信息技术与高中生物学实验教学的融合创新

摘要：本文以“探究环境因素对光合作用强度的影响”实验为例，将多种现代信息化和数字化技术应用于实验过程，对实验进行创新性改进。结合3D打印技术自制实验教具“多功能光照培养箱”，利用手机APP“蓝牙调光器”精准调节光源，连接O2传感器实时检测O2产生速率，并通过分组实验、任务驱动、成果分享等活动展示实验流程，积极探索在信息技术背景下的高中生物实验教学的改进和优化模式，为高中生物学实验教学的改革和培养创型人才提供新的思路。

关键词：信息技术；生物学实验；融合创新；多功能光照培养箱

文章编号：1003-7586（2024）05-0052-03 中图分类号：G63391 文献标识码：B

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》中指出，充分利用以“互联网+”为代表的教育信息技术，开启动态的数字化生物学课堂教学。教育部在2018年印发的《教育信息化20行动计划》中指出，要着手提高学生信息技术能力，将信息技术素养纳入综合素质的评价中。聚集信息技术与生物学实验教学的融合路径，提升实验课堂理论教学的视觉化，使生物学实验课堂能够满足现代教育的发展需求，为高中生物学实验教学的改革提供了新的方向。

“探究环境因素对光合作用强度的影响”是人教版普通高中教科书《生物学·必修1·分子与细胞》第5章第4节“能量之源——光与光合作用”中的“探究·实践”部分的实验。光合作用的过程是微观、复杂的，光合作用强度的测定是定性的，通过信息化技术手段来辅助本实验的教学，让微观实验可视化、定性实验定量化、复杂实验简单化。

1信息技术的融合思路

1.13D打印技术的引入

3D打印技术在航空航天、工业制造等诸多领域被广泛应用，随着其迅速发展，近年来也慢慢渗透到高中生物学实验教学装置的制作过程中。与传统制作教具的方法相比，3D打印技术具有省时、省材、省力的优点，特别是在推广性和复制性方面具有无可比拟的优势。

在“探究环境因素对光合作用强度的影响”的实验中，需要设定一个独立的、黑暗的、可多组对照的实验环境，一方面需要避免环境中其他光源的干扰，另一方面还要同时设置多组对照实验。基于以上需求，在纸上绘制出“多功能光照培养箱”的基本结构图，然后在电脑上利用软件“3D one”构建3D立体模型，选择不透光的树脂作为打印材料，根据立体模型开启3D打印过程，从而将无形的电子建模转化为有形的实物模型。在软件中根据需求自由设置箱体各边长参数，再利用3D打印机制作出“多功能培养箱”。“多功能培养箱”的3D立体设计图及打印出的实物如图1所示。

1.2手机APP“蓝牙调光器”的使用

“多功能光照培养箱”中的光源是由24个无极调光的LED智能灯组成，光源均可由手机APP“蓝牙调光器”进行智能调节，通过手机APP可调节培养箱中的光照强度、光照频率，光质等自变量。LED智能灯的调节范围为0～10 klx，手机APP“蓝牙调光器”可通过设置亮度比例自由调整每一组的光照强，并实现一键调节光照强度、光照与黑暗的交替频率等功能。手机APP“蓝牙调光器”操作简单，界面清晰，使得实验自变量的控制过程更具科学性、严谨性、信息化。手机APP“蓝牙调光器”调节光照强度的操作界面如图2所示。

1.3O2传感器的使用

本实验的因变量是光合作用的强度，可通过检测光合作用产生O2的速率来判断。以O2传感器为主体的“手持技术”的引人为精确测量实验结果提供了技术支持。O2传感器的探头连接光合瓶口，其另一端直接连接电脑端，实时监测光合作用产生O2的速率，快速收集和处理实验数据并生成直观形象的曲线图。在电脑屏幕上呈现出的曲线图直观简洁，科学严谨，让微观的实验结果变得可视化。O1传感器的使用如图3所示。

2实验操作过程

2.1实验材料的选择

预实验选用绿萝、菠菜等多种生活中常见的绿色植物作为实验材料进行探究。最终选择绿萝叶片作为正式实验的材料，绿萝的优点为：①无需打孔和抽气，避免叶绿体的破坏；②绿萝叶肉细胞叶绿体多，光合作用强，实验现象明显；③绿萝能净化空气，有很高的生活实践价值。本实验称取长势相同的绿萝叶片5g，分别置于6个体积为300 mL的光合瓶中进行实验。

2.2自变量的设置

通过“多功能光照培养箱”探究多种环境因素对光合作用产生的影响。通过手机APP“蓝牙调光器”调节灯带的功率或颜色来调节“光照强度”或“光质”；通过设置光照与黑暗交替的频率来调节“光照频率”；通过用不同温度的水进行水浴保温来调节“温度”；通过配制不同浓度的NaHCO3溶液来调节“CO2浓度”。

将学生分成5个小组，每组分配不同的探究主题，同时探究5种环境因素对光合作用速率的影响，从而节省实验时间，提高课堂效率。以“探究光照强度对光合作用速率的影响”为例，通过手机APP“蓝牙调光器”等梯度地设置6组光照强度，每个光合瓶中盛放的均为250 mL、质量分数为1.5％的NaHCO3溶液，温度均设置在25℃进行实验。

2.3因变量的检测

本实验的因变量是光合作用的强度，通常采用O2产生的速率来作为因变量的检测指标，而本实验选用O2传感器来测定O2产生的速率。将O2传感器的探头插入装有绿萝叶片的光合瓶中，利用手持技术自动对O2产生量进行数据采集，通过电脑端实时地处理数据并同步产生坐标曲线图，从而将实验结果直观形象地展示出来。

2.4实验结果的分析

以“探究光照强度对光合作用速率的影响”为例，通过O2传感器得到的不同光照强度下氧气释放量的曲线图（见图4），氧气释放速率曲线图（见图5）。

由以上曲线图可知，当光照强度在3-7 klx的范围内，随着光照强度的增强，氧气释放的速率持续加快；当光照强度约为7 klx时，氧气释放的速率趋于稳定。

3实验创新性分析

3.1信息化技术的融八

实验融合了3D打印技术、信息化调控技术、O2传感器等多种信息技术，让生物学课堂实验实现动态的数字化教学，让现代的实验教学过程不断地适应时代发展的需求，从而达到培养出创新型人才的目的。

3.2便携性和安全性

实验中用到的“多功能光照培养箱”由树脂材料打印而成，经久耐磨，携带方便；培养箱上的转接头将220V的高压电转换成5V的低压电，极大地增强了装置的安全性。实验所需电源通过USB接口连接充电宝即可，整套器材解除了对实验室的依赖，大大增强了实验探究的灵活性。

3.3实用性和可推广性

利用“多功能光照培养箱”可以探究光照强度、光照频率、光的颜色、CO2浓度、温度等多种环境因素对光合作用强度的影响，做到了一箱多用，具有非常强的实用性。此外，由于“多功能光照培养箱”是利用软件构建的3D立体模型，使用3D打印机即可实现一键打印，具有较强的可复制性和推广性。

4总结与讨论

本实验通过巧妙地融合如3D打印技术、手机APP调控系统及O2传感器等信息化技术，不仅实现了生物学实验课堂的数字化、动态化转型，还显著提升了实验教学的现代化水平，使其更加贴近时代发展的需求。这种创新性的教学模式不仅丰富了教学手段，更激发了学生的创新思维和实践能力，为培养创新型人才奠定了坚实基础。

在便携性和安全性方面，实验设计的“多功能光照培养箱”展现出独特的优势。采用树脂材料制作的箱体，不仅耐磨耐用，还极大提升了设备的便携性，使得实验不再受限于传统实验室环境，真正实现了随时随地的学习与探究。同时，通过转接头将高压电转换为低压电，以及使用USB接口连接充电宝供电的设计，不仅简化了操作流程，还极大地增强了实验过程的安全性，为师生提供了更加安心的实验环境。

此外，实验所设计的“多功能光照培养箱”在实用性和可推广性方面同样表现出色。该培养箱能够灵活探究多种环境因素对光合作用强度的影响，实现了实验功能的高度集成和多样化，为生物学教学提供了强有力的工具支持。更重要的是，其基于软件构建的3D立体模型及一键打印功能，使得设备的复制与推广变得简单快捷，有望在未来广泛应用于各类生物学实验教学及科研活动中，进一步推动教育资源的均衡发展与共享。

综上所述，本实验在信息化技术的融入、便携性与安全性设计以及实用性和可推广性等方面均展现出了显著的创新性，不仅为生物学实验教学带来了新的思路和方法，也为培养具有创新思维和实践能力的新时代人才提供了有力保障。未来，随着信息技术的不断发展和应用，相信这种创薪性的实验教学模式将在更广泛的领域得到推广和应用。