DIS技術(shù)在高中生物學實驗教學中的應用分析

商 勇

（深圳市鹽田區(qū)教育科學研究院 廣東深圳 518000）

新課改強調(diào)學生的創(chuàng)新精神、實踐能力以及學科素養(yǎng)，這是社會發(fā)展對人才培養(yǎng)的需求。現(xiàn)階段最重要的時代特征是信息技術(shù)的應用。教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》指出推進信息技術(shù)與教學融合，利用信息技術(shù)開展啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學，探索建立以學習者為中心的教學新模式，提高信息化教學水平；《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱《課程標準》）也提出，學校和教師應特別重視信息化環(huán)境下的學習，關注信息技術(shù)資源的開發(fā)和利用，促進人才培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)變，著力發(fā)展學生核心素養(yǎng)。在這樣的課程改革和社會發(fā)展背景下，以探究性為主要特點的現(xiàn)代化教學技術(shù)手段DIS應用于實驗教學是必然趨勢。

1 生物學實驗教學現(xiàn)狀

生物學是一門實驗學科，實驗教學是生物學教學中的重要組成部分。目前的生物學實驗教學還有待完善，如實驗對于培養(yǎng)學生的科學思維和科學探究能力有重要作用，也是學生形成生物學概念，總結(jié)生物學規(guī)律的重要途徑。教師在觀念上不夠重視，由于紙筆考試的導向更多側(cè)重于知識教學，忽略了實驗操作技能的培養(yǎng)；開設實驗課程的學校也多是以演示實驗為主，學生參與度不高；學校實驗課的課時安排不足，生物實驗室的建設發(fā)展也存在一定差異。導致這些現(xiàn)象的原因可能在于實驗操作的考核體系有待進一步完善，有的學校并未將實驗操作考試納入期末考試，更多只是安排學生參加畢業(yè)前的學業(yè)水平理論測試。

隨著新課改的逐步推進，實驗教學的改革也必然會成為一個關鍵環(huán)節(jié)，《課程標準》指出，組織以探究為特點的主動學習是落實生物學學科核心素養(yǎng)的關鍵，生物學實驗就是探究活動的重要組成部分。

2 DIS與生物學實驗教學

2.1 DIS概述

DIS（Digital Information System）全稱“數(shù)字化信息實驗系統(tǒng)”。它是一種將信息技術(shù)和教學方法相結(jié)合的教學工具，主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機以及相應的特定軟件四部分所構(gòu)成。傳感器可以將光、熱、電、力、溫度、水分、壓強等信號實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集中心，并由其轉(zhuǎn)換為可以被計算機軟件識別的數(shù)字信號。此時，計算機執(zhí)行相應命令，以數(shù)據(jù)、圖形、表格等形式展現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)實驗者要求進一步進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、分析等后續(xù)處理。

2.2 DIS與實驗教學的融合

DIS實驗的研發(fā)是現(xiàn)代信息技術(shù)在實驗教學領域應用的突出案例。由于不同實驗學科發(fā)展的特點不同，目前在高中實驗學科中，物理DIS實驗操作的研發(fā)已相對較為成熟，而生物DIS實驗尚有待加強。傳統(tǒng)實驗能否轉(zhuǎn)換為DIS實驗很重要的一點在于是否有合適的傳感器將實驗現(xiàn)象或?qū)嶒灲Y(jié)果傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器中。生物學科DIS實驗的發(fā)展也是基于物理或者化學學科方面已有的傳感器來開發(fā)。目前的傳感器大都是和電流、電壓、溫度、pH、壓強、顏色等有關，故市場上可用的傳感器種類有限是造成生物DIS實驗發(fā)展尚不成熟的主要原因之一。

目前也有多個將DIS技術(shù)用于生物學實驗的成功案例。例如，“探究不同pH對過氧化氫酶活性的影響”實驗中，為了探究了4個不同pH條件下土豆中的過氧化氫酶對于H2O2分解的影響，可通過O2傳感器探測出單位時間O2釋放的多少來反映出過氧化氫酶活性受pH影響的變化，并在數(shù)據(jù)采集器和計算機的協(xié)助下得到擬合曲線。整個實驗裝置含有DIS的所有組分：傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機和應用軟件。學生通過協(xié)調(diào)裝置以及合理設置實驗，能夠高效地完成實驗操作并得到預期實驗結(jié)果。高中階段的探究類實驗只要能夠?qū)⑺^察到的現(xiàn)象通過直接或者間接的轉(zhuǎn)換使其能夠被適合的傳感器采集到，都可以進行DIS實驗的開發(fā)，如影響酶活性的條件、探究酵母菌的呼吸方式、環(huán)境因素對光合作用的影響、細胞大小與物質(zhì)運輸?shù)年P系等，都可以采用DIS的方式完成，以達到實驗觀察的實時性與高效性，有效提升實驗效率。

2.3 DIS與實驗操作考試

目前針對生物學實驗操作的考試主要以紙筆測試形式，考查學生的理論知識水平以及對實驗步驟等的記憶，也有一些關于實驗設計的思維性考查，但總的來說都未能很好地反映學生的實際動手操作能力。這主要是考慮到實驗操作考試需要耗費較多的人力物力和時間，監(jiān)考教師的評判也具有一定的主觀性。DIS技術(shù)應用于實驗教學可以將實驗升級為實時智能化的實驗操作考試系統(tǒng)。學生實驗前，教師預先在軟件中設定標準和容錯范圍，根據(jù)不同操作步驟的權(quán)重賦予一定分值；學生實驗時，傳感器檢測學生的實驗操作步驟和呈現(xiàn)結(jié)果；在操作完成后，由系統(tǒng)根據(jù)既定的分值設定進行評分。例如，在探究植物細胞失水的DIS實驗中，學生完成顯微鏡對光、臨時裝片制作、引流等實驗步驟，并上傳實驗結(jié)果，系統(tǒng)可以自動評分。

生物實驗操作考核體系的建立是一個全面的過程，它不是純粹理論知識的再現(xiàn)，而是一種實驗技能、學科素養(yǎng)和邏輯思維的綜合。考核方式的轉(zhuǎn)變會更進一步推動生物實驗教學方式的改革。雖然這種DIS實驗操作考核模式還處于初期，不過它既考慮到實驗結(jié)果，又兼顧實驗過程，對于培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)更為有益。另外，和傳統(tǒng)實驗監(jiān)考相比，它具有統(tǒng)一、高效、實時的特點，為開發(fā)生物實驗操作考試提供一個新的思路。

3 DIS實驗與傳統(tǒng)實驗的比較

傳統(tǒng)實驗是根據(jù)《課程標準》的要求以及教學課時安排完成的，對于培養(yǎng)學生的動手操作能力和生物學科思維具有重要作用，也是將來學生開展生物類探究實驗的基礎。DIS實驗是基于傳統(tǒng)實驗，通過各種傳感器以及計算機的分析處理提升實驗效率，并沒有忽視實驗操作，而是在一些現(xiàn)象觀察、數(shù)據(jù)收集等方面縮短了本應花費的時間。例如，觀察產(chǎn)生氧氣的量，可以通過氣泡、帶火星衛(wèi)生香的復燃等方式獲得，也可以直接通過氧氣傳感器來得到較為精確的數(shù)據(jù)，并形成可視化的曲線規(guī)律。類似這樣對傳統(tǒng)實驗的優(yōu)化和升級，可以讓學生更多的回歸對實驗本身設計的思考。

除了信號的實時傳遞、數(shù)據(jù)的自動化采集、實驗效率的提升等優(yōu)勢特點外，DIS在實驗教學的價值還體現(xiàn)在對學生思維能力的培養(yǎng)上。傳統(tǒng)實驗中的實驗器材和相關用品都是由實驗員在課前準備完畢，學生進入實驗室后更多的是根據(jù)課本上的實驗步驟來逐一完成，而DIS的實驗方式要求學生在實驗操作上首先要明白相關理論基礎，同時也要熟悉每個環(huán)節(jié)在整個實驗中的作用，并能夠合理有效的構(gòu)建出可達到預期結(jié)果的實驗模式。這既是一種創(chuàng)新，也培養(yǎng)和鍛煉了學生分析問題、思考問題的能力。

DIS實驗有助于開展實驗探究。傳統(tǒng)實驗由于考慮到實驗效果等因素，在實驗材料和實驗器材的使用方面有一定規(guī)范要求，DIS實驗由于傳感器的通用性，可以方便地進行不同實驗材料的比較和拓展。例如，將DIS應用于光合作用相關的實驗中，除了可以實時探究光合作用中二氧化碳和氧氣的含量變化，還可以比較不同植物的光合作用產(chǎn)量差異，能夠進一步引導學生對不同植物光合作用的特點進行分析，有助于培養(yǎng)學生的實驗探究能力。但不是所有傳統(tǒng)實驗都可以開發(fā)為對應的DIS實驗，如觀察細胞形態(tài)、觀察有絲分裂和減數(shù)分裂等實驗，其所展示的是靜態(tài)的生物學現(xiàn)象，不適宜開發(fā)為DIS實驗；而當觀察結(jié)果本身就是實驗教學的目標時，該實驗也不適宜開發(fā)為DIS實驗。

4 結(jié)語

當代信息技術(shù)的發(fā)展對基礎教育改革具有一定推動作用，DIS技術(shù)與實驗操作的結(jié)合也必將帶來生物學實驗教學方式的變革。DIS實驗是在傳統(tǒng)實驗基礎上的延伸和拓展，有利于激發(fā)學生學習興趣、培養(yǎng)學生的探究能力和創(chuàng)新精神，也有助于促進傳統(tǒng)課堂中培養(yǎng)學生單一知識性思維向多元化能力發(fā)展的轉(zhuǎn)變。基于科技公司開發(fā)的規(guī)模化數(shù)字實驗室也將進一步促進DIS技術(shù)在生物學實驗操作中的應用，如朗威?DISLab數(shù)字化信息實驗系統(tǒng)開發(fā)的生物傳感器已經(jīng)進入實驗課的教學實踐。隨著新課改的推進，教師也應轉(zhuǎn)變教學方法，注重專業(yè)知識和信息技能的全面發(fā)展，不斷嘗試和探索DIS在生物學實驗教學中的應用，以更好地提升學生生物學核心素養(yǎng)。