運用DISlab改進部分高中生物學實驗的實踐研究

摘要： 針對傳統實驗教學中存在的實驗設備性能不高、學生參與度低、定量分析困難等問題，提出了將數字信息系統實驗室（DISlab）技術與生物學實驗相結合的新思路，利用DISlab的傳感器和數據采集系統，將定性實驗轉化為定量分析，如借助壓強傳感器精確測量過氧化氫酶活性，使用pH緩沖液控制實驗變量，以及通過溫度預處理探究酶活性的變化。研究結果表明，將DISlab技術應用于生物學實驗，可提高實驗的精準度和可視化水平，同時提升學生的科學思維與探究能力。

關鍵詞：DISlab；高中生物學；實驗教學；核心素養

生物學是一門實驗學科。實驗教學作為生物學課程中的關鍵組成部分，對于培養學生的生物學科核心素養起著至關重要的作用。在信息化快速發展的今天，越來越多的模擬軟件被應用于實驗中，并取得了良好的課堂教學效果。

一、運用DISlab改進生物學實驗教學是科學抉擇

《教育信息化十年發展規劃（2011—2020年）》明確提出，要促進信息技術與教育教學深度融合，倡導教師運用信息技術開展啟發式、探究式和討論式及參與式教學，構建以學生為中心的教學新模式，以提升信息化環境下的教學質量與水平。《普通高中生物學課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）在其教學建議部分指出，應有效利用信息技術來增強課堂教學的效果；同時，還需強化并改進生物學實驗教學。然而，部分學校由于實驗設備、實驗材料和實驗空間受限，學生無法充分地參與到實驗中去。在開展常規實驗教學的地區，也多以教師為中心進行演示實驗或讓學生簡單地重復實驗步驟，難以有效地激發學生的學習興趣，影響學生學習主動性與創造性的發揮。此外，高中生物學實驗中既有定性實驗又有定量實驗，一些定量實驗受限于固有的實驗器材和檢測手段，較難得到精準的實驗數據，實驗結果也難以讓人信服。

學校要落實課標要求，“充分利用信息技術提高課堂教學效率”，就需要做好DISlab等新技術與生物學實驗教學深度的融合工作。基于上述分析，筆者選用DISlab這一全新的軟硬件一體化實驗系統，改進部分高中生物學實驗的設計與操作，采用新的測量手段來評估實驗結果，嘗試將一些定性實驗轉化為定量實驗。

二、DISlab技術概述及應用現狀

DISlab為數字信息化系統實驗室的英文簡稱，其中，DIS為Digital Information System的簡稱，主要構成部分包括傳感器和數據采集設備及配套的數據處理軟件。傳感器涵蓋多種類型，如氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、相對濕度傳感器、氣態酒精傳感器和pH傳感器及溫度傳感器等。數據采集器支持多通道（最多為4通道）采集數據，即同時采集多組同類型或不同類型的數據，數據穩定且互不干擾。

數據處理軟件可以記錄每個時刻的實驗數據，也可以生成相應的函數圖像。在軟件的支持下，實驗結果的數字化、測量的實時性和現象規律的可視化及操作測量的簡化均將得以實現。如此，可在真實實驗的基礎上實現信息技術與實驗教學深度融合。

早在2006年，上海市作為試點城市，為嘗試數字化教學，在其市內53所學校建立數字信息化系統實驗室，構筑信息技術平臺，取得了良好的應用效果。DIS實驗系統隨之在全國范圍內得以推廣^[1]。以鄭州地區為例，鄭州市部分中小學陸續開始建立DISlab，一些教師開始使用DISlab授課或者參與優質課的評比。但總體來看，不少教師并不知道或只是了解有DISlab存在，并未有效使用DISlab開展相關的實驗教學，加之缺乏相應的專業培訓，多有畏難情緒，導致DISlab在個別學校被閑置。

筆者登錄中國知網進行檢索分析，發現目前在高中實驗學科中，對物理DIS實驗操作的研究較為成熟，而生物學DIS實驗有待加強^[2]。鮮有生物學教師嘗試DIS實驗。生物學實驗教學與DISlab融合不夠深入，缺乏相應的專業研究。

三、DISlab輔助生物學實驗教學案例

筆者以高中生物學必修1中的“降低化學反應活化能的酶”為例，介紹DISlab的應用方法。

（一）pH對酶活性的影響

實施該實驗需要解決以下兩個問題。

問題一：如何探究pH對于過氧化氫酶活性的影響？

教材給出的方法：用肉眼觀察氣泡的產生情況或衛生香的燃燒狀態，評估過氧化氫的分解速度。此方法的不足之處：無法定量分析，在區分過氧化氫分解過程中細微差異時（例如，在pH為6、7、8的情況下過氧化氫酶活性的變化），精確度顯得不足，用常規手段測量無法滿足實驗要求，造成定性的實驗設計和定量的結果分析存在一定的矛盾，以及學生思維斷層和教師陷于困惑。課標提出，在強調定性實驗重要性的同時，也不可忽視定量實驗的價值，引導學生探究量的變化進而理解事物本質。可見，精準測量并減小誤差是該實驗成功的關鍵。筆者考慮運用DISlab重新進行實驗設計，使用DISlab中的生化密封實驗器和壓強傳感器開展實驗，其中壓強傳感器非常靈敏，能檢測和記錄微小的壓強變化。

過氧化氫分解產生氧氣，在密閉的容器中，壓強在各個方向的增量是相同的。師生利用壓強傳感器可以測量容器中氣壓隨時間的增量。依據理想氣體狀態方程=，其中，表示壓強，表示氣體體積，是氣體的物質的量，是摩爾氣體常數，表示溫度。當、、均為定值時，壓強的變化會反映氣體量的變化。此實驗中氣體量的變化主要與過氧化氫分解產生的氧氣量有關。筆者將該實驗方法調整為通過測定壓強的變化量用來計算過氧化氫分解產生氧氣量，并據此推斷出過氧化氫酶的活性。

問題二：實驗過程中，配制不同pH的溶液有一定的困難，并且溶液的pH易受很多因素影響，產生波動，如何避免？

筆者在實驗中加入pH緩沖劑，配制不同pH溶液，同時避免因為加入物料引起pH波動，使實驗結果更具有可信度。pH緩沖劑有三種主要類型：①鄰苯二甲酸氫鉀，pH為4.00（25 ℃）；②混合磷酸鹽，pH為6.86（25 ℃）；③硼砂，pH為9.18（25 ℃）。

緩沖劑中的物質是否會對過氧化氫酶的活性產生顯著影響？查閱資料可知，Hg²⁺、Cu²⁺對過氧化氫酶的催化活性有促進作用，而Fe²⁺、Zn²⁺、Mg²⁺則有抑制作用^[3]，未發現緩沖液中的K⁺、Na⁺會對過氧化氫酶活性產生顯著影響。筆者分析反應體系中pH對于過氧化氫酶反應速率的影響后發現，pH為6.86時反應速率最大，pH為9.18的反應體系次之，pH為4.00的反應體系最末。這一結果與科學事實相符（過氧化氫酶的最適pH約為7.0，pH處于6.0～7.4過氧化氫酶的活性較平穩，低于或高于此范圍過氧化氫酶的活性均有顯著下降）。

實驗步驟：①取出三個“袖珍生化密封實驗器”，對其編號，并各連接一個壓強傳感器，進而與數據采集器、電腦相連；②分別向三個“袖珍生化密封實驗器”中加入5 mL的酸性（pH =4.00）、中性（pH =6.86）和堿性（pH=9.18）緩沖液；③向各實驗器中添加3滴豬肝研磨液，并搖晃均勻；④隨即向各實驗器同時加入3 mL體積分數為3%的過氧化氫（HO）溶液，并快速密封；⑤觀察并記錄計算機上顯示的三組實驗中的壓強變化，收集所得圖像數據并進行分析（如圖1）。

（二）酶與無機催化劑催化效果的比較

與無機催化劑相比，酶催化反應時是否改變生成物的量？筆者利用過氧化氫的分解反應進行觀察和分析，向密閉容器（氣液相密封實驗器）中添加等量的過氧化氫溶液，并分別添加無機催化劑和過氧化氫酶，待完全反應后，使用氧氣傳感器測定容器中的氧氣含量。

實驗步驟：①取兩個“氣液相密封實驗器”，編號之后分別連接一個氧氣傳感器，進而與數據采集器、電腦相連；②在兩個“氣液相密封實驗器”中，分別加入等量的豬肝研磨液和FeCl（作為HO的無機催化劑）；③向這兩個裝置中各加入20 mL體積分數為6%的過氧化氫（HO）溶液，并保持同等強度的震蕩；④觀察并記錄計算機上顯示的兩組實驗中含氧量的變化情況。

（三）溫度對淀粉酶活性的影響

教材之所以建議使用淀粉酶來探究溫度對酶活性的影響，而使用過氧化氫酶來研究pH對酶活性的影響，原因之一在于溫度本身就可以影響過氧化氫的分解速率，還可以改變酶活性來影響過氧化氫的分解速率，違背單一變量原則。筆者另辟蹊徑，先用低溫或高溫預處理酶，再將酶恢復到常溫，即可探究溫度變化對于酶活性的影響，同時避免溫度對過氧化氫分解產生影響。操作這個實驗需要使用袖珍生化密封實驗器和壓強傳感器。

實驗步驟：①預處理酶：將豬肝研磨液置于0 ℃、4 ℃、50 ℃、100 ℃的環境中一段時間；②獲取8個“袖珍生化密封實驗器”，依次分組編號，并向每個裝置中分別加入3 mL體積分數為3%的過氧化氫（HO）溶液；③對于第1組的4個實驗器，分別加入2 mL蒸餾水、2 mL室溫豬肝研磨液、2 mL從0 ℃恢復至室溫的豬肝研磨液、2 mL從4 ℃恢復至室溫的豬肝研磨液；對于第2組的4個實驗器，則分別加入2 mL蒸餾水、2 mL室溫豬肝研磨液、2 mL從50 ℃冷卻至室溫的豬肝研磨液、2 mL從100 ℃冷卻至室溫的豬肝研磨液（如圖2）。④觀察并記錄計算機上顯示的不同實驗組的壓強變化情況，獲取圖像并進行分析^[4]。

四、實驗教學的創新與未來方向

筆者針對高中生物學，提出運用DISlab設計相關實驗的設想（見表1）。實驗內容多集中于高中生物學必修1。

人們對生物學的研究經歷了從現象到本質，從定性到定量的發展過程。DISlab最大優勢在于可以定量分析實驗數據，生成多組實驗結果曲線便于多維對比，實現實驗結果的精準化和可視化，印證相關結論。學生還可以根據實際情況創造性地改進教材實驗，在實驗探究過程中充分發揮主觀能動性。這樣一來，學生的學習過程就不再是簡單記憶，而是通過實驗探究建立相關概念。借助DISlab開展量化和可視化實驗，有利于培養學生的實證精神和數據思維。教師可以借助DISlab進一步優化實驗，重新設計實驗，提高學生的參與度，培養學生的實驗操作技能，甚至嘗試研發DISlab實驗操作智能考評系統^[5]，助力學生提升生物學核心素養。

參考文獻

[1] 朱遠稼.中美物理DIS實驗系統比較研究[D].武漢：華中師范大學，2014.

[2][3]商勇.DIS技術在高中生物學實驗教學中的應用分析[J].中學生物學，2022（9）：56-57.

[4] 田薈琳.豬血中過氧化氫酶的提取純化及性質研究[D].天津：天津商業大學，2007.

[5] 王輝.基于DIS技術的生物學實驗操作智能考評系統的研究[J].生物學通報，2018（6）：39-41.

（作者張瀟系華中師范大學人工智能教育學部在讀博士研究生，河南省教育考試命題與評價中心工作人員；崔鴻系華中師范大學生命科學學院教授，教育部華中師范大學基礎教育課程研究中心副主任，中國教育學會生物學教學專業委員會副理事長，“國培計劃”首批專家庫成員）

責任編輯：祝元志