表皮細胞觀察，將視野調暗，能看到質壁分離及復原現象。為了使現象更明顯，用紅墨水染色增加對比度，結果實驗效果非常明顯

4.4.2增加蔗糖溶液的濃度

學生分別嘗試了0.4g/ml、0.5g/ml蔗糖溶液，結果表明：0.5g/ml蔗糖溶液雖然最容易發生質壁分離，但很多細胞無法復原，進而得出結論：高濃度蔗糖溶液可能導致細胞失水過多而死。而采用0.4g/ml蔗糖溶液的實驗小組，觀察到質壁分離（圖4）及復原（圖5）現象所需時間約五分鐘，明顯短于0.3g/ml蔗糖溶液所需時間（8-10分鐘）。后續實驗中，學生統一采用0.4g/ml蔗糖溶液，加快了實驗進程。

4.4.3 觀察KNO3溶液使細胞質壁分離及自動復原

學生嘗試了0.4mol/l、0.6mol/l、1.0mol/l三個濃度梯度的KNO3溶液對洋蔥外表皮細胞吸水和失水的影響，結果表明0.6mol/lKNO3溶液，既能使細胞發生質壁分離，也能使其自動復原。濃度過大則會導致細胞失水過多而死，以致無法復原。

4.4.4觀察其他植物細胞的吸水和失水

水綿，細胞單列呈絲狀，有細胞壁和大液泡，具備發生質壁分離的條件。采集后，不需要壓片，單根藻絲即可直接制成臨時裝片。滴加0.4g/ml蔗糖溶液，結果顯示水綿細胞能在短時間內發生失水，液泡逐漸縮小，滴加清水后，快速吸水，恢復原狀。整個實驗過程用時約三分鐘，比之前的任何一個實驗所需時間都短。

通過小組內部合作，每個小組都觀察到了植物細胞的失水和吸水現象，并用數碼顯微鏡記錄下實驗過程，針對實驗現象明顯的小組，通過投影儀對實驗結果在全班進行展示。整個實驗探究取得了超乎想象的效果。

5.教后感悟

5.1數碼顯微鏡的使用有助于實驗的成功

（1）節省時間，加速實驗進程

普通光學顯微鏡觀察時需要時刻盯著鏡頭，容易疲勞。而數碼顯微鏡能將物象呈現在計算機屏幕上，且具有視頻記錄功能。一方面避免了長時間用眼，另一方面，也可以利用記錄的空檔時間準備下一個實驗，從而加速實驗進程。

（2）實現資源共享

實驗過程中，對于成功的案例，可以通過投影儀進行資源共享，對于異常的實驗結果，可以進行及時的分析，并改正。

（3）實現學后拓展

在后續的教學中，可以將記錄下的視頻進行編輯。經剪輯、壓縮、快進制作成的《質壁分離及復原》動態時錄，可以作為教學短視頻。既可以復習時回放，也可以插入到微課制作和慕課教學中，實現資源的多級利用。

（4）享受成功喜悅，激發創造熱情

學生對數碼顯微鏡具有濃厚的興趣，不僅希望觀察課本中的實驗，還想探究自然界更多微觀的現象?？茖W探究不僅局限在課堂，課外活動是課堂教學的延伸和補充，利用生物學知識探索生活實踐中遇到的生物問題，也是生物實驗拓展的主要內容之一。

5.2小組合作、自主探究提升實驗素養

毋庸置疑，數碼顯微鏡在高中生物實驗教學中的輔助作用是明顯的。有的高中甚至借鑒了大學微觀實驗室的教學模式，引進了全方位的數碼顯微互動系統，這將更有利于生物觀察類實驗的開展，但所需費用和對教師的要求也是很高的。科技進步帶來了教學的便利，但我們在教學的過程中也不能單純的只依靠設備，也要通過設計、恰當地運用，從而提高課堂效率。

基金項目：河南省教育科學“十三五”規劃電化教育專項課題成果

課題名稱：信息技術環境下高中生物“教與學”模式新研究，批準號：教教科 【2017】770號