高中生物实验室及数字化实验装备建设

■刘俊波

高中生物实验室及数字化实验装备建设

■刘俊波

本文总结了高中新课程实验的特点，分析了当前生物实验室的现状和问题，并设计了几种适应新课程需要的实验室建设模式，提出学校应采用多种模式的组合，避免实验室模式单一化，以适应不同实验方式的要求和不同仪器设备的需要。文章着重介绍了生物数字化网络实验室的建设方案，并分析了几种数字化实验装备的教学功能。

新课程；生物数字化；网络实验室

《普通高中生物课程标准（实验）》在实施建议中明确提出“加强实验和其他实践活动的教学”，在其解读本中又指出“实验和其他实践活动是生物学教学的基本形式之一”，实验不再是处于辅助的位置。生物实验是课程内容的重要组成部分，是转变学生学习方式的重要途径，是生物教学的重要手段，是培养学生创新精神和实践能力的基础性环节。实验地位的提高和实验数量的增加对实验室在其数量、功能、布局以及仪器设备等方面提出了更高的要求。同时，现代信息技术的普及和应用、政府对教育投入的增加，为学校实验室建设现代化和标准化创造了机会，因此搞好实验室建设和仪器配备，尤其数字化实验装备对提高实验室的水平和教学效果，支撑新课程实施、发挥效益意义重大。

新课程中实验的特点

实验地位明显提升

首先在理念上，把探究过程当成生物科学的内容之一，“科学包括知识、过程和知识的应用”，学习生物必然学习探究的过程，而探究过程只能通过实践活动，因此实验活动是生物学本身的内容之一。提高实验技能方法作为课程的总目标之一被提出来，课程标准文本中所列举的案例无一不是实验活动，可见新课程所要实现的总目标有很重要的比例寄希望于实验教学的改进。实验的地位明显提升。

实验能力更加明确和拓宽

课标对实验能力作了详细规定：“能够正确使用一般的实验器具，掌握采集和处理实验材料、进行生物学实验的操作、生物绘图等技能。能够利用多种媒体搜集生物学的信息，学会鉴别、选择、运用和分享信息。”并且明确提出了11项科学探究能力，在确定研究问题、定量分析等方面较初中阶段有所提升。离开实验，这些能力的培养就成空谈。

实验数量和类型明显增加

目前现行的大纲共设置实验19个，必修16个、选修3个，而新课程不同版本的实验数量都有明显的增加，见下表。

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实验类型也明显增加，以人教版为例，除了需要学生真正动手的“实验”或“探究”外，教材中还设计了许多的实践活动，如资料分析（如细胞核具有什么功能？酶本质的探索，血浆的化学组成等）、构建细胞模型（如细胞、细胞模、DNA分子等）、技能训练（解释数据、解读图表、识图与作图、类比推理）、思考与讨论、调查、收集资料与分析。可谓方式多种多样。浙科版把所有的学生实践活动统统叫“活动”。可见不动手或动手少的活动也应得到重视。在所有这些活动方式中，有一个共同的内容就是“讨论”，有的还明确需要学生分组与“表达与交流”。这些活动类型的拓展和变化其实反映了新课程对学生探究能力全面的要求。所以我们在考虑新课程需要什么样的仪器的同时还应考虑新课程需要什么样的实验室模式，才能满足其他活动的要求。

实验内容体现现代化

在必修模块中有显示线粒体、DNA、RNA的染色方法，在选修模块中有组织培养、电泳、PCR、柱层析等。

不同模块的实验体现不同的科学方法

高中生物新课程设计思路与以往有着本质的区别。课改之前的高中生物课程，其知识体系是以生物的基本特征为主线来构建的。新课程是模块式的，强调每个模块应当有相对独立的教育价值。《普通高中生物课程标准（实验）》除了对6个模块的知识体系作了规定之外，还对其相应的不同的科学方法进行了阐述，如：“生物1：分子与细胞”强调的科学方法是“观察、实验、比较、分析和综合等”；“生物2：遗传与进化” 强调的科学方法是“假说演绎、建立模型等”；“生物3：稳态与环境”强调的科学方法是“系统分析、建立数学模型等”；“选修1：生物技术实践”强调的科学方法是“重在培养学生实验设计、操作能力、收集证据等科学探究能力”；等等。因此不同模块的实验方式、仪器选用、分组人数等形式就有所不同，相应地，就要求实验室的布局具有一定的灵活性。

高中生物实验室的现状及问题数量

较早的对实验室建设提出要求的国家文件是《中小学校建筑设计规范》（GBJ99-86），文件指出“生物实验室可分显微镜实验室、演示室及生物解剖实验室三种类型”。但其对实验室的数量未做具体规定。由教育部分别于1989年和2002年发布的《农村普通中小学校建设标准（试行）》和《城市普通中小学校校舍扩大建设标准》，提出了实验室的数量要随学校规模增大而增加，规定“农村初中实验室（含物理、化学、生物实验室）：12班、18班、24班应分别设置二间、三间、四间”，“城市普通高级中学实验室（含物理、化学、生物实验室）：18～24班、30～36班应分别设置3～4、5～6间”。根据此规定，20个班规模的学校，即平行班4～6个的学校，应分别建设物理实验室2间、化学和生物各1间。根据我们对某两个省市的摸底调查，目前60%的学校规模超过30个班，而具有2间实验室以上的学校比例仅为49%，51%的学校只有一间实验室。这样的状况，应该说连以上标准还未达到，更何况新课程必修和选修要分别在两个学年进行，这么多的班级同时上课，实验室显然不够用。针对实验室数量不能满足新课程需要的状况，教育部于2006年以标准的形式发布了《中小学理科实验室装备规范》，规范提出“4～8个、8～12个、12～16个平行班的学校其生物实验室数量的基本要求分别是1～2、2～3和4～5间，其规划要求分别是2～3、3～4和4～6间”。根据我们的摸底调查，目前也就达到“基本要求”的低限。

面积

发布于1986年的《中小学校建筑设计规范》提出，“中学实验室面积宜采用人均1.8平方米”，按50人计算为90平方米，《农村普通中小学校建设标准（试行）》和《城市普通中小学校校舍建设标准》对面积的规定口气硬了点：“实验室使用面积均为90 m2/间。”“中小学理科实验室装备规范”规定更加硬性：“实验室/科学探究室（理、化、生）基本要求生均使用面积不小于1.80 m2，规划要求不小于1.92 m2”，按50人计算分别不小于90 m2和96 m2，就是说可以往大了建，表明了一个趋势。目前学生的平均身高和体重比20多年前有所提高，但标准却几乎没变，从90 m2实验室的实际布置上看，两侧及中间通道、前后桌的距离仅仅为最小的安全距离。实际情况往往达不到标准要求，我们调查的结果是70%的实验室面积不足90 m2。换个角度考虑，如果要达到标准要求，只能按人均面积算，适合安排多少学生就安排多少学生，牺牲安全距离以满足人数需要是不可取。那些标准都在国家技术监督局备了案，具有法律地位，如果学校实验室设置存在安全隐患，那么出现事故责任就是学校的，我们要了解并熟悉标准的要求。

布局

高中生物实验室的布局从全国范围上看，出奇的统一，25张实验桌像教室课桌一样面向讲台，每张桌子设两个座位，有人称“教室式”，有人称“排排座”。我们统计这种模式的实验室占85%以上。之所以出现这种情况是跟《中学理科教学仪器配备目录》有关，目录设置了三种教学仪器配备标准，即三类标准8人一组、二类标准4人一组和一类标准2人一组。随着经济持续发展和经费投入增加，各地有能力按照最高的标准建设，尤其是高中学校。学生面向黑板，和教师相仿，突出教师的作用，这是和以往验证性实验和强调操作技能相适应的。但是按照新的理念，其弊病在于无法提供小组合作、共同讨论的环境，无法满足一些现代化仪器设备对空间的要求。目前高中规模都比较大，有些地区也非常重视实验室建设，每个学校设置了多间生物实验室，我看到最多的达到7间，但遗憾的是全部是“排排座”。模式单一，很难应付不同内容、不同实验方式以及使用不同器材的需要。

适应高中新课程的几种实验室模式

生物普通实验室（见图1）

图2

这个模式的实验室是基于96平方米大小设计的，特点是4人双侧，水电到桌，通道宽敞，既能满足4人小组，又能满足2人小组实验，适合的实验内容包括既适应显微观察的实验（电源），又适应酶和组织成分检测的实验（用水方便），适应的科学方法包括观察、实验、小组讨论等。

生物数字化网络实验室（见图2）

该实验室第一个特点也是最大的特点就是岛式设计，每个岛可容纳6个学生，学生围坐在一起，适合小组合作学习，方便讨论和交流。第二个特点是通道也比较宽敞，纵向走道宽1.1米，横向1.3米，教师活动空间扩大，方便巡视指导，而且实验室后部具有足够空间可以设置水槽、边台或陈列柜。第三个特点是方便信息技术设备使用和实验室网络化布置。

这种模式实验桌为6边形，每个学生的桌面为宽度750 mm、深度650 mm的伞形。虽然人均有效操作面积偏小，但是宽度和深度都超过规范的要求，不影响仪器摆放所用的面积和学生操作对宽度的要求。

采用岛式设计的目的是为了减少分组的数量，设9个岛，每个岛6个座位，整个实验室可容纳54个学生。这样，配置9组实验器材即能满足需要，当然有条件的学校可以为每个岛配置两套器材，分组人数可减少到3人。如果不使用以上两套设备，这样的实验室设置是不是浪费了呢？当然不会，前面提到有些实验小组人数就是6人，而且还有很多的讨论、活动等，只要不需要使用水的实验都可以用这个实验室。

生物技术实验室（见图3）

生物技术实验室最大的特点是节省空间，仅由4个岛组成，节省的空间一是增加了桌子的宽度，桌子的规格是长3.6米，宽1.5米，中间设置30毫米宽的试剂架，非常适合选修一上百种试剂的需要。每边座6个学生，每个学生的有效操作面积是600毫米×600毫米，比《规范》规定的面积还大。另一个节省出的空间的用处是设置了长达4米的边台，边台上可以摆放多种的公共仪器设备，如水浴锅、离心机、电泳仪、PCR仪等。4个实验桌周围的走道非常宽，完全符合有关标准的要求，学生进出和教师巡视也很方便。

组织培养室（见图4）

组织培养室共设缓冲区、培养区和接种区，与生物技术实验室配合使用（准备区），形成完整的组织培养4个区域。该室在规范中是规划建议的，所以没有条件的学校可以和生物实验室合建，由此造成实验室容量减少，可由分拨实验来弥补。

生物数字化网络实验室建设

建设生物数字化网络实验室是基于以下几个方面的考虑。

显微数码互动系统的使用

显微镜从被发明的17世纪开始，一直都是生物研究和教学的重要工具。由于显微镜只能供单人观察，于是显微镜图像共享就成了教师的普遍追求。显微数码互动系统把信息技术与传统的实验室课堂教学结合起来，不但实现了图像共享，而且为图像的贮存、再现与远距离传输提供了可能，更可贵的是还可实现师生间的互动，为激发学生的兴趣、提高学生的学习主动性、提高效率都起到明显的促进作用。

图3

图4

目前高中分组多，实验室通道狭窄，教师很难关注到每一组显微实验的的实际情况，因此也就很难进行个别小组的指导。数码显微互动实验系统的引入，有效地解决了这个难题，教师在终端计算机中可以同时看到每组学生的操作情况，并且可以根据每组学生的具体情况，进行指导。学生的操作能力有大小，实验速度参差不齐，这样通过网络，暂时得不到实验结果的学生可以分享到进展快的学生的结果，达到交流的目的和效果。除此之外，教师可以利用配套的操作软件，将事先准备好的显微形态结构、动物行为和生命活动等进行数码摄像，贮存于计算机内，待需要时通过多媒体投影到学生的课堂银幕上或每组学生的计算机终端上，以克服学生因操作水平差异而造成的不良实验效果，让每位学生都能观察到应该观察到的微观形态结构及生命活动情况。其次，该系统为同一实验内容采用不同的实验方法提供了硬件上的支持。采用不同实验方法是探究的基础，是新课程的亮点，不同的实验方法结果可能相同也可能不同，就需要讨论，数码显微互动实验系统为展示实验过程和实验结果提供了方便。因此，概括地说，数码显微互动实验系统有利于教师与学生的交流，有利于学生与学生之间的交流，有利于教师示范与指导，有利于提高全体学生实验的水平。

计算机数据采集处理系统

最早的计算机数据采集处理系统是应用于物理学的，因为物理实验能够充分地运用该系统强大的数据测量与记录、图形呈现与分析的功能。这几年在生物学科也得到了比较普遍的应用，根据我们的研究，该系统在生物学科的运用有如下的优点。

①在有数据测量与记录的实验中表现出相当的优势，尤其是那些需要连续记录的实验，如一些生理过程，既可测量反应物浓度的变化，也可测量产物浓度的变化来推断反应的情况。

②大大提高实验效率，如光合作用的实验。

基于计算机数据采集处理系统在生物实验中的意义，国际及国内都表现出逐渐扩大使用的趋势。该系统和显微数码互动系统共同使用一套计算机网络，大大节约成本。

要加速该系统在生物学科中的应用，应在课程实验设计上、该系统使用的方便性上以及常规方法难以达到的不可替代性实验开发上下工夫。

数字切片

采用数字切片扫描系统，对优质的切片进行扫描，通过计算机自动对各部分的扫描图进行拼接，形成该张切片的全景图像，这就是数字切片。通过特定的观察软件，在计算机上可以模拟真实显微镜观察来观察和学习这张切片。它有几方面的特点。

①改变了传统的切片的呈现方式，突破了时间、空间和观察工具的限制，学生可随时观察使用。

②由于图像来源于优质切片，所以图像质量具有典型性，有利于教学质量的提高；

③能提供更加丰富的资料，如切片背景、图像标注等，方便学生的自主学习。

④学生在学习过程中，还可利用计算机的优势获得更加丰富的手段，如两张数字切片的比较、细胞大小测量等。

以上就是建设生物数字化网络实验室的内容，将来利用该实验室进行实验教学的内容还有虚拟实验、网络教学等。该实验室无疑将促进“实现教学内容的呈现方式、学生的学习方式、教师的教学方式和师生互动方式的变革，充分发挥信息技术的优势，为学生的学习和发展提供丰富多彩的教育环境和有力的学习工具”的落实。■

（作者单位：教育部教学仪器研究所）