利用DIS系统探究环境因素对光合作用强度的影响

余秀

摘   要：数字化实验室（简称DIS）是利用计算机数据处理软件和传感器结合的一种实时数据采集、建模和图像分析的技术。利用DIS呈现实验结果，不仅可以使实验定量分析更准确，而且也可以提升探究活动的层次，实现实验过程可视化、实验设计重点化、数据采集和分析智能化、教学过程现代化。

关键词：数字化实验室;实验探究;生物教学

1  现状分析

探究性实验教学的重要性不言而喻，对高中生物实验进行比较发现，在人教版高中生物必修中编选的探究实验共15个，而在大多数学校实际教学中能按要求开出的不到30%。从探究性实验教学组织方法来看，主要是按教材给出的探究实验的一般流程进行，有的教师会利用“引导-探究”即从教学设计的视角组织教学。很少教师能对实验的材料、用具、方法、过程等进行创新与改造。学生在实验过程中相关能力得不到发展，如提出问题的能力，作出假设的能力，设计实验的能力等等[ 1 ]。显然，大多数实验数据采集和分析耗时、繁琐且误差较大，工作量较大与紧张的课时之间存在的矛盾以及实验资源配置缺乏等，都是探究实验无法开出或开足的限制因素。

笔者利用现代信息技术手段——数字化实验室，以“探究环境因素对光合作用强度的影响”为例，探索解决探究实验开设限制的新方法。

DIS是利用传感器结合计算机相应软件，实现数据实时采集和实时分析的技术。“探究环境因素对光合作用强度的影响”是人教版高中生物必修一第五章第四节能量之源——光与光合作用中的探究实验。旨在让学生通过设计实验来探究环境因素对光合作用强度的影响，为农业生产提高农作物产量提供依据，并为后续“光合作用原理的应用”的学习奠定基础。该部分在考纲中为Ⅱ类要求，通常为综合考查。参考案例“探究光照强弱对光合作用强度的影响”，以菠菜叶为实验材料，简单易取又经济，利用台灯作为光源节能安全，但使用相对笼统的 “强、中、弱”来描述光照强度，定量分析显得较为简单，而且通过台灯和叶片间距离改变来实现光照强度的差异，产生的温度变化引起的影响却没有考虑[  2  ]。如果引导学生利用DIS呈现实验结果，不仅可以使实验定量分析更准确，而且也可以提升探究活动的层次，培养学生探究能力。

2  基于“DIS”的教学流程

学生已经学习了光合作用的探究历程，了解光合作用的过程，知道外界诸多因素将影响光合作用强度，但这些都是感性认识，光合作用强度变化是一个微观变化过程，通过设计该实验可以帮助学生更好理解其本质[ 3 ]。高中生已经具备初步探究能力，学习的自觉性和主动性较高，实践能力和表达交流能力较强，所以教师在课堂只要引导学生从光照强度、CO2浓度、光质等角度自主选择研究课题“探究某种因素对光合作用强度的影响”，以学习小组为单位自行设计相关实验方案，从自变量设定，因变量的检测，无关变量的平衡等方面分析实验方案的可行性。实验前准备好需要使用的传感器，使用USB线将传感器与电脑相连，打开传感器侧面开关;点击启动通用软件，确保传感器与软件连接成功。按照实验设计将植物和传感器置于实验器中，可使用实验模板进行实验或者根据所需自行设定相应参数，如设置采集数据点的频率、实验采集时间、实时实验数据显示框、实时实验曲线显示框等。设置完成点击“开始”，开始数据采集，软件界面即会显示实时数据和实时曲线，待数据稳定后保存。

3  评价

根據DIS采集的数据和分析，学生便可以直观地得出实验结论，利用DIS使得信息技术与传统实验课程整合，使得抽象的环境因素对光合作用的影响以实时数据和实时曲线的形式呈现，变得“可视化”。利用该系统，学生可以直观地看出环境因素对光合作用的影响，使学生摆脱了手工作图的繁琐和作图不准确而造成的实验错误，从而将更多的时间、精力用于实验设计、探究、分析、验证和修改，提高学生探究的兴趣同时将实验设计成为学生的思考中重心的目的。通过对系统参数高采样率的设置，把整个实验过程完整记录下来，而且数据采集器能同时接入多只传感器，同步采集，实验过程与数据变化过程同步化，实现数据实时采集、处理、定量显示。

学生通过调查，设计探究某种因素对光合作用的影响实验，从而提高科学探究的能力;通过实验，学生学会从物质与能量视角，探索光合作用与呼吸作用，阐明细胞生命活动过程中贯穿着物质与能量的变化从而形成生命观念;同时学生能够基于实验数据，探讨、阐释环境因素对光合作用强度的影响的规律，从而发展科学思维;最后，分析引起光合作用强度变化的关键因素，有助于指导生产实践，从而培养学生社会责任。需要注意的是数字实验对教师和学生在现代教学设备的应用以及完整的信息处理能力等方面要求较高。

生物学是一门实验科学，学生实验是生物教学的常态。在开展学生实验活动中不仅要关注学生的兴趣，更重要的是让学生借助现代化的技术手段，通过实验，像科学家一样去主动求知、自主探索，形成批判性和创造性思维[ 4  ] 。

参考文献：

[1]王飞.高中生物探究性实验教学的现状与反思[J].天津师范大学学报，2019（2）.

[2]韩晓. 高中生物实验的改进和拓展[J].中学生物教学，2015（3）.

[3]张云，林颖韬.高中生物实验技术与教学[M].厦门：厦门大学出版社，2015.

[4]李惠新.对基于实验探究的生物课堂教学的几点反思[J].教学月刊，2014（11）.