例談數字化實驗技術在優化高中生物實驗教學中的應用

牛軍銳

摘 要：實驗教學是高中生物教學的重要組成部分，本文從數碼顯微技術的直觀展示突破血球計數板的使用及計數困惑，數字化傳感技術探究細胞呼吸方式培養學生對實驗數據及曲線分析的科學思維能力等方面進行了論述了如何優化高中生物實驗教學。

關鍵詞：數字化技術;高中生物;酵母菌實驗

生物學是一門以實驗為基礎的自然科學，實驗教學是高中生物教學的重要組成部分和重要方式。通過實驗操作體驗可以幫助學生理解抽象的生物概念和知識，培養學生的科學思想和探究能力。縱觀歷年江蘇生物高考，實驗都占有20%以上的比重，如2017年的第5題，2018年的第14，31（4）題，2019年的第14、30題等都考查了酵母菌相關實驗的高頻考點，針對實驗教學中的問題，如何借助數字化實驗技術，優化酵母菌相關實驗的教學呢？筆者在高中生物教學中進行了一定的嘗試。

1.借助數碼顯微鏡直觀展示，突破血球計數板的計數困惑

實驗問題：血細胞計數板的使用是高中生物教材必修3的重要實驗內容，近年高考試題及高三復習考試中常涉及血細胞計數板的使用原理、操作步驟、方法和相關計算的考查，但不少同學感覺解題難度較大，只知其一，不知其二，答題失分的率高。究其原因，主要是學生沒有全面認識血球計數板的結構，停留在紙上談兵的死記硬背狀態。

改進方案：借助數碼顯微鏡，結合數碼互動系統在一體機上進行實驗操作展示，通過不同實驗操作的實驗現象的比較、分析完成酵母菌的計數及相關實驗影響因素的分析。具體按如下實驗過程進行。①肉眼觀察血球技術板：厚度，凹槽分布（四個凹槽和一個短橫凹槽）②數碼顯微鏡（4倍低倍鏡）連接顯示屏展示計數板上的方格網，展示9個大方格以及中間大方格。③放大將大方格，展示并觀察，找出中方格之間的分割線（雙線）。④增大物鏡倍數，展示小方格。⑤探究蓋玻片先蓋、后蓋的影響。滴加同一酵母菌培養液，兩組采用先蓋后滴和先滴后蓋蓋玻片的方法，在電腦顯示屏計數每小格酵母菌數量以及中方格的酵母菌數量（討論如何計數？），而后嘗試計算酵母菌濃度，分析數據差異的原因。

優勢分析：通過數碼顯微鏡及顯示屏直觀展示，學生在自我觀察中直觀全面的認識了血球計數板，在實際實驗操作和相互討論中完成相關計算，既克服了傳統顯微鏡下觀察耗時長，不少同學觀察不到，教師無暇顧及的情況，也避免了紙上談兵的抽象實驗教學的認知困難，較好的突破了學生在這一實驗中的學習盲點和難點。

2.依托數字化實驗技術的直觀數據，理清酵母菌呼吸方式的表、圖、線的思維難題

實驗問題：“探究酵母菌細胞呼吸的方式”實驗是人教版高中生物必修1中的一個重要探究性實驗。但因試劑耗費量特別大，實驗過程所耗時間較長（將兩組裝置放到30°C下培養，整個實驗需持續8～10h才能觀察到實驗結果），并且裝置的氣密性以及酒精檢測的危險性等因素的考慮，導致部分教師實際教學中多采用多媒體模擬實驗代替的方式，這種紙上談兵的實驗教學導致學生缺乏直接實驗體驗和實際實驗數據處理及分析能力，解題中細胞呼吸相關的數據和曲線分析成為學生的思維難題。

改進策略：借助傳感器實驗技術，設計探究酵母菌呼吸的相關數字化微型實驗，記錄實驗中O2、CO2、酒精的含量及含量變化。實驗材料與器材：活化酵母，5%葡萄糖溶液，注射器、新購的輸液導管（帶有調節器）、氣球（包裹二氧化碳傳感器檢測部位，并起到緩沖氣體的作用）、二氧化碳傳感器、氧氣傳感器和酒精氣體傳感器，數據采集器及電腦等。實驗過程：①將活化酵母液與5%葡萄糖溶液（按5：20比例）混合備用。②使用相同的注射器（20ml）連接四組實驗裝置，其中A組使用兩個注射器，一個注射器添加H2O2和Fecl3作為供氧裝置，另一注射器加入混合液10ml，連接二氧化碳傳感器，測定有氧呼吸過程中二氧化碳的含量的變化。B組在注射器中加入混合液10ml，排出針管內氣體，連接二氧化碳傳感器，測定無氧呼吸過程中二氧化碳的含量的變化。C組在注射器中加入混合液10ml，針管內留10ml氣體，連接二氧化碳傳感器，測定有一定氧氣存在時二氧化碳的含量的變化。D組在注射器內加入混合液10ml，針管內留10ml氣體，連接氧氣傳感器，測定隨呼吸進行裝置內氧氣的含量的變化。③數據采集：打開實驗系統軟件，設置數據采集時間為4min，選擇相應模板和曲線名稱后，分組開始采集實驗過程中各裝置C02（或O2）的含量值和變化曲線數據。④采集結束后，分別將A、B、C組發酵液進行加熱，換用酒精氣體傳感器測定酒精的含量變化。⑤結果與分析：通過采集設備中展示的圖表或者曲線，進行處理繪制4min內C02（或O2、酒精）的含量變化數值表和曲線圖，分析酵母菌在氧氣充足、氧氣不足和無氧條件下的呼吸情況和產物，分析氧氣改變與酒精產生量、二氧化碳產生量的關系，得出相應的實驗結論。

優勢分析：通過實驗裝置的改進及傳感器技術的使用，不僅解決了傳統探究酵母細胞呼吸方式實驗耗時長，耗材多的問題，數字化實驗技術借助于實驗數據的采集、測量和歸納上有著技術上的優勢，有利于學生通過定量數據和圖像直觀、快速地了解酵母菌細胞在氧氣充足、氧氣不足和無氧條件一段時間內產生的C02的含量變化、酒精含量變化、氧氣含量變化，結合實驗體驗嘗試進行實驗數據分析處理，比定性的澄清石灰水變混濁實驗更能培養學生的科學思維能力。

隨著新課程改革的實施和發展，借助數字化實驗技術來輔助優化實驗教學，是教育改革必然趨勢，讓我們以教材為基礎，將生物實驗教學與數字化技術有機結合，創新優化實驗教學，更好的培養學生的創新思維和科學探究精神，提高實驗教學的質量和效率。

參考文獻

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基金項目：蘇州市規劃課題《葉圣陶“問題中心，實驗探究”課程思想運用于高中數字化探究實驗教學的實踐研究》課題編號：Y-B/2014/06/06