數字化實驗促進高中生物實驗教學模式轉型研究
——以比較過氧化氫在不同條件下的分解實驗為例

楊迪 東北師范大學連山實驗高中

●概念的界定

對于數字化實驗概念的界定目前有兩種觀點，這兩種觀點的相同之處是都認為數字化實驗是以真實實驗為基礎，不同之處在于，一種觀點認為數字化實驗是由仿真實驗、多媒體展現的實驗及借助傳感器的實驗組成，是廣義的數字化實驗[1]，另一種觀點認為數字化實驗是由傳感器、數據采集器、計算機中相應的配套軟件三部分組成，是狹義的數字化實驗。[2]本課題研究的是狹義的數字化實驗。

●數字化實驗對傳統實驗教學局限性的彌補

1.數字化實驗可以定量研究問題，使實驗結果更精確

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱新課標）在實施建議部分明確提出“在重視定性實驗的同時，也應重視定量實驗，讓學生在量的變化中了解事物的本質”。[3]在傳統生物實驗教學中教師往往重視實驗結果的傳授，而忽視了實驗過程中物質具體量變的情況，這往往是由于很多實驗變量難以捕捉。例如，在比較過氧化氫在不同條件下的分解實驗中，傳統實驗以相同時間氣泡產生量或衛生香復燃情況來反映實驗結果，而將數字化技術引入本實驗卻可以實時監控氧氣的產生量，數字化實驗數據采集、傳輸、存儲、處理、顯示迅速，從而實現了數據變化過程與實驗過程同步，使學生更容易通過數據分析不同條件下過氧化氫分解的速率，使實驗結果更精確。

2.數字化實驗的結果可重復，便于學生的后期評價

新課標指出，“重視探究性學習報告的完成和交流，教師應培養學生通過文字描述、數字表格、示意圖、曲線圖等方式完成報告，組織交流探究的過程和結果，并進行適當評價”。但是在傳統的實驗中對數據的處理具有瞬時性，不可重復觀察。例如，在比較過氧化氫在不同條件下的分解實驗中，氣泡產生量很快，且不可重復觀察。而利用數字化實驗設備不僅可以在實驗過程中觀察實驗的動態變化，而且可以將實驗結果儲存于計算機中，實現數據的實時記錄，并自動形成曲線，也可以將實驗結果導出，有利于學生對實驗結果的比對分析。同時，軟件提供了回放功能，可以在實驗后通過相應操作實現實驗重演，學生可以隨時復習實驗過程、定格展示，也可以縮放曲線以便于觀察，并且由于數據儲存在計算機中更有利于對不同實驗變量以及不同小組的實驗結果進行整合，更便于學生的后期評價。

3.數字化實驗的實驗變量可并行，便于學生對不同變量的研究

生物中許多實驗的自變量在實際實驗設置時不好把握，因此在具體操作時往往只檢驗因變量的變化情況。而如果在進行實驗操作時能精確地控制自變量，則實驗結果會更加精確。例如，探究酵母菌細胞呼吸的方式實驗，書中對A瓶的處理是間歇性地泵入空氣，對B瓶的處理是放置一段時間再連通澄清石灰水，但是對于瓶中具體的氧氣含量以及是否創造了無氧環境并不清楚，并且教材中以澄清石灰水變渾濁的程度或溴麝香草酚藍溶液變黃時間的長短來判斷有氧呼吸和無氧呼吸產生二氧化碳的多少，對于二氧化碳的具體產生量也不了解。但如果能用數字傳感器同時監測氧氣和二氧化碳兩種氣體的變化量，則能更好地掌握實驗自變量和因變量的變化情況，從而培養學生嚴謹的實驗意識，提升科學探究能力，更有利于落實學科核心素養。

4.數字化實驗簡化實驗操作，節省實驗時間

新課標所說的“實驗教學”是指“教師組織學生在生物學實驗室和校園內外開展的教學活動，即可以是動手、觀察類的實踐活動，也可以是以問題解決為特點的探究活動”。在高中生物必修教科書中涉及的生物實驗中調查類實驗主要由學生在校園外分小組利用休息時間完成，觀察類和驗證類實驗操作較簡單，耗時較短，可在一節課內完成，而大多數的探究類實驗卻操作煩瑣，耗時較長，往往不能在一節課內完成。例如，探究環境因素對光合作用強度的影響實驗，本實驗探究的自變量較多，包括光照強度、CO2濃度、溫度等多個自變量，即使對教材中的實驗進行改進，同時探究多個因素對光合作用的影響，但也因實驗過程以及結果記錄處理等環節耗時太久，而達不到理想的實驗效果，浪費了學生的探究時間。而數字化實驗的引入有效解決了以上問題，不僅簡化了實驗步驟而且節省了實驗時間，使學生擺脫了由于煩瑣記錄和作圖不準確造成的實驗誤差，從而讓學生能夠將更多的時間、精力用于實驗設計、探究和分析以及驗證和修改假設，有利于更好地理解概念，掌握規律，提升探究能力。

●應用實例—《比較過氧化氫在不同條件下的分解》

課本中對過氧化氫在不同條件下的分解實驗處理如下：

學生通過觀察90℃水浴與常溫下過氧化氫的分解體會到加熱能使過氧化氫獲能，促進過氧化氫分解，提高反應速率，從而初步理解活化能的概念。接著通過比對等量氯化鐵溶液與新鮮肝臟研磨液催化過氧化氫分解實驗，又發現酶分子的數量雖然少但是試管中產生的氣泡數量卻很多，并且能使衛生香燃燒得更劇烈，所以能得出同無機催化劑相比，酶降低活化能的作用更顯著，因而催化效率更高。

傳統實驗操作簡單，實驗現象也比較明顯。但筆者在閱讀新課標對實驗教學的要求發現，開展實驗教學應該注意以下幾點：①實驗設計應該多樣化；②在注重定性試驗的同時，也應注重定量實驗，讓學生在量變中了解事物的本質；③要注重實驗安全教育。

基于以上思想，筆者對教材實驗進行分析，教材通過比較不同試管氣泡產生速率以及衛生香的燃燒程度來比較不同催化劑的催化效率，得出酶具有高效性，顯現較為明顯。但在實際操作中存在以下隱患：①酶催化過氧化氫分解速率非常快，若操作不規范瞬間會產生大量泡沫，溶液易噴出試管，并且該實驗產生大量氧氣時，衛生香爆鳴復燃，劇烈燃燒，這都存在一定的安全隱患。②試管中產生的泡沫較多時水汽也較多，可能導致衛生香不復燃使實驗結果失敗。為了克服以上問題，筆者引導學生對實驗改進，提出問題：能否不采用教材中提供的燃燒驗證法？由于產生的氧氣為氣體，能否采用密閉容器中壓強變化情況來驗證酶具有高效性呢？并且引導學生思考能否對該實驗進行定量研究，學生想到了實驗室中的傳感器，于是對實驗進行了改進。

實驗方案：以密閉試管中的壓強變化作為過氧化氫分解速率的指標，采用相對壓強傳感器直接與盛有反應物的試管相連，并保證其氣密性，這樣試管中相對壓強的大小就可以通過傳感器直接傳輸到電腦的顯示屏，通過分析不同傳感器收集到的數據曲線情況，就可以準確直觀地來驗證酶的高效性了。

實驗裝置如圖1所示。

圖1 裝置與相對壓強傳感器放置

實驗步驟：①取三只大小相同的試管，并編號為1、2、3，向三只試管中分別加入0.5ml蒸餾水、氯化鐵溶液和肝臟研磨液，其中蒸餾水用作空白對照。②向三只注射器中分別吸入等量3ml體積分數為3%過氧化氫溶液。③將電腦、傳感器的探頭以及試管等連接成統一整體，并保證試管氣密性。④最后通過注射器將過氧化氫溶液注射到試管中，使反應直接在試管中進行。圖2所示為實驗結果。

圖2 裝置中相對壓強隨反映時間變化曲線

可以看到，由于過氧化氫液體的加入占用了試管中一部分體積，所以三只試管的相對壓強均有所上升，但是含有肝臟研磨液的試管所對應的相對壓強曲線上升迅速，而加入氯化鐵溶液的試管所對應的曲線上升緩慢，一段時間后試管壓強也明顯上升，而加入蒸餾的試管相對壓強基本不變。

通過以上實驗，學生不僅可以得出酶同無機催化劑一樣也具有催化作用，且催化具有高效性這樣的實驗結論。同時，數字化傳感器的應用能夠實時反映實驗中相對壓強的變化，從而反映氧氣的變化量，使學生能夠直觀地觀察到過氧化氫溶液的分解情況。除此之外，利用數字化實驗采集的數據在需要時還可以重復利用，便于復習回顧。實驗的整體操作也比較安全，符合生物課程標準的要求。

●結論

將數字化實驗應用于高中生物實驗，能將教材中部分定性研究實驗向定量研究轉變，使生物實驗在重視結果的同時更加重視過程的分析。數字化實驗在數據處理方面彌補了傳統定性測量的不足，使結果記錄、數據處理向更加精確的方向轉變，并且數字化實驗與傳統實驗相比實驗記錄數據以及處理數據時間減少，學生分析探究時間增多，更加有利于培養學生的探究思維。此外，數字化實驗還可以對多個因素同時進行觀察探究，使實驗探究更接近于真實情況，實驗結果更具說服力。