高中生物實驗室及數字化實驗裝備建設

■劉俊波

高中生物實驗室及數字化實驗裝備建設

■劉俊波

本文總結了高中新課程實驗的特點，分析了當前生物實驗室的現狀和問題，并設計了幾種適應新課程需要的實驗室建設模式，提出學校應采用多種模式的組合，避免實驗室模式單一化，以適應不同實驗方式的要求和不同儀器設備的需要。文章著重介紹了生物數字化網絡實驗室的建設方案，并分析了幾種數字化實驗裝備的教學功能。

新課程；生物數字化；網絡實驗室

《普通高中生物課程標準（實驗）》在實施建議中明確提出“加強實驗和其他實踐活動的教學”，在其解讀本中又指出“實驗和其他實踐活動是生物學教學的基本形式之一”，實驗不再是處于輔助的位置。生物實驗是課程內容的重要組成部分，是轉變學生學習方式的重要途徑，是生物教學的重要手段，是培養學生創新精神和實踐能力的基礎性環節。實驗地位的提高和實驗數量的增加對實驗室在其數量、功能、布局以及儀器設備等方面提出了更高的要求。同時，現代信息技術的普及和應用、政府對教育投入的增加，為學校實驗室建設現代化和標準化創造了機會，因此搞好實驗室建設和儀器配備，尤其數字化實驗裝備對提高實驗室的水平和教學效果，支撐新課程實施、發揮效益意義重大。

新課程中實驗的特點

實驗地位明顯提升

首先在理念上，把探究過程當成生物科學的內容之一，“科學包括知識、過程和知識的應用”，學習生物必然學習探究的過程，而探究過程只能通過實踐活動，因此實驗活動是生物學本身的內容之一。提高實驗技能方法作為課程的總目標之一被提出來，課程標準文本中所列舉的案例無一不是實驗活動，可見新課程所要實現的總目標有很重要的比例寄希望于實驗教學的改進。實驗的地位明顯提升。

實驗能力更加明確和拓寬

課標對實驗能力作了詳細規定：“能夠正確使用一般的實驗器具，掌握采集和處理實驗材料、進行生物學實驗的操作、生物繪圖等技能。能夠利用多種媒體搜集生物學的信息，學會鑒別、選擇、運用和分享信息。”并且明確提出了11項科學探究能力，在確定研究問題、定量分析等方面較初中階段有所提升。離開實驗，這些能力的培養就成空談。

實驗數量和類型明顯增加

目前現行的大綱共設置實驗19個，必修16個、選修3個，而新課程不同版本的實驗數量都有明顯的增加，見下表。

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實驗類型也明顯增加，以人教版為例，除了需要學生真正動手的“實驗”或“探究”外，教材中還設計了許多的實踐活動，如資料分析（如細胞核具有什么功能？酶本質的探索，血漿的化學組成等）、構建細胞模型（如細胞、細胞模、DNA分子等）、技能訓練（解釋數據、解讀圖表、識圖與作圖、類比推理）、思考與討論、調查、收集資料與分析。可謂方式多種多樣。浙科版把所有的學生實踐活動統統叫“活動”。可見不動手或動手少的活動也應得到重視。在所有這些活動方式中，有一個共同的內容就是“討論”，有的還明確需要學生分組與“表達與交流”。這些活動類型的拓展和變化其實反映了新課程對學生探究能力全面的要求。所以我們在考慮新課程需要什么樣的儀器的同時還應考慮新課程需要什么樣的實驗室模式，才能滿足其他活動的要求。

實驗內容體現現代化

在必修模塊中有顯示線粒體、DNA、RNA的染色方法，在選修模塊中有組織培養、電泳、PCR、柱層析等。

不同模塊的實驗體現不同的科學方法

高中生物新課程設計思路與以往有著本質的區別。課改之前的高中生物課程，其知識體系是以生物的基本特征為主線來構建的。新課程是模塊式的，強調每個模塊應當有相對獨立的教育價值。《普通高中生物課程標準（實驗）》除了對6個模塊的知識體系作了規定之外，還對其相應的不同的科學方法進行了闡述，如：“生物1：分子與細胞”強調的科學方法是“觀察、實驗、比較、分析和綜合等”；“生物2：遺傳與進化” 強調的科學方法是“假說演繹、建立模型等”；“生物3：穩態與環境”強調的科學方法是“系統分析、建立數學模型等”；“選修1：生物技術實踐”強調的科學方法是“重在培養學生實驗設計、操作能力、收集證據等科學探究能力”；等等。因此不同模塊的實驗方式、儀器選用、分組人數等形式就有所不同，相應地，就要求實驗室的布局具有一定的靈活性。

高中生物實驗室的現狀及問題數量

較早的對實驗室建設提出要求的國家文件是《中小學校建筑設計規范》（GBJ99-86），文件指出“生物實驗室可分顯微鏡實驗室、演示室及生物解剖實驗室三種類型”。但其對實驗室的數量未做具體規定。由教育部分別于1989年和2002年發布的《農村普通中小學校建設標準（試行）》和《城市普通中小學校校舍擴大建設標準》，提出了實驗室的數量要隨學校規模增大而增加，規定“農村初中實驗室（含物理、化學、生物實驗室）：12班、18班、24班應分別設置二間、三間、四間”，“城市普通高級中學實驗室（含物理、化學、生物實驗室）：18～24班、30～36班應分別設置3～4、5～6間”。根據此規定，20個班規模的學校，即平行班4～6個的學校，應分別建設物理實驗室2間、化學和生物各1間。根據我們對某兩個省市的摸底調查，目前60%的學校規模超過30個班，而具有2間實驗室以上的學校比例僅為49%，51%的學校只有一間實驗室。這樣的狀況，應該說連以上標準還未達到，更何況新課程必修和選修要分別在兩個學年進行，這么多的班級同時上課，實驗室顯然不夠用。針對實驗室數量不能滿足新課程需要的狀況，教育部于2006年以標準的形式發布了《中小學理科實驗室裝備規范》，規范提出“4～8個、8～12個、12～16個平行班的學校其生物實驗室數量的基本要求分別是1～2、2～3和4～5間，其規劃要求分別是2～3、3～4和4～6間”。根據我們的摸底調查，目前也就達到“基本要求”的低限。

面積

發布于1986年的《中小學校建筑設計規范》提出，“中學實驗室面積宜采用人均1.8平方米”，按50人計算為90平方米，《農村普通中小學校建設標準（試行）》和《城市普通中小學校校舍建設標準》對面積的規定口氣硬了點：“實驗室使用面積均為90 m2/間。”“中小學理科實驗室裝備規范”規定更加硬性：“實驗室/科學探究室（理、化、生）基本要求生均使用面積不小于1.80 m2，規劃要求不小于1.92 m2”，按50人計算分別不小于90 m2和96 m2，就是說可以往大了建，表明了一個趨勢。目前學生的平均身高和體重比20多年前有所提高，但標準卻幾乎沒變，從90 m2實驗室的實際布置上看，兩側及中間通道、前后桌的距離僅僅為最小的安全距離。實際情況往往達不到標準要求，我們調查的結果是70%的實驗室面積不足90 m2。換個角度考慮，如果要達到標準要求，只能按人均面積算，適合安排多少學生就安排多少學生，犧牲安全距離以滿足人數需要是不可取。那些標準都在國家技術監督局備了案，具有法律地位，如果學校實驗室設置存在安全隱患，那么出現事故責任就是學校的，我們要了解并熟悉標準的要求。

布局

高中生物實驗室的布局從全國范圍上看，出奇的統一，25張實驗桌像教室課桌一樣面向講臺，每張桌子設兩個座位，有人稱“教室式”，有人稱“排排座”。我們統計這種模式的實驗室占85%以上。之所以出現這種情況是跟《中學理科教學儀器配備目錄》有關，目錄設置了三種教學儀器配備標準，即三類標準8人一組、二類標準4人一組和一類標準2人一組。隨著經濟持續發展和經費投入增加，各地有能力按照最高的標準建設，尤其是高中學校。學生面向黑板，和教師相仿，突出教師的作用，這是和以往驗證性實驗和強調操作技能相適應的。但是按照新的理念，其弊病在于無法提供小組合作、共同討論的環境，無法滿足一些現代化儀器設備對空間的要求。目前高中規模都比較大，有些地區也非常重視實驗室建設，每個學校設置了多間生物實驗室，我看到最多的達到7間，但遺憾的是全部是“排排座”。模式單一，很難應付不同內容、不同實驗方式以及使用不同器材的需要。

適應高中新課程的幾種實驗室模式

生物普通實驗室（見圖1）

圖2

這個模式的實驗室是基于96平方米大小設計的，特點是4人雙側，水電到桌，通道寬敞，既能滿足4人小組，又能滿足2人小組實驗，適合的實驗內容包括既適應顯微觀察的實驗（電源），又適應酶和組織成分檢測的實驗（用水方便），適應的科學方法包括觀察、實驗、小組討論等。

生物數字化網絡實驗室（見圖2）

該實驗室第一個特點也是最大的特點就是島式設計，每個島可容納6個學生，學生圍坐在一起，適合小組合作學習，方便討論和交流。第二個特點是通道也比較寬敞，縱向走道寬1.1米，橫向1.3米，教師活動空間擴大，方便巡視指導，而且實驗室后部具有足夠空間可以設置水槽、邊臺或陳列柜。第三個特點是方便信息技術設備使用和實驗室網絡化布置。

這種模式實驗桌為6邊形，每個學生的桌面為寬度750 mm、深度650 mm的傘形。雖然人均有效操作面積偏小，但是寬度和深度都超過規范的要求，不影響儀器擺放所用的面積和學生操作對寬度的要求。

采用島式設計的目的是為了減少分組的數量，設9個島，每個島6個座位，整個實驗室可容納54個學生。這樣，配置9組實驗器材即能滿足需要，當然有條件的學校可以為每個島配置兩套器材，分組人數可減少到3人。如果不使用以上兩套設備，這樣的實驗室設置是不是浪費了呢？當然不會，前面提到有些實驗小組人數就是6人，而且還有很多的討論、活動等，只要不需要使用水的實驗都可以用這個實驗室。

生物技術實驗室（見圖3）

生物技術實驗室最大的特點是節省空間，僅由4個島組成，節省的空間一是增加了桌子的寬度，桌子的規格是長3.6米，寬1.5米，中間設置30毫米寬的試劑架，非常適合選修一上百種試劑的需要。每邊座6個學生，每個學生的有效操作面積是600毫米×600毫米，比《規范》規定的面積還大。另一個節省出的空間的用處是設置了長達4米的邊臺，邊臺上可以擺放多種的公共儀器設備，如水浴鍋、離心機、電泳儀、PCR儀等。4個實驗桌周圍的走道非常寬，完全符合有關標準的要求，學生進出和教師巡視也很方便。

組織培養室（見圖4）

組織培養室共設緩沖區、培養區和接種區，與生物技術實驗室配合使用（準備區），形成完整的組織培養4個區域。該室在規范中是規劃建議的，所以沒有條件的學校可以和生物實驗室合建，由此造成實驗室容量減少，可由分撥實驗來彌補。

生物數字化網絡實驗室建設

建設生物數字化網絡實驗室是基于以下幾個方面的考慮。

顯微數碼互動系統的使用

顯微鏡從被發明的17世紀開始，一直都是生物研究和教學的重要工具。由于顯微鏡只能供單人觀察，于是顯微鏡圖像共享就成了教師的普遍追求。顯微數碼互動系統把信息技術與傳統的實驗室課堂教學結合起來，不但實現了圖像共享，而且為圖像的貯存、再現與遠距離傳輸提供了可能，更可貴的是還可實現師生間的互動，為激發學生的興趣、提高學生的學習主動性、提高效率都起到明顯的促進作用。

圖3

圖4

目前高中分組多，實驗室通道狹窄，教師很難關注到每一組顯微實驗的的實際情況，因此也就很難進行個別小組的指導。數碼顯微互動實驗系統的引入，有效地解決了這個難題，教師在終端計算機中可以同時看到每組學生的操作情況，并且可以根據每組學生的具體情況，進行指導。學生的操作能力有大小，實驗速度參差不齊，這樣通過網絡，暫時得不到實驗結果的學生可以分享到進展快的學生的結果，達到交流的目的和效果。除此之外，教師可以利用配套的操作軟件，將事先準備好的顯微形態結構、動物行為和生命活動等進行數碼攝像，貯存于計算機內，待需要時通過多媒體投影到學生的課堂銀幕上或每組學生的計算機終端上，以克服學生因操作水平差異而造成的不良實驗效果，讓每位學生都能觀察到應該觀察到的微觀形態結構及生命活動情況。其次，該系統為同一實驗內容采用不同的實驗方法提供了硬件上的支持。采用不同實驗方法是探究的基礎，是新課程的亮點，不同的實驗方法結果可能相同也可能不同，就需要討論，數碼顯微互動實驗系統為展示實驗過程和實驗結果提供了方便。因此，概括地說，數碼顯微互動實驗系統有利于教師與學生的交流，有利于學生與學生之間的交流，有利于教師示范與指導，有利于提高全體學生實驗的水平。

計算機數據采集處理系統

最早的計算機數據采集處理系統是應用于物理學的，因為物理實驗能夠充分地運用該系統強大的數據測量與記錄、圖形呈現與分析的功能。這幾年在生物學科也得到了比較普遍的應用，根據我們的研究，該系統在生物學科的運用有如下的優點。

①在有數據測量與記錄的實驗中表現出相當的優勢，尤其是那些需要連續記錄的實驗，如一些生理過程，既可測量反應物濃度的變化，也可測量產物濃度的變化來推斷反應的情況。

②大大提高實驗效率，如光合作用的實驗。

基于計算機數據采集處理系統在生物實驗中的意義，國際及國內都表現出逐漸擴大使用的趨勢。該系統和顯微數碼互動系統共同使用一套計算機網絡，大大節約成本。

要加速該系統在生物學科中的應用，應在課程實驗設計上、該系統使用的方便性上以及常規方法難以達到的不可替代性實驗開發上下工夫。

數字切片

采用數字切片掃描系統，對優質的切片進行掃描，通過計算機自動對各部分的掃描圖進行拼接，形成該張切片的全景圖像，這就是數字切片。通過特定的觀察軟件，在計算機上可以模擬真實顯微鏡觀察來觀察和學習這張切片。它有幾方面的特點。

①改變了傳統的切片的呈現方式，突破了時間、空間和觀察工具的限制，學生可隨時觀察使用。

②由于圖像來源于優質切片，所以圖像質量具有典型性，有利于教學質量的提高；

③能提供更加豐富的資料，如切片背景、圖像標注等，方便學生的自主學習。

④學生在學習過程中，還可利用計算機的優勢獲得更加豐富的手段，如兩張數字切片的比較、細胞大小測量等。

以上就是建設生物數字化網絡實驗室的內容，將來利用該實驗室進行實驗教學的內容還有虛擬實驗、網絡教學等。該實驗室無疑將促進“實現教學內容的呈現方式、學生的學習方式、教師的教學方式和師生互動方式的變革，充分發揮信息技術的優勢，為學生的學習和發展提供豐富多彩的教育環境和有力的學習工具”的落實。■

（作者單位：教育部教學儀器研究所）