新视角：以数字化实验系统来优化传统生物实验教学

费伟虎

摘 要：随着科技的进步，传统生物实验中的一些短板正在被新型的数字化实验系统所弥补，以传感器、数据采集器、计算机和相关软件组成的数字化实验系统可以发挥更多的优势，弥补课堂教学的限制，以另一种面貌呈现出生物实验教学的新趋势。

关键词：传感器; 数据采集器; 数字化实验; 传统生物实验

中图分类号：G633.91          文献标识码：A     文章编号：1006-3315（2019）11-026-001

生物学是一门以实验为基础的学科，随着科技的进步和教学的发展，出现了数字化的实验系统，它使传统生物实验中难以进行定量测试的实验得以用数据、图像直观的表现出来;能够把难以在当堂完成的实验得以完整的开展。以数字化实验系统与传统生物实验教学相结合将是生物实验教学发展的新方向。

一、数字化实验系统的界定

基于传感器的数字化实验系统是由计算机及配套软件、传感器、数据采集器三部分构成的。配套软件含有相关的分析、显示功能，能够将测得的数据以曲线、柱形图、表格等多种形式显示出来。使用时仍需要传统的实验仪器与之配合，才能获取信号并转化[1]。

二、数字化实验系统对传统实验优化的教学案例

适当的运用数字化实验系统对传统生物实验教学进行优化，能够很好的弥补传统实验教学中的不足。以下将苏教版生物学七年级上册“7.1能量的释放和利用”为例讲述。

教学片段，探究一：“探究植物呼吸过程中气体的变化”的疑问

实验1：验证植物呼吸消耗氧气

根据苏教版生物学七年级上册第112页图7-2植物的呼吸实验（二），图甲中沸水处理过的菠菜甲瓶中蜡烛火焰正常，而图乙中新鲜菠菜在的乙瓶中蜡烛火焰燃烧不旺，火焰变小。

提出問题：乙瓶中火焰变小的原因可能是哪些？

学生讨论，学生甲得出：乙瓶中由于氧气变少导致了火焰变小。

生乙：乙瓶中的二氧化碳会增多也可能导致火焰变小。

生丙：可能既有氧气变少也有二氧化碳增多两种情况一起导致火焰变小。

师：非常好，大家分析的很准确。按照我们刚才强调实验单一变量原则，这个实验的做法就不严谨了。所以我们重新设计实验。

重新设计实验解决疑问。由教师展示并介绍实验器材及数字化实验系统，着重介绍二氧化碳和氧气传感器;学生观察各装置。

师：请同学们想想利用这两种传感器后，还需要分别检测这两种气体的含量变化吗？

生：不需要，可以同时观察这两种气体在种子呼吸作用过程中的变化。

师：很好，请大家选择合适的实验装置进行设计安装。

师生合作：引导学生上前动手安装实验装置，并罩好罩子，然后点击软件的“开始”按钮。同时观察软件显示的曲线变化趋势，分析豌豆在进行呼吸作用时的气体变化。

生：可以从屏幕上直观的看到氧气含量这条曲线正在下降，二氧化碳含量这条曲线正在上升。得出结论：植物在呼吸过程中氧气会减少，二氧化碳会增多。

教学片段，探究二：探究种子呼吸过程中释放热量

师：探究种子呼吸过程中释放热量，由于使用普通温度计测量时精度较差，是一个较缓慢的过程，所以需要较长时间才能看出效果。

师：根据前面的实验，我们同样可以用温度传感器来替代普通温度计。

师生合作：用温度传感器替代温度计，并连接数据采集器和电脑，打开软件，等温度稳定后点击开始，观察温度的变化。

师：大家看到了什么？

生：能够直接在屏幕上看到温度这条曲线在逐渐上升，温度值在逐渐升高。

师：联系探究一的实验，你们可以得出什么结论吗？

生：种子萌发的过程不断的在进行着呼吸作用，呼吸作用过程中除了会消耗氧气，产生二氧化碳和水以外，还会释放热量。

三、小结与体会

（一）小结本案例

在此教学实例中，把验证性实验改成探究性实验，更容易激发学生的学习兴趣，并能看出数字化实验系统中的几个优点：

1.实验一和探究二中的实验都需要处理24小时左右，在传统实验教学中必须前期做好准备，而数字化实验系统得益于传感器的精确程度高，能在较短时间内就测量出实验中气体含量的变化以及种子萌发过程中温度的微小变化，并可以直观的看出数据的变化趋势。

2.实验一的乙瓶火焰变小原因存在疑惑，在传统实验教学中以定性表达为着重点，但会出现疑惑，而借助数字化实验系统就可以避免出现此类情况，以直观的数据和曲线直接表达出实验中植物进行呼吸作用过程中气体含量的变化。消除疑惑，直观而准确的表达。

3.数字化实验系统可以直接把植物呼吸过程中两种气体的变化在一次实验中就完成了，比传统实验更为简单更具说服力。

4.探究种子萌发过程中释放热量的实验，在传统实验中由于呼吸作用过程是一个微观过程，种子释放热量也是积少成多的，所以这个观察过程需要长时间才能看出温度的变化。现在使用温度传感器，就能在短时间内测出温度的变化及趋势。

（二）体会

1.优势。数字化实验与传统实验相比的突出优点是实验操作步骤变的简单、操作时间减少，从而增加了学生的探究时间，实验的结果直接以曲线形式展现形象直观，可以将定性实验变为定量实验，提高了实验的准确度，实验过程和结果可以重复观看和分析，课堂时间内完成传统实验不易完成的实验。[2]

2.数字化实验教学的劣势。①长期使用数字化实验系统会使学生处理数据的能力和动手能力有所减弱。②传感器的种类以及能够运用数字化实验进行教学的内容不多。③数字化实验设备价格昂贵，大面积推广还需要应地制宜。

总之，基于传感器的数字化实验系统作为一种全新的实验教学工具与传统实验教学相比具有新的功能优势，但也同样存在不足之处，所以教师在实验教学过程中可以利用数字化试验系统来对部分传统实验进行优化，根据实际情况合理使用数字化实验。

参考文献：

[1]喻金龙.高中物理DIS实验基础与拓展研究[D]上海：上海师范大学，2011：6

[2]张凤.基于传感器技术的数字化实验在高中生物实验教学的应用研究[D]内蒙：内蒙古师范大学，2016