信息技術與高中生物學實驗教學的融合創新

摘要：本文以“探究環境因素對光合作用強度的影響”實驗為例，將多種現代信息化和數字化技術應用于實驗過程，對實驗進行創新性改進。結合3D打印技術自制實驗教具“多功能光照培養箱”，利用手機APP“藍牙調光器”精準調節光源，連接O2傳感器實時檢測O2產生速率，并通過分組實驗、任務驅動、成果分享等活動展示實驗流程，積極探索在信息技術背景下的高中生物實驗教學的改進和優化模式，為高中生物學實驗教學的改革和培養創型人才提供新的思路。

關鍵詞：信息技術；生物學實驗；融合創新；多功能光照培養箱

文章編號：1003-7586（2024）05-0052-03 中圖分類號：G63391 文獻標識碼：B

《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》中指出，充分利用以“互聯網+”為代表的教育信息技術，開啟動態的數字化生物學課堂教學。教育部在2018年印發的《教育信息化20行動計劃》中指出，要著手提高學生信息技術能力，將信息技術素養納入綜合素質的評價中。聚集信息技術與生物學實驗教學的融合路徑，提升實驗課堂理論教學的視覺化，使生物學實驗課堂能夠滿足現代教育的發展需求，為高中生物學實驗教學的改革提供了新的方向。

“探究環境因素對光合作用強度的影響”是人教版普通高中教科書《生物學·必修1·分子與細胞》第5章第4節“能量之源——光與光合作用”中的“探究·實踐”部分的實驗。光合作用的過程是微觀、復雜的，光合作用強度的測定是定性的，通過信息化技術手段來輔助本實驗的教學，讓微觀實驗可視化、定性實驗定量化、復雜實驗簡單化。

1信息技術的融合思路

1.13D打印技術的引入

3D打印技術在航空航天、工業制造等諸多領域被廣泛應用，隨著其迅速發展，近年來也慢慢滲透到高中生物學實驗教學裝置的制作過程中。與傳統制作教具的方法相比，3D打印技術具有省時、省材、省力的優點，特別是在推廣性和復制性方面具有無可比擬的優勢。

在“探究環境因素對光合作用強度的影響”的實驗中，需要設定一個獨立的、黑暗的、可多組對照的實驗環境，一方面需要避免環境中其他光源的干擾，另一方面還要同時設置多組對照實驗。基于以上需求，在紙上繪制出“多功能光照培養箱”的基本結構圖，然后在電腦上利用軟件“3D one”構建3D立體模型，選擇不透光的樹脂作為打印材料，根據立體模型開啟3D打印過程，從而將無形的電子建模轉化為有形的實物模型。在軟件中根據需求自由設置箱體各邊長參數，再利用3D打印機制作出“多功能培養箱”?！岸喙δ芘囵B箱”的3D立體設計圖及打印出的實物如圖1所示。

1.2手機APP“藍牙調光器”的使用

“多功能光照培養箱”中的光源是由24個無極調光的LED智能燈組成，光源均可由手機APP“藍牙調光器”進行智能調節，通過手機APP可調節培養箱中的光照強度、光照頻率，光質等自變量。LED智能燈的調節范圍為0～10 klx，手機APP“藍牙調光器”可通過設置亮度比例自由調整每一組的光照強，并實現一鍵調節光照強度、光照與黑暗的交替頻率等功能。手機APP“藍牙調光器”操作簡單，界面清晰，使得實驗自變量的控制過程更具科學性、嚴謹性、信息化。手機APP“藍牙調光器”調節光照強度的操作界面如圖2所示。

1.3O2傳感器的使用

本實驗的因變量是光合作用的強度，可通過檢測光合作用產生O2的速率來判斷。以O2傳感器為主體的“手持技術”的引人為精確測量實驗結果提供了技術支持。O2傳感器的探頭連接光合瓶口，其另一端直接連接電腦端，實時監測光合作用產生O2的速率，快速收集和處理實驗數據并生成直觀形象的曲線圖。在電腦屏幕上呈現出的曲線圖直觀簡潔，科學嚴謹，讓微觀的實驗結果變得可視化。O1傳感器的使用如圖3所示。

2實驗操作過程

2.1實驗材料的選擇

預實驗選用綠蘿、菠菜等多種生活中常見的綠色植物作為實驗材料進行探究。最終選擇綠蘿葉片作為正式實驗的材料，綠蘿的優點為：①無需打孔和抽氣，避免葉綠體的破壞；②綠蘿葉肉細胞葉綠體多，光合作用強，實驗現象明顯；③綠蘿能凈化空氣，有很高的生活實踐價值。本實驗稱取長勢相同的綠蘿葉片5g，分別置于6個體積為300 mL的光合瓶中進行實驗。

2.2自變量的設置

通過“多功能光照培養箱”探究多種環境因素對光合作用產生的影響。通過手機APP“藍牙調光器”調節燈帶的功率或顏色來調節“光照強度”或“光質”；通過設置光照與黑暗交替的頻率來調節“光照頻率”；通過用不同溫度的水進行水浴保溫來調節“溫度”；通過配制不同濃度的NaHCO3溶液來調節“CO2濃度”。

將學生分成5個小組，每組分配不同的探究主題，同時探究5種環境因素對光合作用速率的影響，從而節省實驗時間，提高課堂效率。以“探究光照強度對光合作用速率的影響”為例，通過手機APP“藍牙調光器”等梯度地設置6組光照強度，每個光合瓶中盛放的均為250 mL、質量分數為1.5％的NaHCO3溶液，溫度均設置在25℃進行實驗。

2.3因變量的檢測

本實驗的因變量是光合作用的強度，通常采用O2產生的速率來作為因變量的檢測指標，而本實驗選用O2傳感器來測定O2產生的速率。將O2傳感器的探頭插入裝有綠蘿葉片的光合瓶中，利用手持技術自動對O2產生量進行數據采集，通過電腦端實時地處理數據并同步產生坐標曲線圖，從而將實驗結果直觀形象地展示出來。

2.4實驗結果的分析

以“探究光照強度對光合作用速率的影響”為例，通過O2傳感器得到的不同光照強度下氧氣釋放量的曲線圖（見圖4），氧氣釋放速率曲線圖（見圖5）。

由以上曲線圖可知，當光照強度在3-7 klx的范圍內，隨著光照強度的增強，氧氣釋放的速率持續加快；當光照強度約為7 klx時，氧氣釋放的速率趨于穩定。

3實驗創新性分析

3.1信息化技術的融八

實驗融合了3D打印技術、信息化調控技術、O2傳感器等多種信息技術，讓生物學課堂實驗實現動態的數字化教學，讓現代的實驗教學過程不斷地適應時代發展的需求，從而達到培養出創新型人才的目的。

3.2便攜性和安全性

實驗中用到的“多功能光照培養箱”由樹脂材料打印而成，經久耐磨，攜帶方便；培養箱上的轉接頭將220V的高壓電轉換成5V的低壓電，極大地增強了裝置的安全性。實驗所需電源通過USB接口連接充電寶即可，整套器材解除了對實驗室的依賴，大大增強了實驗探究的靈活性。

3.3實用性和可推廣性

利用“多功能光照培養箱”可以探究光照強度、光照頻率、光的顏色、CO2濃度、溫度等多種環境因素對光合作用強度的影響，做到了一箱多用，具有非常強的實用性。此外，由于“多功能光照培養箱”是利用軟件構建的3D立體模型，使用3D打印機即可實現一鍵打印，具有較強的可復制性和推廣性。

4總結與討論

本實驗通過巧妙地融合如3D打印技術、手機APP調控系統及O2傳感器等信息化技術，不僅實現了生物學實驗課堂的數字化、動態化轉型，還顯著提升了實驗教學的現代化水平，使其更加貼近時代發展的需求。這種創新性的教學模式不僅豐富了教學手段，更激發了學生的創新思維和實踐能力，為培養創新型人才奠定了堅實基礎。

在便攜性和安全性方面，實驗設計的“多功能光照培養箱”展現出獨特的優勢。采用樹脂材料制作的箱體，不僅耐磨耐用，還極大提升了設備的便攜性，使得實驗不再受限于傳統實驗室環境，真正實現了隨時隨地的學習與探究。同時，通過轉接頭將高壓電轉換為低壓電，以及使用USB接口連接充電寶供電的設計，不僅簡化了操作流程，還極大地增強了實驗過程的安全性，為師生提供了更加安心的實驗環境。

此外，實驗所設計的“多功能光照培養箱”在實用性和可推廣性方面同樣表現出色。該培養箱能夠靈活探究多種環境因素對光合作用強度的影響，實現了實驗功能的高度集成和多樣化，為生物學教學提供了強有力的工具支持。更重要的是，其基于軟件構建的3D立體模型及一鍵打印功能，使得設備的復制與推廣變得簡單快捷，有望在未來廣泛應用于各類生物學實驗教學及科研活動中，進一步推動教育資源的均衡發展與共享。

綜上所述，本實驗在信息化技術的融入、便攜性與安全性設計以及實用性和可推廣性等方面均展現出了顯著的創新性，不僅為生物學實驗教學帶來了新的思路和方法，也為培養具有創新思維和實踐能力的新時代人才提供了有力保障。未來，隨著信息技術的不斷發展和應用，相信這種創薪性的實驗教學模式將在更廣泛的領域得到推廣和應用。