例谈传感器在中学生物实验教学中的应用

张华民

摘 要：中学生物实验大多是验证性实验和定性实验。实验误差大，精确度低，传感器的使用可以直接获取以往常规实验无法获取的实验信息。新型传感器还具有微型化、数字化、智能化、网络化等特点。传感器有着无可替代的重要作用，尤其是在培养学生的自主探究能力、创新能力上起着决定性作用。

关键词：传感器；实验教学；中学生物

传感器在中学物理教学中的应用处于常态化，但在中学生物教学中的使用较少，以至于我们忽略了它的存在。数字化实验室的建设推动了传感器在实验教学中的使用。近几年，传感器类的试题已经悄悄地出现在试卷上了，这让教师和学生都措手不及。怎样选择和使用好传感器成了当务之急。

一、科学选择传感器

根据传感器的敏感元件的特点可分为三大类：一是物理类：主要基于力、热、光、电、磁和声等物理效应；二是化学类：主要基于化学反应的原理；三是生物类：主要基于酶、抗体、激素和核酸等分子特异性识别功能。中学数字化实验室的标准配置中大多是物理类传感器，它们具有快速、简便、直观、量化、自动化、智能化等优点。

根据中学生物学科的自身特点，合理选择传感器，不仅能直观地显示实验现象，而且能科学定量地显示结果（表格或图像），提高了实验的精确度和可信度，进而体现了它的优势，打破了传统实验教学的局限性。选择时主要依据传感器的量程、分度和适用范围（不同品牌的传感器其量程和分度略有不同）。

例如：在探究神经冲动在神经纤维上的传导的原理时，不能选用电流传感器（量程：-1A～+1A；分度：0.01A），而是要选择微电流传感器（量程：-1μA～+1μA；分度：0.01μA）。这是因为神经纤维上兴奋部位和未兴奋部位之间的局部电流是很微弱的，只有微电流传感器才能测量到。

又如：在光合作用的相关实验中，如果实验对象是陆生植物，变量中的氧气和二氧化碳主要发生在周围的空气中，那就要选择氧气传感器（量程：0～100%，分度1%）或二氧化碳传感器（量程：0～150Kppm，分度1Kppm）。如果实验对象是水生植物，变量中的氧气会溶解在周围的水中，这时就要选择溶解氧传感器（量程：0～20mg/L，分度0.2mg/L）。

二、优化现有实验

1.案例

探究酶的高效性。原实验繁琐，特别是检验这一环节，由于加酶试管的实验反应快，气泡多，而且只能定性检测实验结果，无法定量检测O2。

2.改进

在原有的实验基础上，简化实验。改进引入压力传感器（量程：0kPa～300kPa；分度：0.1kPa；配件：20ml注射器）的使用，可用于直接测量气体的绝对压强。注意装置必须保持密封。试剂的添加也做相应的改变。原来是等量的两组过氧化氢溶液中分别滴加等量的催化剂和肝脏研磨液。现在改为试管中加入等量催化剂，酶和蒸馏水，注射器中是1ml过氧化氢溶液。连接压力传感器、采集器和计算机，打开计算机，进入相应软件系统，系统会自动识别所接入的传感器，并显示压强值窗口。“组合图线”添加不同颜色的“时间—压强”图线。“调零”后开始记录数据。系统就会显示实时的参数变化（形成曲线图）。实验现象直观、精确，有利于调动学生的学习兴趣。

3.延伸

此种方法还可以用来探究酶的专一性：实验装置和方法基本相同，只需试管中改用等量的猪肝匀浆、胃蛋白酶溶液和蒸馏水，系统设置基本相同。还可以探究影响酶活性的条件：温度或酸碱度。配合使用温度传感器和pH传感器，控制自变量温度或酸碱度进行实验。

另外，多种动、植物活组织中含有过氧化氢酶。传统实验无法准确区别不同活组织中的过氧化氢酶的催化效率或过氧化氢酶的含量。传感器的使用使其成为可能：可以比较不同植物、动物活组织中过氧化氢酶分解过氧化氢的情况，如比较猪肝匀浆、胡萝卜、大白菜、苹果、土豆等匀浆中过氧化氢。传感器精细的分度可以感知微小的变化，通过图表的形式能直观反映出不同的活组织中含有过氧化氢酶，并反映出所含的量是有差异的。

传感器的使用可以有效缩短实验时间，科学拓展延伸实验，提高实验教学效率有利于培养学生的主动探索、自主探究的创新能力。

4.解读

改进要点：一是筛选传感器，此实验可以用氧气傳感器（量程：0～100%，分度1%），也可以用（量程：0～20mg/L，分度0.2 mg/L）。根据量程和分度以及对比压力传感器，后者的测量结果误差小，更科学。二是试剂添加方式，原实验试剂过氧化氢量大，催化剂和酶的量虽然少，但是其高效性促使反应剧烈，不适宜改进的实验。改用传感器后，反应无需剧烈，微小的变化也能清晰、直观地显示，所以通过注射器来少量添加过氧化氢溶液。否则由于产生的压强过大而弹出橡皮塞或炸裂试管。三是装置要密封，由于是选用压力传感器，因此密封是关键，否则测量结果不正确，误差大。

5.缺点

随着压力的增大，注射器在实验的过程中可能发生反弹，进而影响实验数据。建议选用注射器的针头越细小越好，或增大注射器活塞的摩擦力和增加一根橡皮筋。

三、拓展研究性学习

作为综合实践活动之一的研究性学习已开展十多年了。在研究性学习中使用传感器，有助于STS教育在中学生物教学中的渗透与融合，有助于培养学生主动获取知识、应用知识、解决问题的能力。

1.研究性学习与生物实验教学无缝对接

例如：在开展“叶色与植物生长的研究”“不同种子储存条件的研究”等研究性学习时，需要测量不同颜色的叶的光合速率和呼吸速率以及不同种子的呼吸速率。传统方法很难开展实验，也没有直观的数据可记录。这使研究性学习的可行性、科学性大打折扣。传感器的使用使其简便易行。便携式光合作用测量系统是一种集成化的传感器，其功能强大，携带方便，涵盖了所有与蒸腾作用、光合作用、呼吸作用相关的变量的测量和计算，其叶室能对光照、温度、含水量、CO2等环境因子进行自动或手动控制。传感器的使用加强了生物学科知识与研究性学习双向渗透。

2.STS教育在生物实验教学中的渗透

STS教育强调把学科教育和社会、科技发展、生产生活等紧密结合。尤其在生物实验教学中，我们不仅应重视学科知识的教育，更应重视生物科学知识在社会生产和生活中的应用。

例如：在血糖调节和模拟尿糖实验时，可以联系生活，介绍生物传感器在医药卫生和生活中的应用。如高精度血糖分析仪，它是采用固定化酶的生物传感分析仪，可以测量新鲜的毛细血管全血或静脉全血的葡萄糖含量。其分析精度很高，速度快，成本低，可以反复使用。

又如：生物芯片在医学领域的应用。生物芯片是生物传感器的阵列和集成化。基因传感器和基因芯片、蛋白质芯片、组织芯片等为分子生物学提供了一种高通量、大样本以及快速的分子水平的分析工具。把生物实验室集成化到芯片上，使分子生物学的分析更加灵敏、准确、快速和简便。

生物技术与传感器技术的融合，提高了学生理解知识、应用知识的能力，认同科学技术发展与社会进步是密不可分的。

四、总结反思

利用传感器进行中学生物实验教学是一个全新的尝试，不仅开拓了现代中学生物实验教学的一个新领域，而且还改变并弥补了传统实验方法、设备的不足，使其更符合中学生的认知规律，把定性实验提升为定量实验。可以进一步定量比较、探究实验，同时，可以通过学生间的互动协作，通过实验图像学会并提高分析数据、处理数据的能力，提高学生对生命科学的求知欲。

数字化实验教学极易走入机械化实验教学的误区：计算机软件自动化显示、计算实验结果，减少学生对实验现象和实验数据分析、计算的时间，但也很容易培养学生的惰性。怎样最优化利用数字、图表等直观的数据反映出定量实验的结果，还是一个课堂实验教学中有待解决的问题。另外，原本实验中的错误操作和错误结果会被新的错误所代替，怎样科学、高效地解决生成的新问题，对教师把握实验教学的能力又提出了新的要求。

参考文献：

[1]宋述燕，陈家凤.《传感器技术及应用》教学方法探讨[J].實验科学与技术，2008，（06）：104-146.

[2]彭承琳.生物医学传感器原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2000.

[3]杨宝清.现代传感器技术基础[M].北京：中国铁道出版社，2001.