引入数字化实验系统提高中学生物教学效果

黄燕芬 任翠娟 王平瑞 聂冬梅

【摘要】本文主要从数字化实验系统的特点、对中学生物教学的优化作用及应用于中学生物教学的几点感受三个方面，论述了数字化实验系统在引入过程中对中学生物教学理念、过程、方式、效果等的影响，为构建高效中学生物教学环境提供一定参考。

【关键词】数字化实验系统 中学生物教学 优化

【基金项目】贵州省教育厅重点课改项目：高师理科专业教学论课程引入数字化实验教学体系的建立和内容研究；教育部项目：生物资源科学专业综合改革试点（2012287）；贵州省学位办项目：贵州省重点支持学科建设（2011231）。

【中图分类号】G633.91 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2013）06-0178-02

数字化实验系统（（Digital Information System，以下简称DIS）是一种新型实验系统，主要由传感器、数据采集器、计算机及实验软件包（专用软件、通用软件）等构成。近年来，随着教学中信息技术应用量的增加，不少学校斥资引入DIS。DIS的使用拓宽了师生视野，激发了学生自主学习的积极性，提高了教学效率，实现了信息技术与中学生物教学的整合。谨以此文浅谈对DIS 与中学生物教学关系的一些认识，为构建信息化中学生物教学环境提供一定参考。

1.DIS的特点

l.1 实现实验过程“可视化”，增强实验效果

实验过程可视化包括实验过程空间和时间的可视化。这是学生认识生物现象、建立生物概念的基础，是掌握生物规律，学会处理生物问题的关键所在。生物实验中，空间上细微结构的观察一般可借助显微镜完成。而时间上过程难以捕捉记录，是生物实验的一个难点。例如“光合作用现象”过程研究，气体变化情况受环境因素的影响（尤其是南方一些地区）较大，获得明显实验结果耗费实验时间较长，教学效果差。很多学校一般采用多媒体软件进行模拟演示或教师事先收集好气体，学生完成最后验证气体这一步。以此方式完成实验，学生没有参与和体验实验的整个过程，更谈不上科学探究。而引入DIS，通过传感器实时采集数据，短时间内可获得大量数据，由此实现了数据记录的自动性和时间连续性。清晰地显示出光合作用过程中气体随时间变化的图像，使光合作用过程变得“可视”，且能定量表达实验结果，便于总结光合作用现象的特点和条件，符合归纳法教学的要求，可解决这一类似的问题。

1.2 数据采集处理“智能化”，使学生获得更多探究时间

DIS数据采集器高频率的采集功能可以自动把整个实验过程中相关量的变化完整的记录、存储下来，由计算机通过“待测变量一时间”图象直接把测量数据的变化过程显示出来，直观地看出各变量之间的关系，并由计算机软件对数据进行简单统计、处理和分析，避免学生手工作图不准确造成实验误差而花时间查找和摆脱繁琐的计算过程，节省时间用于学习实验过程中的设计、观察、思考、分析等。例如“探究食物能量”实验，采用DIS，学生花费较短时间可完成花生所含能量的测定实验操作，计算机直接给出花生燃烧的“温度-时间”工作图和实验数据的计算结果，实验很快结束。在教师的引导下学生将多出的时间、心力用于实验设计，把实验内容拓展为富含糖、脂肪、蛋白质三种类型食物所含能量的探究，充分验证和修改假设，分析比较结果，有利于更好地理解概念，掌握规律，同时可以提高学生进行实验探究的兴趣。

2.DIS对中学生物教学的优化作用

2.1提高教学效率解决教学难题

DIS发挥了传感器和计算机的优势，能采集到多种完整、动态的信息，并且能对实验数据作出多维的、综合性的分析和处理。使教师和学生可集中精力设计实验方案、归纳总结、交流信息，从中发现规律，极大的提高了教学效率。例如“蒸腾作用”的教学，在教师的指导下学生小组计算机联机，分别引入温度、光照度、湿度等传感器，计算机将湿度随温度或光照度的变化显现为图像和数据，学生直观地看到不同环境因素对蒸腾强度的影响，帮助学生认识蒸腾作用的本质。在此过程中学生由被动听讲变成主动参与，通过积极对话交流加深了对蒸腾作用的理解，解决了传统实验仪器不能直观反映出更本质现象的弊端，便于学生仔细观察，加深理解，大大提高课堂教学的效果，轻松地解决教学中的难题。

2.2 易于培养学生的动手能力和探究精神

DIS是一个开放式的易操作实验平台，与传统的实验仪器结合，提供了一种能够快速、准确地完成教师和学生自行设计的实验，以及传统仪器做不成或做不好的实验的环境[1]。将传统生物教学中很多不能量化，甚至是不能做的实验变得具有可操作性，允许在实验中尝试改变各种实验条件，比较得到的不同实验结果，为学生创造一个科学探究和自主学习的便利环境，让学生能更直观地认识和验证生物规律，由此培养学生的实验探究兴趣，提高学生的动手能力，从而激发他们对学科的喜爱及培养观察和实验能力以及实事求是勇于科学探究的精神。

2.3 创造促进学生转变学习方式的条件

信息化的实验手段可以增强学生自主探究，运用所学知识解释生物现象的能力。DIS种类丰富的传感器和强大的数据处理能力以及开放的实验平台，正好能满足学生的多种实践体验需求，激发学生探究的欲望。有助于培养学生通过亲自动手实践发现问题寻找规律，把所学知识应用于生物实验解决问题的能力。将DIS和多媒体网络教室结合起来，为开放互动性的课堂教学创造条件，增强团队合作精神，促使学生以独立自主与合作交流相结合的学习方式代替从前单一的个体学习方式。

2.4 创建信息化实验环境提高学生实验素质

实验素质指学生在实验过程中的科学精神、情感态度和实验技能，包括怀疑、求真、分析、总结、创新等基本要素以及认真、勤奋、谦虚、合作等情感因素和熟练完成实验观察、测量、验证、探究等基础能力，是科学素质的重要组成部分。DIS系统的应用，极大地优化了传统实验手段和方法，建立了“信息化实验环境”，符合现代教育大环境要求。学生在数字化实验室充分体验“快乐的科学”，有助于学生实验素质的发展。而实验素质的培养会促进思维能力和创新发现能力的培养，为学生将来从事科学研究、良好适应工作环境创造条件。

3.DIS应用于中学生物教学的几点感受

3.1数字化实验必须与传统实验有机结合

中学生物传统实验有许多基本上是属于“定性”实验，只能通过最终实验现象来说明问题。实验过程中，生物本身受到环境的影响较大，一个实验内容往往涉及多个方面的相关因素，加上实验内容本身设计单一，实验结果的可控性与化学、物理等学科相比较差。此外采集数据需要多次操作才能得到多组数据，课堂时间仅能完成实验数据的记录。但是传统实验是培养学生基本实验能力和实验素养的载体，实验过程要求学生操作熟练、手眼协调、观察快速、选择准确。培养学生的操作能力，提高学生观察的敏锐程度，有助于培养学生实事求是的科学态度及思考、质疑、坚韧和创新的精神，是不能忽略的教学环节[2]。

DIS是以计算机为核心搭载各种传感器构成的一个实验平台，利用传感器测量收集数据，计算机处理数据显示结果，并且数据的量大、客观真实，学生有选择性的菜单式的操作就可以得到理想的拟合效果，实验过程大大缩短，可以在课堂上完成完整的实验过程。学生还可灵活设置实验条件，拓宽实验内容，克服传统实验内容的单一性，直接同时获得多种数据和实验结果进行分析比较，这是传统实验所无法达到的，在探究方面表现出很强的优势。由此可想，传统实验与DIS有机结合，发挥二者的优势，必将大大提高实验效率效果。例如，“动物与植物的相互依赖”教学过程中，采用传统实验需要测定不同条件下的CO2或O2的含量变化，体现动植物的相互依赖关系。工作量大，耗时长，数据繁多，误差大，往往不能取得较好的实验结果。若与DIS结合，配以CO2和O2传感器，CO2和O2含量在不同条件下短时间内的动态变化情况均能以图像和数据结果形式表现出来，学生在有限的课堂时间内完成了实验，并通过图像或数据变化，清晰深刻地认识理解动植物的生存是相互依赖的这一生命本质现象。在此，传统实验发挥了基础教育的作用，DIS提升了实验的准确、高效性，二者结合的优势凸显出来，使其成为达到更好教学效果的首选。

3.2 DIS是优化实验的一条重要途径

创造性地进行实验改进是新课程教学中的一项经常性工作。DIS以全新的数字技术为核心手段，对实验的各个环节、层面进行优化，是一种高科技、高起点的改进[3]。DIS的数据处理软件配合不同的传感器，可实现不同的测量功能，完成一些传统实验手段不太好做的实验。例如，配合压强传感器，能完成像“植物细胞的吸水和失水”、“渗透现象”等实验；配合温度传感器，则能完成与温度变化有关的一系列实验的探究过程；配合多个传感器还能同时完成一个实验中的多个变量的测定。此外，DIS所特有的优势及其衍生的良好教学效果，如快速、准确采集实验数据和强大的数据处理能力使之成为实验改进的多种途径中较为行之有效的一条。充分利用这一重要途径推行传统实验的改进，可为学生提供更加宽泛的实验领域，培养学生的探究创新能力和综合信息处理能力。

3.3 充分发挥传感器在探究性实验中的作用

在生物教学中，通常通过实验再现科学发现的过程，让学生体验到“猜想—验证—归纳”的科学探究过程，初步掌握科学探究的方法。传感器作为其中重要的辅助手段，大大提高了探究过程的实效[4]。应用传感器可对传统实验进行“再挖掘”，开发其潜在的教育和教学功能。例如，关于“细胞大小与物质运输的关系”，学生是没有多少感性认识的。通过创设模拟的实验情景，教师及时引导学生掌握科学的生物研究方法，利用电导率传感器主动进行探究，可使学生在研究和归纳的过程中感性地理解生物的变化及其规律，从而理解书本理论知识，同时培养学生敢于质疑，富于创新的精神。充分利用传感器还可结合教材，把一些教学中发现的学生不易理解的理论知识创设出一些新的实验项目。以学生自身为主体，从发现者和探索者的角度出发，从实验数据中，独立地得到客观世界的规律，在探究性实验过程中，教师虽然不是主体，但是必须及时加以指导，引导学生掌握科学的研究方法，学会在研究和归纳的过程中感性地理解生物变化及其规律[5]。

总之，将DIS引进中学生物教学，推动了中学生物“实验教学法”、“研究性学习”和“发现法”等教学理念的研究，丰富和发展了教育理论，并且将可能是现代学校生物教学水准的重要标志。生物学教师善于充分发挥DIS的教育功能，引导学生应用其进行生产或科学实验研究，获得相应能力，是生物科学素养的重要内容。

参考文献：

[1]王斌.中学生物实验室数字化建设刍议[J].教学仪器与实验，2010，26（7）：12-13

[2]余学妹.高中物理DIS实验和传统实验整合初探[J].物理教学探讨，2011，（9）：34-35

[3]白振宇. 传统物理实数字化改进例解与启示[J].中小学信息技术教育，2007，（5）：36-37

[4]禚彦. D I S实验在高中物理教学中的应用[J].中国教育技术装备，2011，（1）：197-198

[5]顾连忠.数字化实验的内涵及误区解读[J].唐山师范学院学报，2010，32（2）：70-72

作者简介：

黄燕芬（1967-），女，贵州贵阳人，副教授。主要研究方向：植物生物学教学与科研。