数字化微型实验在高中生物学实验教学中的应用

汤向荣

(江苏省江阴高级中学 江阴 214443)

微型实验是指用尽可能少的试剂来获取所需信息的实验方法，其主要特点是“实验试剂微量化，实验仪器微小化，明显缩短实验时间，减少环境污染，安全性较高”，比较符合课程标准实施建议中“低成本、低消耗和低(无)污染”的基本要求[1]。基于传感器技术的数字化实验系统是由传感器、数据采集器和计算机中相应的配套软件3部分组成。数字化微型实验教学就是微型实验与数字化实验的有机融合，具有实验步骤简单、实验时间缩短、实验药剂微量、实验结果形象直观、实验准确性强和实验过程可重复等优势。因此，在高中生物学实验教学中，运用数字化微型实验进行教学是提高实验教学质量的有效途径。

1 适用数字化微型实验的高中生物学实验

数字化微型实验教学可以通过实验改进或多样化设计，可将原来时间紧、辨不清、看不见和抓不住的实验，转变为“来得及”“辨得清”“看得见”和“抓得住”的实验。从而能弥补普通实验教学中存在的不足，有效地提高生物学实验的质量。在人教版高中生物学教材中，要求的实验内容共有26个，笔者通过教学实践和经验总结，认为其中适用数字化微型实验的有6个(表1)。

表1 人教版高中生物学教材中适用数字化的微型实验

2 数字化微型实验教学的案例

2.1 由“时间紧”到“来得及” 案例1： 探究细胞大小和物质运输的关系

2.1.1 原实验的不足 原实验中存在着“NaOH溶液是强腐蚀性的安全问题”“测量、计算繁琐，耗时长来不及，误差大”等不足[2]。

2.1.2 可改成数字化微型实验 具体如下：

实验原理： 使用琼脂立方块作为细胞模型，当琼脂块放入一定浓度的NaCl溶液中时，离子会向琼脂块中扩散，离子扩散速度与琼脂块表面积有很大关系，溶液的电导率与溶液的离子浓度成正相关，使用电导率传感器可测量溶液中离子浓度。溶液中的离子浓度下降，电导率下降，从而得出物质运输的效率。

实验步骤： ①连接装置并打开实验系统软件；②取100 mL NaCl溶液加入250 mL锥形瓶中，将电导率传感器的电极浸入溶液中；③用塑料刀将琼脂块切成边长分别为3 cm、 2 cm、 1 cm的正方体；④将琼脂块放入锥形瓶中进行数据采集，边采集数据边用玻璃棒搅拌；⑤取出传感器电极用蒸馏水冲洗，重复以上步骤，在相同时间内分别测量第2块、第3块琼脂块的溶液电导率；⑥通过电脑系统在同一坐标轴内形成电导率曲线，比较不同体积的琼脂块放入同体积的NaCl溶液中后电导率变化；⑦分析和结论，通过曲线图比较，在相同浓度、相同体积的NaCl溶液中，相同时间内琼脂块相对表面积越大，扩散的离子越多，即物质运输的效率越大。

改进优点： 通过电导率传感器，一方面减少了测量、计算步骤，简化了操作，明显缩短了时间，可直观地从电脑曲线图上分析得到结论，由原来实验“时间紧”变为实验“来得及”。同时，用NaCl溶液取代NaOH溶液，排除了强腐蚀性的安全隐患。

2.2 变“辨不清”为“辨得清” 案例2： 探究酵母菌细胞呼吸的方式

2.2.1 原实验的不足 原实验存在不足之处是： 实验中产生了多少CO2，哪种方式产生的较多都无从得知。此外，培养时间约为8～10 h，整个实验耗时过长；如果时间过短，则CO2产生量较少，实验现象则不太明显[2]。

2.2.2 可改成数字化微型实验 具体如下：

实验原理： 酵母菌是利用培养液中的溶解氧进行有氧呼吸并产生CO2，当培养液中的氧气耗完后就进行无氧呼吸并产生CO2。CO2传感器可实时监测有氧呼吸和无氧呼吸所产生的CO2浓度，从而能探究酵母菌细胞的呼吸方式。

实验步骤： ①材料处理和组装装置： 取2 g新鲜食用酵母菌，分成2等份，分别放入100 mL锥形瓶A和B中，分别向瓶中注入30 mL质量分数为5%的葡萄糖溶液，组装好有氧呼吸和无氧呼吸装置，放置培养3 h；②连接装置： 将2个C02传感器与数据采集器、计算机连接，然后将传感器的探头插入锥形瓶塞后分别伸入两个A、 B锥形瓶中；③数据采集： 打开实验系统软件，设置数据采集时间为1 min，选择相应模板和曲线名称后，点击“开始实验”按钮，开始采集数据，界面上就会显示锥形瓶内C02的含量值和变化曲线；④结果与分析： 通过1 min内C02的含量变化数值和C02含量随时间变化的曲线，可得出相应的实验结论。

改进优点： 通过C02传感器，不仅能测定酵母菌细胞一段时间内产生的C02的含量，还能记录有氧呼吸和无氧呼吸的过程，有利于学生直观、快速地了解实验结果，定量数据和图像更加精确和客观，比定性的澄清石灰水变混浊了要更有说服力[3]。使学生能变“辨不清”为“辨得清”。此外，整个实验还可适当减少材料用量，实现在课堂教学的时间内完成实验。

2.3 从“看不见”到“看得见” 案例3： 探究影响植物光合作用强度的环境因素

2.3.1 原实验的不足 原实验存在不足之处是： 光合作用是高中生物学的重要内容，在学习过程中学生往往较难理解。主要问题是学生缺乏感性认识，对光合作用吸收CO2、放出氧气的微观过程无法用肉眼观察到。同时，该实验耗时较长；如时间过短则圆形叶片浮起较少，各组实验现象则区别不明显[2]。

2.3.2 可改成数字化微型实验 具体如下：

实验原理： 通过控制人工光源和实验装置的距离，使用CO2和氧气传感器实时监测实验装置中CO2减少量和氧气生成量，进而通过曲线变化判断不同光照强度对植物光合作用的影响。

实验步骤： ①连接实验装置，打开数据采集器；②将CO2或氧气传感器与数据采集器、计算机连接；③将传感器的探头插入实验装置中；④打开光源，控制好光照强度，调节好热过滤装置；⑤开始实验，记录实验数据；⑥改变光照强度，重复实验，记录实验数据。

改进优点： 通过氧气或CO2传感器测量实验环境中O2、 CO2的曲线变化，学生能直观地观察到有水藻的试管在光照下氧气逐渐增加、CO2逐渐减少，而对照组没有变化，从而知道水藻在光照下进行光合作用吸收CO2、释放出氧气。同时，还能直观地观察单位时间光合作用的速率，从“看不见”到“看得见”，让学生对光合作用的理解从抽象到形象，更为直观。

2.4 将“抓不住”变“抓得住” 案例4： 探究生物体维持pH稳定的机制

2.4.1 原实验的不足 原实验存在不足之处是： 用pH试纸测定pH变化时，是通过与比色卡上的颜色比对来估计的，误差较大，测得的pH较不精确。

2.4.2 可改成数字化微型实验 具体如下：

实验原理： 运用pH传感器检测、比较加入酸或碱后的自来水、生物材料和缓冲溶液中的pH的变化，推测生物体内的pH是如何维持稳定的。

实验步骤： ①连接实验装置，打开实验系统软件，添加pH—时间曲线；②在500 mL烧杯中加入50 mL自来水，将pH传感器电极放入待测溶液中，同时用玻棒按一定方向匀速搅拌；③使用采集功能，向烧杯溶液中滴加1滴浓度为0.1%的盐酸溶液，采集1个数据；④重复以上步骤，分别采集滴加2～20滴时的数据；⑤用蒸馏水充分冲洗烧杯和pH传感器电极，在500 mL烧杯中加入50 mL pH为6.8的缓冲液代替自来水，重复③和④步骤；⑥用蒸馏水充分冲洗烧杯和pH传感器电极，分别用牛奶、马铃薯匀浆和黄瓜汁代替自来水，重复③和④步骤；⑦将量浓度为0.1%的盐酸换成量浓度为0.1%的氢氧化钠，重复以上③④⑤⑥步骤；⑧实验分析得出结论： 自来水不具有维持pH稳态的能力。而牛奶、马铃薯、黄瓜与缓冲液溶液功能有些类似，在一定的范围内可以维持pH的稳态。

改进优点： 测定pH的变化时，pH传感器能将溶液中微小的pH变化过程有效地记录下来，由定性研究上升到定量分析，使实验的结果更精确、可靠。