数码显微镜在高中生物观察类实验中的运用实例

冯艳娜

【摘要】：高中生物观察类实验往往需要借助于普通光学显微镜进行观察，但传统的教学方式并不便于结果的记录、分析和共享。将数码显微镜运用到课堂实验教学中，加速了实验进程，同时可以实现实时记录、资源共享、互动交流、学后拓展，真正达到探究的目的。“观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”、“探究植物细胞的吸水和失水”这两个实验都取得了较好的实验效果。

1.传统光学显微镜的使用弊端

高中生物实验教学中的观察类实验往往需要借助于显微镜才能完成，对于大多数实验室而言，普通光学显微镜是最常用的观察设备。但普通光学显微镜功能单一，存在一定的局限性。如动态过程无法记录，优秀的实验无法再现与共享。新课程标准对实验的要求明显加强，在教学方法上对探究性和互动性也提出了更高的要求。只有转变学习方式、实现师生、生生之间的交流，才能真正实现自主学习。显然，传统的光学显微镜已经无法满足现阶段的实验要求。

2.我校数码显微镜的结构与功能

数码显微镜是将显微镜看到的实物图像通过数模转换，使其成像在显微镜自带的屏幕上或计算机上，通过投影机播放，使教室内的学生可以一同观看影像。

2016年，学校生物实验室升级改装，安装了投影设备，并配置了一批凤林牌FL-107CCD三目数码显微镜。这批显微镜配置的目镜放大倍数为10X、16X，物镜放大倍数为4X、10X、40X和100X，内置一体化130万像素高分辨率数码摄像系统。数码显微镜可以通过USB接口，连接到实验室的主控电脑上，并经投影仪，将实时画面投影到大屏幕上。每台显微镜又自带一个7寸显示屏，进行分组实验时，组内成员可以同时观察到实验现象，并能实现拍照、摄像，放大等基本操作。

3.实例一“观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”

3.1实验分析

该实验是高中生物中的经典实验，由于实验强度大，时间紧，教师演示难等问题的存在，导致成功率低、效果差。所以在实际教学中，很少有学校带学生动手做实验，通常只是让学生观看实验视频。而配置了数码显微镜后，我校老师果断放手，从取材到实验记录，全部交给学生，并取得了一定的成功。

3.2基本操作

通过预实验发现大蒜根尖观察效果更好。正式实验时，采用大蒜根尖为实验材料。通过分组，每组4位同学共用一套观察装置，按照“解离-漂洗-染色-制片”的基本步骤进行操作。

3.3结果与分析

图1为某小组观察到的有丝分裂图，能较清晰的看到间期、末期和中期。虽然，实验中也存在一些问题，但数码显微镜的运用使得本实验的意义更深远。体现在两方面：一、该实验对解离的程度和表皮的撕取要求高，学生需要多次尝试才能够制作出理想的装片。分组合作可以制作大量装片，利用数码显微镜自带显示屏可以实现多人同时观察，对于不合适装片直接淘汰，合格装片能够较快捕捉视野，及时拍照。二、虽然不是每个小组、每个装片都可以同时观察到分裂的各个时期，但教师可以将各组观察到的典型图像，通过投影仪及时展示给全体学生。也可以就问题装片展示分析失败原因，从而实现班级共享。

4.实例二“探究植物细胞的吸水和失水”

4.1实验分析

该实验是高中生物新课改后的第一个探究实验。传统的实验教学往往机械地按照课本中的实验要求进行模仿，持续时间较长。要真正实施探究性实验，需要对实验过程中存在的问题，进行大胆的改进、创新。从而把学生的主动性、创造性调动起来。同时，利用数码显微镜的动态记录功能记录下实验过程。

4.2实验过程

4.2.1材料选择

除洋葱外，校园里正开的蔷薇花、木槿花花瓣，水绵均可作为实验备用材料。

4.2.2基本操作

将学生分组，每组6人，每组2台普通光学显微镜，1台数码显微镜。学生依据科学探究的一般方法开展实验：

提出问题—作出假设—设计实验—进行实验—分析结果，得出结论

4.3实验中存在的问题

选择紫色洋葱鳞片叶外表皮细胞为实验材料，观察滴加0.3g/ml蔗糖溶液发生质壁分离及分离复原的现象。问题主要表现为两方面：一、材料撕取困难，洋葱外表皮色素含量虽高，但撕取只有一二层细胞构成的外表皮细胞有一定难度。在操作中，反而是上个班级留下来的不新鲜的洋葱残片，轻轻一掰，一撕，用剪刀剪断，镊子夹到载玻片上，效果较好。二、进程缓慢，实验中采用课本中0.3g/ml的蔗糖溶液，质壁分离较慢。

4.4 實验创新

鉴于以上问题，一方面，每组各派一名学生，继续完成课本中的实验，通过数码显微镜的摄像功能，记录质壁分离及复原的过程。另一方面引导学生解决实验中存在的问题，经小组讨论，结合现有实验条件，学生提出以下几点改进方案：

①采用洋葱内表皮细胞进行观察

②增加蔗糖溶液的浓度

③改用KNO3溶液

④观察其他植物细胞的吸水和失水

每组自选1-2个方案进行探究，将观察到的现象及时记录，效果明显的通过投影仪进行展示。

4.4.1 改用洋葱内表皮细胞

用洋葱内表皮细胞观察，将视野调暗，能看到质壁分离及复原现象。为了使现象更明显，用红墨水染色增加对比度，结果实验效果非常明显

4.4.2增加蔗糖溶液的浓度

学生分别尝试了0.4g/ml、0.5g/ml蔗糖溶液，结果表明：0.5g/ml蔗糖溶液虽然最容易发生质壁分离，但很多细胞无法复原，进而得出结论：高浓度蔗糖溶液可能导致细胞失水过多而死。而采用0.4g/ml蔗糖溶液的实验小组，观察到质壁分离（图4）及复原（图5）现象所需时间约五分钟，明显短于0.3g/ml蔗糖溶液所需时间（8-10分钟）。后续实验中，学生统一采用0.4g/ml蔗糖溶液，加快了实验进程。

4.4.3 观察KNO3溶液使细胞质壁分离及自动复原

学生尝试了0.4mol/l、0.6mol/l、1.0mol/l三个浓度梯度的KNO3溶液对洋葱外表皮细胞吸水和失水的影响，结果表明0.6mol/lKNO3溶液，既能使细胞发生质壁分离，也能使其自动复原。浓度过大则会导致细胞失水过多而死，以致无法复原。

4.4.4觀察其他植物细胞的吸水和失水

水绵，细胞单列呈丝状，有细胞壁和大液泡，具备发生质壁分离的条件。采集后，不需要压片，单根藻丝即可直接制成临时装片。滴加0.4g/ml蔗糖溶液，结果显示水绵细胞能在短时间内发生失水，液泡逐渐缩小，滴加清水后，快速吸水，恢复原状。整个实验过程用时约三分钟，比之前的任何一个实验所需时间都短。

通过小组内部合作，每个小组都观察到了植物细胞的失水和吸水现象，并用数码显微镜记录下实验过程，针对实验现象明显的小组，通过投影仪对实验结果在全班进行展示。整个实验探究取得了超乎想象的效果。

5.教后感悟

5.1数码显微镜的使用有助于实验的成功

（1）节省时间，加速实验进程

普通光学显微镜观察时需要时刻盯着镜头，容易疲劳。而数码显微镜能将物象呈现在计算机屏幕上，且具有视频记录功能。一方面避免了长时间用眼，另一方面，也可以利用记录的空档时间准备下一个实验，从而加速实验进程。

（2）实现资源共享

实验过程中，对于成功的案例，可以通过投影仪进行资源共享，对于异常的实验结果，可以进行及时的分析，并改正。

（3）实现学后拓展

在后续的教学中，可以将记录下的视频进行编辑。经剪辑、压缩、快进制作成的《质壁分离及复原》动态时录，可以作为教学短视频。既可以复习时回放，也可以插入到微课制作和慕课教学中，实现资源的多级利用。

（4）享受成功喜悦，激发创造热情

学生对数码显微镜具有浓厚的兴趣，不仅希望观察课本中的实验，还想探究自然界更多微观的现象。科学探究不仅局限在课堂，课外活动是课堂教学的延伸和补充，利用生物学知识探索生活实践中遇到的生物问题，也是生物实验拓展的主要内容之一。

5.2小组合作、自主探究提升实验素养

毋庸置疑，数码显微镜在高中生物实验教学中的辅助作用是明显的。有的高中甚至借鉴了大学微观实验室的教学模式，引进了全方位的数码显微互动系统，这将更有利于生物观察类实验的开展，但所需费用和对教师的要求也是很高的。科技进步带来了教学的便利，但我们在教学的过程中也不能单纯的只依靠设备，也要通过设计、恰当地运用，从而提高课堂效率。

基金项目：河南省教育科学“十三五”规划电化教育专项课题成果

课题名称：信息技术环境下高中生物“教与学”模式新研究，批准号：教教科 【2017】770号