数字化实验在生物学实验教学中的应用范文

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摘要：数字化微型实验与普通的实验相比，具有实验步骤简单、时间缩短、药剂较少、结果直观、准确性强和实验过程可重复等优点。本文以人教版高中生物学教材中的4个实验为例，介绍了如何将普通实验改成数字化实验，以提高实验教学的质量，促进学生科学探究能力的发展。

关键词：高中生物学数字化微型实验应用

微型实验是指用尽可能少的试剂来获取所需信息的实验方法，其主要特点是“实验试剂微量化，实验仪器微小化，明显缩短实验时间，减少环境污染，安全性较高”，比较符合课程标准实施建议中“低成本、低消耗和低(无)污染”的基本要求［1］。基于传感器技术的数字化实验系统是由传感器、数据采集器和计算机中相应的配套软件3部分组成。数字化微型实验教学就是微型实验与数字化实验的有机融合，具有实验步骤简单、实验时间缩短、实验药剂微量、实验结果形象直观、实验准确性强和实验过程可重复等优势。因此，在高中生物学实验教学中，运用数字化微型实验进行教学是提高实验教学质量的有效途径。

1适用数字化微型实验的高中生物学实验

数字化微型实验教学可以通过实验改进或多样化设计，可将原来时间紧、辨不清、看不见和抓不住的实验，转变为“来得及”“辨得清”“看得见”和“抓得住”的实验。从而能弥补普通实验教学中存在的不足，有效地提高生物学实验的质量。在人教版高中生物学教材中，要求的实验内容共有26个，笔者通过教学实践和经验总结，认为其中适用数字化微型实验的有6个。

2数字化微型实验教学的案例

2．1由“时间紧”到“来得及”案例1:探究细胞大小和物质运输的关系

2．1．1原实验的不足原实验中存在着“NaOH溶液是强腐蚀性的安全问题”“测量、计算繁琐，耗时长来不及，误差大”等不足［2］。

2．1．2可改成数字化微型实验具体如下:实验原理:使用琼脂立方块作为细胞模型，当琼脂块放入一定浓度的NaCl溶液中时，离子会向琼脂块中扩散，离子扩散速度与琼脂块表面积有很大关系，溶液的电导率与溶液的离子浓度成正相关，使用电导率传感器可测量溶液中离子浓度。溶液中的离子浓度下降，电导率下降，从而得出物质运输的效率。实验步骤:①连接装置并打开实验系统软件;②取100mLNaCl溶液加入250mL锥形瓶中，将电导率传感器的电极浸入溶液中;③用塑料刀将琼脂块切成边长分别为3cm、2cm、1cm的正方体;④将琼脂块放入锥形瓶中进行数据采集，边采集数据边用玻璃棒搅拌;⑤取出传感器电极用蒸馏水冲洗，重复以上步骤，在相同时间内分别测量第2块、第3块琼脂块的溶液电导率;⑥通过电脑系统在同一坐标轴内形成电导率曲线，比较不同体积的琼脂块放入同体积的NaCl溶液中后电导率变化;⑦分析和结论，通过曲线图比较，在相同浓度、相同体积的NaCl溶液中，相同时间内琼脂块相对表面积越大，扩散的离子越多，即物质运输的效率越大。改进优点:通过电导率传感器，一方面减少了测量、计算步骤，简化了操作，明显缩短了时间，可直观地从电脑曲线图上分析得到结论，由原来实验“时间紧”变为实验“来得及”。同时，用NaCl溶液取代NaOH溶液，排除了强腐蚀性的安全隐患。

2．2变“辨不清”为“辨得清”案例2:探究酵母菌细胞呼吸的方式

2．2．1原实验的不足原实验存在不足之处是:实验中产生了多少CO2，哪种方式产生的较多都无从得知。此外，培养时间约为8～10h，整个实验耗时过长;如果时间过短，则CO2产生量较少，实验现象则不太明显［2］。

2．2．2可改成数字化微型实验具体如下:实验原理:酵母菌是利用培养液中的溶解氧进行有氧呼吸并产生CO2，当培养液中的氧气耗完后就进行无氧呼吸并产生CO2。CO2传感器可实时监测有氧·23·生物学教学2019年(第44卷)第3期呼吸和无氧呼吸所产生的CO2浓度，从而能探究酵母菌细胞的呼吸方式。实验步骤:①材料处理和组装装置:取2g新鲜食用酵母菌，分成2等份，分别放入100mL锥形瓶A和B中，分别向瓶中注入30mL质量分数为5%的葡萄糖溶液，组装好有氧呼吸和无氧呼吸装置，放置培养3h;②连接装置:将2个C02传感器与数据采集器、计算机连接，然后将传感器的探头插入锥形瓶塞后分别伸入两个A、B锥形瓶中;③数据采集:打开实验系统软件，设置数据采集时间为1min，选择相应模板和曲线名称后，点击“开始实验”按钮，开始采集数据，界面上就会显示锥形瓶内C02的含量值和变化曲线;④结果与分析:通过1min内C02的含量变化数值和C02含量随时间变化的曲线，可得出相应的实验结论。改进优点:通过C02传感器，不仅能测定酵母菌细胞一段时间内产生的C02的含量，还能记录有氧呼吸和无氧呼吸的过程，有利于学生直观、快速地了解实验结果，定量数据和图像更加精确和客观，比定性的澄清石灰水变混浊了要更有说服力［3］。使学生能变“辨不清”为“辨得清”。此外，整个实验还可适当减少材料用量，实现在课堂教学的时间内完成实验。

2．3从“看不见”到“看得见”案例3:探究影响植物光合作用强度的环境因素

2．3．1原实验的不足原实验存在不足之处是:光合作用是高中生物学的重要内容，在学习过程中学生往往较难理解。主要问题是学生缺乏感性认识，对光合作用吸收CO2、放出氧气的微观过程无法用肉眼观察到。同时，该实验耗时较长;如时间过短则圆形叶片浮起较少，各组实验现象则区别不明显［2］。

2．3．2可改成数字化微型实验具体如下:实验原理:通过控制人工光源和实验装置的距离，使用CO2和氧气传感器实时监测实验装置中CO2减少量和氧气生成量，进而通过曲线变化判断不同光照强度对植物光合作用的影响。实验步骤:①连接实验装置，打开数据采集器;②将CO2或氧气传感器与数据采集器、计算机连接;③将传感器的探头插入实验装置中;④打开光源，控制好光照强度，调节好热过滤装置;⑤开始实验，记录实验数据;⑥改变光照强度，重复实验，记录实验数据。改进优点:通过氧气或CO2传感器测量实验环境中O2、CO2的曲线变化，学生能直观地观察到有水藻的试管在光照下氧气逐渐增加、CO2逐渐减少，而对照组没有变化，从而知道水藻在光照下进行光合作用吸收CO2、释放出氧气。同时，还能直观地观察单位时间光合作用的速率，从“看不见”到“看得见”，让学生对光合作用的理解从抽象到形象，更为直观。

2．4将“抓不住”变“抓得住”案例4:探究生物体维持pH稳定的机制

2．4．1原实验的不足原实验存在不足之处是:用pH试纸测定pH变化时，是通过与比色卡上的颜色比对来估计的，误差较大，测得的pH较不精确。

2．4．2可改成数字化微型实验具体如下:实验原理:运用pH传感器检测、比较加入酸或碱后的自来水、生物材料和缓冲溶液中的pH的变化，推测生物体内的pH是如何维持稳定的。实验步骤:①连接实验装置，打开实验系统软件，添加pH—时间曲线;②在500mL烧杯中加入50mL自来水，将pH传感器电极放入待测溶液中，同时用玻棒按一定方向匀速搅拌;③使用采集功能，向烧杯溶液中滴加1滴浓度为0．1%的盐酸溶液，采集1个数据;④重复以上步骤，分别采集滴加2～20滴时的数据;⑤用蒸馏水充分冲洗烧杯和pH传感器电极，在500mL烧杯中加入50mLpH为6．8的缓冲液代替自来水，重复③和④步骤;⑥用蒸馏水充分冲洗烧杯和pH传感器电极，分别用牛奶、马铃薯匀浆和黄瓜汁代替自来水，重复③和④步骤;⑦将量浓度为0．1%的盐酸换成量浓度为0．1%的氢氧化钠，重复以上③④⑤⑥步骤;⑧实验分析得出结论:自来水不具有维持pH稳态的能力。而牛奶、马铃薯、黄瓜与缓冲液溶液功能有些类似，在一定的范围内可以维持pH的稳态。改进优点:测定pH的变化时，pH传感器能将溶液中微小的pH变化过程有效地记录下来，由定性研究上升到定量分析，使实验的结果更精确、可靠。

参考文献

［1］中华人民共和国教育部．普通高中生物学课程标准(2017年版)［M］．北京:人民教育出版社，2018:59．

［2］刘东波，贺秉军．生物学传感器在植物光合作用实验教学中的应用［J］．内蒙古师范大学学报(教育科学版)，2017，30(5):159-161．

［3］张莉．传感器在高中生物学实验教学中的应用［J］．生物学教学，2009，34(6):47-48．

作者：汤向荣 单位: 江苏省江阴高级中学