數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用范文

本站小編為你精心準(zhǔn)備了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用參考范文，愿這些范文能點(diǎn)燃您思維的火花，激發(fā)您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn)與普通的實(shí)驗(yàn)相比，具有實(shí)驗(yàn)步驟簡單、時間縮短、藥劑較少、結(jié)果直觀、準(zhǔn)確性強(qiáng)和實(shí)驗(yàn)過程可重復(fù)等優(yōu)點(diǎn)。本文以人教版高中生物學(xué)教材中的4個實(shí)驗(yàn)為例，介紹了如何將普通實(shí)驗(yàn)改成數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)探究能力的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：高中生物學(xué)數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

微型實(shí)驗(yàn)是指用盡可能少的試劑來獲取所需信息的實(shí)驗(yàn)方法，其主要特點(diǎn)是“實(shí)驗(yàn)試劑微量化，實(shí)驗(yàn)儀器微小化，明顯縮短實(shí)驗(yàn)時間，減少環(huán)境污染，安全性較高”，比較符合課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施建議中“低成本、低消耗和低(無)污染”的基本要求［1］。基于傳感器技術(shù)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機(jī)中相應(yīng)的配套軟件3部分組成。數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn)教學(xué)就是微型實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的有機(jī)融合，具有實(shí)驗(yàn)步驟簡單、實(shí)驗(yàn)時間縮短、實(shí)驗(yàn)藥劑微量、實(shí)驗(yàn)結(jié)果形象直觀、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性強(qiáng)和實(shí)驗(yàn)過程可重復(fù)等優(yōu)勢。因此，在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，運(yùn)用數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)是提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量的有效途徑。

1適用數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn)的高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)

數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以通過實(shí)驗(yàn)改進(jìn)或多樣化設(shè)計，可將原來時間緊、辨不清、看不見和抓不住的實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)變?yōu)椤皝淼眉啊薄氨娴们濉薄翱吹靡姟焙汀白サ米　钡膶?shí)驗(yàn)。從而能彌補(bǔ)普通實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的不足，有效地提高生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量。在人教版高中生物學(xué)教材中，要求的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容共有26個，筆者通過教學(xué)實(shí)踐和經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，認(rèn)為其中適用數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn)的有6個。

2數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn)教學(xué)的案例

2．1由“時間緊”到“來得及”案例1:探究細(xì)胞大小和物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系

2．1．1原實(shí)驗(yàn)的不足原實(shí)驗(yàn)中存在著“NaOH溶液是強(qiáng)腐蝕性的安全問題”“測量、計算繁瑣，耗時長來不及，誤差大”等不足［2］。

2．1．2可改成數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn)具體如下:實(shí)驗(yàn)原理:使用瓊脂立方塊作為細(xì)胞模型，當(dāng)瓊脂塊放入一定濃度的NaCl溶液中時，離子會向瓊脂塊中擴(kuò)散，離子擴(kuò)散速度與瓊脂塊表面積有很大關(guān)系，溶液的電導(dǎo)率與溶液的離子濃度成正相關(guān)，使用電導(dǎo)率傳感器可測量溶液中離子濃度。溶液中的離子濃度下降，電導(dǎo)率下降，從而得出物質(zhì)運(yùn)輸?shù)男省?shí)驗(yàn)步驟:①連接裝置并打開實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件;②取100mLNaCl溶液加入250mL錐形瓶中，將電導(dǎo)率傳感器的電極浸入溶液中;③用塑料刀將瓊脂塊切成邊長分別為3cm、2cm、1cm的正方體;④將瓊脂塊放入錐形瓶中進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，邊采集數(shù)據(jù)邊用玻璃棒攪拌;⑤取出傳感器電極用蒸餾水沖洗，重復(fù)以上步驟，在相同時間內(nèi)分別測量第2塊、第3塊瓊脂塊的溶液電導(dǎo)率;⑥通過電腦系統(tǒng)在同一坐標(biāo)軸內(nèi)形成電導(dǎo)率曲線，比較不同體積的瓊脂塊放入同體積的NaCl溶液中后電導(dǎo)率變化;⑦分析和結(jié)論，通過曲線圖比較，在相同濃度、相同體積的NaCl溶液中，相同時間內(nèi)瓊脂塊相對表面積越大，擴(kuò)散的離子越多，即物質(zhì)運(yùn)輸?shù)男试酱蟆８倪M(jìn)優(yōu)點(diǎn):通過電導(dǎo)率傳感器，一方面減少了測量、計算步驟，簡化了操作，明顯縮短了時間，可直觀地從電腦曲線圖上分析得到結(jié)論，由原來實(shí)驗(yàn)“時間緊”變?yōu)閷?shí)驗(yàn)“來得及”。同時，用NaCl溶液取代NaOH溶液，排除了強(qiáng)腐蝕性的安全隱患。

2．2變“辨不清”為“辨得清”案例2:探究酵母菌細(xì)胞呼吸的方式

2．2．1原實(shí)驗(yàn)的不足原實(shí)驗(yàn)存在不足之處是:實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生了多少CO2，哪種方式產(chǎn)生的較多都無從得知。此外，培養(yǎng)時間約為8～10h，整個實(shí)驗(yàn)耗時過長;如果時間過短，則CO2產(chǎn)生量較少，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象則不太明顯［2］。

2．2．2可改成數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn)具體如下:實(shí)驗(yàn)原理:酵母菌是利用培養(yǎng)液中的溶解氧進(jìn)行有氧呼吸并產(chǎn)生CO2，當(dāng)培養(yǎng)液中的氧氣耗完后就進(jìn)行無氧呼吸并產(chǎn)生CO2。CO2傳感器可實(shí)時監(jiān)測有氧·23·生物學(xué)教學(xué)2019年(第44卷)第3期呼吸和無氧呼吸所產(chǎn)生的CO2濃度，從而能探究酵母菌細(xì)胞的呼吸方式。實(shí)驗(yàn)步驟:①材料處理和組裝裝置:取2g新鮮食用酵母菌，分成2等份，分別放入100mL錐形瓶A和B中，分別向瓶中注入30mL質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的葡萄糖溶液，組裝好有氧呼吸和無氧呼吸裝置，放置培養(yǎng)3h;②連接裝置:將2個C02傳感器與數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)連接，然后將傳感器的探頭插入錐形瓶塞后分別伸入兩個A、B錐形瓶中;③數(shù)據(jù)采集:打開實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件，設(shè)置數(shù)據(jù)采集時間為1min，選擇相應(yīng)模板和曲線名稱后，點(diǎn)擊“開始實(shí)驗(yàn)”按鈕，開始采集數(shù)據(jù)，界面上就會顯示錐形瓶內(nèi)C02的含量值和變化曲線;④結(jié)果與分析:通過1min內(nèi)C02的含量變化數(shù)值和C02含量隨時間變化的曲線，可得出相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。改進(jìn)優(yōu)點(diǎn):通過C02傳感器，不僅能測定酵母菌細(xì)胞一段時間內(nèi)產(chǎn)生的C02的含量，還能記錄有氧呼吸和無氧呼吸的過程，有利于學(xué)生直觀、快速地了解實(shí)驗(yàn)結(jié)果，定量數(shù)據(jù)和圖像更加精確和客觀，比定性的澄清石灰水變混濁了要更有說服力［3］。使學(xué)生能變“辨不清”為“辨得清”。此外，整個實(shí)驗(yàn)還可適當(dāng)減少材料用量，實(shí)現(xiàn)在課堂教學(xué)的時間內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)。

2．3從“看不見”到“看得見”案例3:探究影響植物光合作用強(qiáng)度的環(huán)境因素

2．3．1原實(shí)驗(yàn)的不足原實(shí)驗(yàn)存在不足之處是:光合作用是高中生物學(xué)的重要內(nèi)容，在學(xué)習(xí)過程中學(xué)生往往較難理解。主要問題是學(xué)生缺乏感性認(rèn)識，對光合作用吸收CO2、放出氧氣的微觀過程無法用肉眼觀察到。同時，該實(shí)驗(yàn)耗時較長;如時間過短則圓形葉片浮起較少，各組實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象則區(qū)別不明顯［2］。

2．3．2可改成數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn)具體如下:實(shí)驗(yàn)原理:通過控制人工光源和實(shí)驗(yàn)裝置的距離，使用CO2和氧氣傳感器實(shí)時監(jiān)測實(shí)驗(yàn)裝置中CO2減少量和氧氣生成量，進(jìn)而通過曲線變化判斷不同光照強(qiáng)度對植物光合作用的影響。實(shí)驗(yàn)步驟:①連接實(shí)驗(yàn)裝置，打開數(shù)據(jù)采集器;②將CO2或氧氣傳感器與數(shù)據(jù)采集器、計算機(jī)連接;③將傳感器的探頭插入實(shí)驗(yàn)裝置中;④打開光源，控制好光照強(qiáng)度，調(diào)節(jié)好熱過濾裝置;⑤開始實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù);⑥改變光照強(qiáng)度，重復(fù)實(shí)驗(yàn)，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。改進(jìn)優(yōu)點(diǎn):通過氧氣或CO2傳感器測量實(shí)驗(yàn)環(huán)境中O2、CO2的曲線變化，學(xué)生能直觀地觀察到有水藻的試管在光照下氧氣逐漸增加、CO2逐漸減少，而對照組沒有變化，從而知道水藻在光照下進(jìn)行光合作用吸收CO2、釋放出氧氣。同時，還能直觀地觀察單位時間光合作用的速率，從“看不見”到“看得見”，讓學(xué)生對光合作用的理解從抽象到形象，更為直觀。

2．4將“抓不住”變“抓得住”案例4:探究生物體維持pH穩(wěn)定的機(jī)制

2．4．1原實(shí)驗(yàn)的不足原實(shí)驗(yàn)存在不足之處是:用pH試紙測定pH變化時，是通過與比色卡上的顏色比對來估計的，誤差較大，測得的pH較不精確。

2．4．2可改成數(shù)字化微型實(shí)驗(yàn)具體如下:實(shí)驗(yàn)原理:運(yùn)用pH傳感器檢測、比較加入酸或堿后的自來水、生物材料和緩沖溶液中的pH的變化，推測生物體內(nèi)的pH是如何維持穩(wěn)定的。實(shí)驗(yàn)步驟:①連接實(shí)驗(yàn)裝置，打開實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件，添加pH—時間曲線;②在500mL燒杯中加入50mL自來水，將pH傳感器電極放入待測溶液中，同時用玻棒按一定方向勻速攪拌;③使用采集功能，向燒杯溶液中滴加1滴濃度為0．1%的鹽酸溶液，采集1個數(shù)據(jù);④重復(fù)以上步驟，分別采集滴加2～20滴時的數(shù)據(jù);⑤用蒸餾水充分沖洗燒杯和pH傳感器電極，在500mL燒杯中加入50mLpH為6．8的緩沖液代替自來水，重復(fù)③和④步驟;⑥用蒸餾水充分沖洗燒杯和pH傳感器電極，分別用牛奶、馬鈴薯勻漿和黃瓜汁代替自來水，重復(fù)③和④步驟;⑦將量濃度為0．1%的鹽酸換成量濃度為0．1%的氫氧化鈉，重復(fù)以上③④⑤⑥步驟;⑧實(shí)驗(yàn)分析得出結(jié)論:自來水不具有維持pH穩(wěn)態(tài)的能力。而牛奶、馬鈴薯、黃瓜與緩沖液溶液功能有些類似，在一定的范圍內(nèi)可以維持pH的穩(wěn)態(tài)。改進(jìn)優(yōu)點(diǎn):測定pH的變化時，pH傳感器能將溶液中微小的pH變化過程有效地記錄下來，由定性研究上升到定量分析，使實(shí)驗(yàn)的結(jié)果更精確、可靠。

參考文獻(xiàn)

［1］中華人民共和國教育部．普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)［M］．北京:人民教育出版社，2018:59．

［2］劉東波，賀秉軍．生物學(xué)傳感器在植物光合作用實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］．內(nèi)蒙古師范大學(xué)學(xué)報(教育科學(xué)版)，2017，30(5):159-161．

［3］張莉．傳感器在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］．生物學(xué)教學(xué)，2009，34(6):47-48．

作者：湯向榮 單位: 江蘇省江陰高級中學(xué)