数码显微互动系统在“种群数量的变化”教学中的运用

摘 要：显微数码互动系统由数码显微镜、电脑软件系统、数字成像芯片、交换机等设备通过网络连接而成，能将显微镜下的视野导入电脑，师生可通过电脑互动交流。种群数量的变化一节需要通过探究酵母菌的数量变化来建立种群增长的数学模型，本节应用传统教学存在着酵母菌个体微小难以辨认、难以找到血球计数板的计数室;数据需要用数据处理软件处理等等困难。运用显微数码互动系统能轻松突破以上难点，激发学生的积极性，有效提高课堂效率。

关键词：数码显微互动;种群数量;教学;运用

多媒体、电脑和网络的飞速发展，给人们的工作、生活带来了巨大的变革，也为教学方式的转变带来了极大的便利。显微数码互动系统集多媒体、电脑和网络的优势为一体，具有共享性、时效性和交互性等特点[1]，为教师和学生在图像、语音、文字的互动提供了交流平台，给高中生物细胞、细胞器等的形态观察实验教学带来了革命性的变化，显示出传统教学无可比拟的独特优势。

1.显微数码互动系统的功能

显微数码互动系统由数码显微镜、电脑软件系统、數字成像芯片、交换机等设备通过网络连接而成。实验室配有教师端电脑1台和学生端电脑56台。数码显微镜用于捕捉视野形态结构;数字成像芯片可将捕捉到的图像高速导入电脑，具有图像拍照、录像和测量等功能，并可实现远程共享[1];电脑软件系统为MoticDigiLabⅡ软件系统，运行软件可完成教师屏幕广播、学生屏幕转播、彩信交流、屏幕监控和语音教学[1]等功能，进行教学示范、监控学生实验进程、有针对性地辅导学生。

教师端电脑的主要功能有：（1）将教师端显微镜（或学生端显微镜）下观察的内容转换并制作成图像、视频等数字化教学资源;（2）应用相关软件对采集到的相关数字化教学资源进行分析、对比和统计;（3）实现在线授课、监控并观摩学生端显微镜下观察及电脑屏幕显示的内容，师生在线问答、交流与讨论;（4）可将某台（或多台）显微镜下观察内容实时传送到实验室中的每台电脑屏幕上，供教师讲解与点评（或由学生进行比对、交流与讨论）;（5）下发实验作业、试卷、电子教案等数字化实验教学资源;（6）显示提问或需教师指导的学生座位[2]。

学生端电脑的主要功能有：（1）可将显微镜下观察的内容采集并制作成图像数字化教学资源对资源进行分析、统计;（2）接收、观摩、存储由教师端下发的其图像，并与自己观察的相关实验内容进行比对分析;（3）在线向教师提问;（4）在线提交作业或图像;（5）与同学通过系统的彩信交流等方式进行讨论[2]。

2.传统方法进行“种群数量的变化”一节教学面临的困难

“种群数量的的变化”为人教版必修三《稳态与环境》模块、第四部分《种群和群落》的内容，高中生物课程标准对这节的描述为“尝试建立数学模型解释种群的数量变动”，属于能力层面的“模仿”水平和知识层面的“理解”水平。在活动建议里则提出“探究培养液中酵母种群数量的动态变化”。即本节内容要通过探究酵母菌的数量变化来建立种群增长的数学模型。而突破这一难点面临以下困难：

酵母菌属于微生物，需要在显微镜下观察。尽管有图片示范，很多同学依旧不清楚酵母菌长得什么样，通常会把显微视野下的杂物（如擦玻片留下的纤维、酵母菌培养液里的杂质等）误认为是酵母菌，传统教学需要教师对学生观察到的视野一个个地进行检查，费时费力;

学生第一次用血球计数板，难以找到计数室，也很难理解计数的原理和方法;

计数完成后需要对数据进行统计、处理，建立数学模型，需要用到数学软件。传统教学只能留到课后请部分同学找到电脑进行操作，很难全员参与。这样造成的后果是：学生获得数据后没有立即处理，一段时间后很难理解这些数据背后隐藏的生物学意义。

3.基于显微数码互动系统进行“种群数量的变化”教学的实验改进和数据处理

在运用显微数码互动系统进行教学前，先对相应的教学内容和实验方案进行以下调整。

①优化酵母菌的培养条件：取250ml的锥形瓶6个，每瓶装培养液100ml，30℃，250rpm/min。由于条件优化了，实验由原来的一周缩短为一天。

②将酵母菌种群数量固定在某一特定时段：接种完酵母菌后，每隔2小时取样5ml，注入5ml的离心管内，兴趣小组即时计数后，用沸水加热25min杀死的方法或是直接放到冰箱冷藏（事先经过验证为可行方法，省去固定剂）。

③在课堂上请同一小组的学生算出不同时段的酵母菌种群密度，通过显微数码互动系统内的彩信交流，进运用EXCEL等软件处理数据，取平均值，绘制曲线，建立酵母菌种群数量增长的数学模型。教师应用教师端电脑展示酵母菌图片，讲解血球计数板的使用和计数原理，监控处理学生在操作中出现的问题，交流数据，展示学生图像进行教学示范。

以上改进的优点在于：条件优化和分组计数大大缩短了时间，提高了效率;集中精力将重点放在应用数码显微系统进行酵母菌计数并建立数学模型。不在实验过程耗费过多精力;亲身体验这些数据的来源，建立模型并及时进行分析，有利于让学生领会掌握规律的重要性，即：理解建立数学模型的意义。

4.显微数码互动系统在“种群数量的变化”一节教学中展现的优势

由于显微数码互动系统能及时将显微视野下的图像高速导入电脑，教师能实时监控并观摩学生端显微镜下观察及电脑屏幕显示的内容，运用显微数码互动系统进行本节教学体现出传统教学无可比拟的优越性。

让每一位学生都能准确认识并找到酵母菌。教师通过教师端电脑的实时监控，一发现问题即可对学生进行及时的指导、纠错，或展示操作比较好的同学的图像，进行教学示范;

确保每一位学生都学会血球计数板的使用，准确找到计数室。教师在监控过程中可及时发现学生实验操作中出现的问题，进行有效的指导。这样，大大缩短了时间，提高了效率;

酵母菌计数完之后，同学之间可通过系统内的彩信功能进行交流，传输数据并及时进行数据的处理，如：取平均值，建立曲线图，发现酵母菌增长的内在规律。这时，为了深化学生对酵母菌增长“S”型增长规律的理解，可通过教师端电脑分配学习任务：

①用生物学知识说明“S”型曲线产生的原因。（如果是自然环境中的其它生物呢？）

②“S”型曲线与“种群的特征”有哪些知识联系，还可以跟哪些知识联系起来？

③如果上述“S”型曲线的纵坐标改成增长速率，那么曲线应该怎么画？若改成出生率、死亡率呢？

④应用种群数量的“S”型增长规律如何解决实际问题（如：如何有效地灭鼠？如何拯救濒危动物大熊猫？怎么捕捞才能保护鱼类资源不受破坏，并获得最大的年捕鱼量？）

以上四个问题，分组讨论，让学生学会思考数据背后隐藏的生物学意义，懂得知识的前后联系。问题④启发学生应用数学模型去分析问题、解决实际问题，从根本上引导学生认识到建立数学模型的重要性，让学生在解决问题的过程中深入理解生物学的核心概念，体验知识应用的乐趣，从而把科学、技术与社会联系起来。

应用数码互动系统进行教学，能及时监测学生的动态;即时计数，即时统计，绘制曲线图，由于时间上的连续性，学生对自己获得的数据及时处理，很容易理解数据与规律的关联;学生建立完酵母菌种群增长的数学模型后，教师立即以4个问题启发学生思考，避免了传统教学时间和思维上的断层，有效地突破了“应用数学模型阐明、预测解决实际问题”这一重难点。

总之，运用显微数码互动系统进行教学，有效提高了“种群数量的变化”一节的教学质量。学生更加直观地观察酵母菌的形态，学会了血球计数板的使用，加深了对课本知识的理解;通过显微数码互动系统，学生成为学习的主体，改变了被动学习的状况;通过显微数码互动系统，教学效率大大提高了，教学效果得到了切实有效的落实。当然，我们还应继续充分拓展显微数码互动系统的功能，转变教学观念，改进教学设计，优化教学过程，激发学生的积极性和创新性，进一步提高教学的质量和效果。

参考文献

[1]刘艳，马晓平，利用显微数码互动系统提高微生物实验教学效果[J]，实验室研究与探索，2015（10）：195—197，205

[2]杜坤，张彪，等，数码显微互动系统用于细胞生物学实验教学[J]，实验科学与技术，2015（2）：128—130，150

作者简介：杨春香，1977年9月生，女，中学一级，生物化学与分子生物學理学硕士