Excel软件在高中生物学实验教学中的应用研究

林建春 （浙江省温州市洞头区第一中学 浙江温州 325700）

Excel软件拥有直观的界面、出色的计算和绘制图表功能，使其成为最实用的个人计算机数据处理软件。在高中生物学实验教学中，定量分析实验始终离不开数据的统计、处理和分析。通过应用Excel 软件，可实现数据的快速处理、生成和可视化等多方面用途。本文基于高中生物学实验教学实践经验，以浙科版高中生物学教材中的多个实验为例，阐述Excel 软件在高中生物学实验教学中的应用，以期将其推广应用于生物学实验教学中。

1 利用图表工具实现实验数据可视化

定量实验通常需要进行记录、整理和分析实验数据，有助于学生体验科学探究过程。以“制作并观察植物细胞有丝分裂的临时装片”为例，可将该实验转变为定量分析实验，例如，进行探究洋葱根尖分生区细胞周期。制作洋葱根尖分生区细胞周期，需要学生在制作和观察植物细胞有丝分裂临时装片的基础上，对间期和分裂期细胞分别进行计数［1］，细胞数目越多，说明在细胞周期中该时期所占的比例越大。最终，可利用Excel 软件自带的图表工具实现数据结果可视化（图1）。通过该实验，学生对细胞周期及其制作过程有直观的认识与体验。

图1 利用Excel 软件绘制洋葱根尖细胞周期图［1］

此外，在高中生物学实验教学中，还可通过分光光度计、传感器等仪器实现定量实验分析。以分光光度计为例，可应用于“检测生物组织中还原糖、蛋白质”“探究培养液中酵母菌数量的动态变化”“探究影响酶活性的因素”等多个必修课程实验中（表1）。对于获得的实验数据，教师与学生可利用Excel 图表功能进行结果可视化展示，进而分析实验数据、表达实验结果，有利于学生形成尊重事实、证据的科学态度，提升科学思维素养。表1为三大类实验数据结果展示参考图［2］。上图为“检测3 种乳制品中蛋白质含量”结果可视化展示；中图为“培养液中细菌数量的动态变化”结果可视化展示；下图为“探究温度对淀粉酶（来自小麦幼苗）活性的影响”实验结果可视化展示［2］。

表1 分光光度计在实验教学中的应用及数据可视化展示

2 辅助拟合功能实现数据可视化

2.1 线性拟合绘制标准曲线 在“泡菜的腌制和亚硝酸盐的测定”实验中，需要绘制亚硝酸盐的标准曲线。教材中绘制亚硝酸盐标准曲线的大致步骤为：取一系列不同浓度的亚硝酸钠标准溶液分别与显色剂反应，将反应液置于光程1 cm 的比色杯中，在550 nm 处测定光密度值。最后，以亚硝酸钠质量或浓度为横坐标，以光密度值为纵坐标，绘制标准曲线。教材并未交代清楚如何利用数据精准绘制标准曲线。

通过实验操作，最终会得到多组数据（表2），利用多组数据按照传统方法手动计算并制作标准曲线不仅难度极大，且费时、费力。应用Excel 软件中的散点图及添加趋势线功能，可快速线性拟合出标准曲线。具体步骤为：选择数据→选中编辑栏中的“插入”→选择散点图→添加趋势线→选择线性 （L）→勾选显示公式和显示R2。结果如图2所示，由R2为0.9959 可知，本次绘制的标准曲线是可信的。应用Excel 软件，在几分钟内即可完成标准曲线制作，有利于提高实验教学效率。

表2 亚硝酸盐溶液浓度与OD 值之间的关系

图2 利用Excel 软件线性拟合功能绘制亚硝酸盐标准曲线

此外，在浙科版“探究培养液中酵母菌种群数量的动态变化”实验中，其实验目的包括学习用血细胞计数板进行酵母菌细胞计数的操作方法、学习比浊计（或比色计）的使用方法，并找出酵母菌细胞数量变化与其浑浊度之间的关系。寻找酵母菌细胞数量变化与浑浊度的关系，类似于上述标准曲线的制作。应用Excel 软件，以培养不同时期的酵母菌数量为横坐标，浑浊度为纵坐标，绘制散点图，再通过添加辅助线、选择线性、勾选显示公式和显示R2等操作，即可快速拟合出二者之间的线性关系。

2.2 指数拟合绘制“J”型增长曲线 在必修3“种群的增长方式”教学中，也可利用Excel 的拟合功能绘制J 型增长曲线（图3）。其具体做法与上述标准曲线制作类似，只是在添加辅助线时，选择“指数”而不是选择“线性”。之所以利用拟合功能而不是直接采用图表绘制功能进行绘制J 型增长曲线，其原因是，自然界中种群增长数量的真实数据不可能与指数增长趋势完全一致，直接绘制得到的曲线波动较大，而利用拟合功能更加科学地反映自然界中种群数量指数增长的动态变化关系。

图3 利用Excel 软件指数拟合功能绘制种群的指数增长模型

3 利用函数功能生成与统计数据

3.1 模拟孟德尔杂交实验 模拟孟德尔杂交实验时，由于在课堂中学生模拟次数有限，使得模拟结果难以趋于真实分离比。借助Excel 软件简单函数功能，可实现快速获得和统计大数据，从而使结果更加准确。以“模拟分离定律”为例（图4），在Excel 中先建立模拟流程图，在模拟图右侧为模拟数据产生过程，下边是模拟数据统计结果。

图4 应用Excel 软件模拟孟德尔杂交实验

在图4中，共有9 个关键单元格（即灰色单元格）需要输入公式。其中，单元格K3 和L3 输入公式为“=IF（RAND（）<0.5，"A"，"a"）”。RAND()函数可生成介于［0，1）之间的随机数，因而随机数介于［0，0.5）和［0.5，1）内的概率均为0.5。IF（条件，甲，乙）为逻辑函数，如果括号内条件满足，则返回甲值；如果不满足，则返回乙值。单元格K3、L3输入的公式，表示随机数大小在［0，0.5）内，则输出A，随机数大小在［0.5，1）内，则输出a。该公式含义与模拟基因型Aa个体产生A、a配子的情况一致。单元格M3 中的公式“=K3&L3”是将K3 和L3 单元格中的字符串连在一起，即模拟受精作用，可能的结果会有4 种类型，即AA、Aa、aA、aa。

单元格D23=SUMPRODUCT（N（EXACT（M ∶M，"AA"）））、D24=SUMPRODUCT（N（EXACT（M ∶M，"Aa"）））、D25=SUMPRODUCT （N （EXACT （M ∶M，"aA"）））和D26=SUMPRODUCT（N（EXACT（M∶M，"aa"）））。EXACT（）函数用来测试2 字符串是否完全一致，如果2 字符串之间完全一致，则返回TRUE；否则，返回FALSE。N（）函数是一个用来返回转换为数值的函数，SUMPRODUCT（）是条件累积求和函数。以单元格D23 中的公式为例进行说明，“=SUMPRODUCT（N（EXACT（M∶M，"AA"）））”是指在M 这一列单元格中，遇到与“AA”字符串完全一致的，则EXACT（）函数输出为TRUE，N（）函数结果计1，SUMPRODUCT（）函数进行累加，从而实现了对“AA”字符的统计。单元格D27 中的“=D23&"∶"&SUM（D24∶D25）&"∶"&D26”是用于将AA、Aa和aa的统计数量以比值的形式输出（注：Aa与aA在统计时均合计为Aa的数量）。此外，单元格D22=SUM（D23∶D26），是对单元格D23 至D26 中的数值相加，即统计模拟次数。

在实际教学过程中为减少公式输入时间，可提前将公式输入各单元格，各单元格随即得到相应的数字或字符。模拟批量产生实验“大数据”时，选中单元格K3、L3 和M3 并下拉，即可获得模拟“大数据”，并且模拟图下方随即得到模拟实验结果。图4是将单元格K3、L3 和M3 下拉至1 002行后（即模拟实验进行1 000 次），所获得的模拟实验数据，统计结果显示AA、Aa和aa比值为238∶502 ∶260，非常接近分离比1∶2∶1，说明利用Excel 软件模拟分离定律效果佳，同时也解决了实验教学过程中大数据难以获得、结果难以统计的问题，该方法也适合应用于自由组合定律、测交等模拟实验中。

3.2 模拟探究细胞表面积与细胞体积的关系在“模拟探究细胞表面积与细胞体积的关系”实验中，也可应用Excel 软件函数功能计算得出相应数据。如表3所示，在Excel 软件中输入相应的正方体边长或球体半径，利用函数公式即可实现数据的快速处理，解决了教学中一些繁杂数据的计算问题。此外，教师也可利用表格中的数据，应用Excel 图表功能制作相应的柱状图或曲线图，帮助学生直观认识半径、边长与比表面积的关系。

表3 利用Excel 软件函数功能计算正方体和球体表面积与体积之比

4 总结

Excel软件可应用于高中生物学多个实验教学中，同时，在学生课外研究性课题、学生小论文写作中也能进行应用。在实验教学中应用Excel 软件，不仅能以各种形式的图形直观表示实验数据，实现了结果的可视化，同时，还能优化实验过程，提升实验教学效率。此外，实验是促成学生达成生物学核心素养的重要途径与手段。《普通高中生物学课程标准（2017年版）》指出高中生物学实验教学应重视定量实验，向学生提供学习测量方法的机会，使其在记录、整理和分析实验数据的过程中了解事物的本质［4］。高中生物学实验教学中应用Excel 软件，可为实验数据处理和分析提供新的途径，有利于学生体验完整的科学研究过程，提升生物学学科核心素养。