生物数字化实验于教学中的运用

贡青

在03版的高中生物新课程标准中，提倡探究性学习，在促进学习方式的变革中，培养学生的实践能力和创新精神.生物学是一门实验学科，实验、探究是核心内容，学生进行实验探究性学习的方式方法有很多.随着时代的发展，科技的进步，数字化实验越来越受到高中生物教师的重视，数字化实验是进行探究性教学非常好的一种素材.

一、数字化实验系统的构成

数字化实验系统由传感器、数据采集器、数据分析软件、辅材四部分组成.

传感器是一种将被测量的信息按一定规律变换成为其他所需形式信息输出的检测装置，能将信息传输、处理、存储、显示、记录和控制等.传感器根据敏感元件可以分为：物理类，如压强传感器；化学类，如氧气传感器；生物类，如心跳率传感器.有些传感器需要与无线显示模块结合使用.根据实验具体要求，正确选择传感器，可以数据化地显示结果，提高实验准确性和可信性.

数据采集器是数字化实验中的“ 神经中枢” ， 能够把传感器传输来的数据显示出来.常见的数据采集器有五种：Easy（连接电脑与传感器使用）；Smart（仅连接传感器独立使用或连接电脑与采集器使用）；EasyPro（连接电脑与采集器使用，最多可连接8个传感器）；Pad数据采集器（安装有android操作系统，自带采集器及软件）；背夹式平板（安装有wein7操作系统，自带采集器及软件）

随着技术的发展，目前已经有不少的数据采集器自带相应的数据分析软件，实现了一体化.若没有，实验室还需要准备一台Windows操作系统的电脑，装上数据分析分析软件.数据分析软件有很多种，笔者所用的软件是SWR iLab v8.0.

数字化实验是基于传统实验之上的，仍然需要一些传统的实验辅材，如试管、试管塞、铁架台等.

二、数字化实验的优点

1.准确性

传感器的探头非常的灵敏，在对照实验实验中，能够将人类用肉眼难以区别的实验现象加以区分，并能够以数据的形式展示出来，提高实验的准确性.在模拟人体血液缓冲体系的实验中，传统法是将pH试纸的变色和指示剂的颜色变化对比比色卡来观察酸碱度，如此会存在较大的误差，且学生无法说出pH的准确值.采用数字化实验设备，用pH传感器可以实时得到准确的pH.

2.直观性

数字化实验可以将课堂教学中一些描述不清的现象转化为学生看到的实际数据，从而可以化抽象为形象、化概括为具体，如将实验数据转化成图表、曲线等，化复杂为简单，增强了教学感染力.并且实验者可查看任一时刻、任一时段或整个过程的实验数据.

3.简便性

学生利用数字化实验设备进行实验，操作过程简便，计算机处理数据，大大缩短了实验的时间.如实验生物体维持pH稳定的机制，传统法要做56组pH试纸对照实验，不断重复简单的实验步骤并记录表格，使学生容易产生烦厌之情.而数字化实验中的pH传感器帮助我们解决了这一问题，利用传感器采集pH值速度快且精确，获取的数字直接记录于电脑，便于转化为表格，大大缩短了时间，减少了人力.

4.探究性

教科书中的实验多是一些定性实验，许多不能量化的实验都淡化了，只是给出一个结论.有了数字化实验设备后，这些量化实验变得具有可操作性，能够允许学生在实验中尝试改变各种实验条件， 进行实验，比较得到的不同实验结果.由此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，培养学生的实验探究兴趣，提高学生的动手能力，从而激发他们对生物学的喜爱和科学探究的精神.

三、数字化实验在生物教学中的应用

随着技术的进步，传感器种类的增加，目前数字化实验技术可以完成初高中30多个生物实验.相信未来会有更加多的生物实验能够进行数字化实验.

现展示一运用数字化实验系统操作的常规实验.（笔者的实验室用的是苏威尔公司SWR iLab v8.0 数字化实验软件）

实验目的 探究酶浓度对反应速度的影响.

实验原理 土豆块中含有的过氧化氢酶能催化过氧化氢分解.在过氧化氢浓度足够大时，一定时间内，氧气产生的量与加入土豆块的体积成正比.密闭容器中可以采集压强变化的数据加以验证.

实验器材与材料 计算机，数据采集器，数据线，压强传感器，铁架台，长尾夹，多向转接头，锥形瓶，带孔橡胶塞；1 cm3马铃薯块20块、3%双氧水200 mL.

实验装置图 见图1.

实验步骤

（1）如图1所示搭建实验装置，将压强传感器与采集器相连，采集器与电脑相连，在试管中加入40 mL的3%双氧水；

（2）打开实验系统软件Dis，选择教材通用软件，点击新建实验进入实验平台，建立“温度-时间”的坐标关系，设置采集时间和采集间隔，如：5 min、100 ms；

（3）向试管中加入1块马铃薯，塞上沾水的活塞，密封体系，点击开始进行数据采集，观察压强传感器采集到的数据变化；

（4）采集完成时，终止实验或等待采集时间结束自动停止；在曲线操作下拉菜单中选择重叠显示；

（5）分别使用4块、8块马铃薯，重新开始实验；

（6）实验结束后，整理实验器材.

实验结果 见图2.

随着加入土豆块的增多，密闭容器中压强曲线的斜率增大，说明在一定条件下，双氧水的分解速度随着酶浓度的增大而增大.

此实验在教材上是没有的，但结论需要学生记得.若只有一个结论，学生不易理解，所以最好能让学生进行实验，加深理解.若是用传统的方法进行此实验操作，虽然最终也能观察到实验现象，但很难进行量化处理，学生在操作过程中数单位时间内气泡的生成率有误差，且气泡的大小也难以去衡量.利用了压强传感器进行此实验，再用数据采集器采集数据，我们可以利用电脑将所收集到的数据绘制成图，在一张图表上呈现出来，非常直观.另外，用传统方法进行此实验完整的探究过程至少需要20分钟，而利用数字化实验设备，在学生熟悉设备的使用的方法后，5分钟可完成操作和分析，使实验教学的课堂效率得以提高.

在新课改中，利用新兴技术来帮助教师的教和学生的学，是时代的趋势，也是新课改的精神.在大数据时代，生物教师要学会能将实验、文本数字化并作为教学的切入点，对传统生物教学模式进行革新，让教师的教与学生的学得以全方位进行展示，这样不仅可以提高教育教学的效率，而且能增强对学生科学素养的塑造.