基于DIS技術的生物學實驗操作智能考評系統的研究

王 輝 （深圳市南山區華僑城中學 廣東深圳 518053）

1 實驗操作考評現狀調查

在基礎教育中，實驗教學的落實情況歷來為素質教育倡導者所擔憂，有很多單位和個人對中學生物學實驗教學現狀進行過相關研究［1-2］。為了全面培養生物學科核心素養，落實素質教育，達到以考促教的目的，不少省、市都在嘗試進行理科實驗操作考試。例如廣東、江蘇、河南、山西等地組織初中生進行理科實驗考試。研究其組織形式，大多是一個考室安排多名監考教師，一對一或一對多監考學生的實驗操作過程，面對考生現場評價，考生對評價結果認同后簽字的模式。太原市和中山市等地對考生的操作過程全程錄像，對成績有異議的考生，可以通過回看視頻再次評價。

研究各地教育部門的相關文件，例如《鄭州市教育局關于做好2015年中招理化生實驗操作考試工作的通知》特別強調：“……（二）要采取措施，公平公正。一是要加強監考人員的紀律教育，完善監督機制。二是要加強監考教師的業務培訓，使監考教師充分掌握評分標準，做到評分尺度統一，確保監考和評分工作公平、嚴肅。”從上述文件中可以看出，如何公平公正地考評學生的實驗操作，更值得探索。

2 DIS 技術在生物學實驗中的應用

DIS 實驗系統已為大家所熟知，在生物學實驗教學中也有一些探索： 例如探究不同pH 值對過氧化氫酶活性的影響［3-4］、探究光照強度對光合作用速率的影響［5］。本文介紹2 個本校在課題研究（廣東省教育研究院教育研究課題——高中生物學實驗操作考試研究與實踐） 中的研發案例：探究植物細胞的失水和吸水；檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質。

使用DIS 實驗系統，不僅可優化部分傳統實驗，還能降低教學難度，幫助解決一些傳統實驗手段不能解決的問題。它讓實驗過程演示得更精確、直觀、具可比性，這些都是傳統實驗無法比擬的優越性［6］。

3 DIS 實驗操作智能考評系統的研究思路和案例

3.1 DIS 實驗操作智能考評系統的研究思路依據現行中學生物學教材的實驗課題，突破傳統的實驗手段和方案設計，利用傳感器實時檢測學生實驗操作的關鍵步驟和結果呈現。采集數據，根據課題的需要尋求相應的算法，經過大量實驗進行數據統計，在相應的軟件中預設標準和容錯范圍，設置賦分點，對學生的實驗過程和結果給出準確的評價（數據檢測點的設置及賦分參考圖2、圖4）。實驗數據在后臺留存備查。

DIS 技術更接近當前科技發展現狀，對于培養學生科學素養更為有益。與傳統實驗操作考試相比，實驗操作智能考評系統既針對結果，又注重過程；評價準確、客觀、公正；能克服人力評價的各種不足，并提供考生及其家長進行成績異議復查的客觀依據。

測試發現學生能在30 min 左右適應考評系統，效果超出預期。

3.2 DIS 實驗操作智能考評系統的研究案例

案例1：探究植物細胞的吸水和失水實驗。

這是教材中的一例典型生物學實驗： 既有顯微鏡的使用，又有對學生探究能力的培養。鑒于實驗操作考試時間的要求，本案例僅選取探究失水部分進行研究。

本案例研發的數據采集系統通過傳感器檢測材料試劑的取用情況、引流操作和顯微圖像的識別處理等環節。評價學生臨時裝片的制作、顯微鏡的使用、引流法的操作要領和準確辨識細胞的質壁分離狀態等基本能力。評價要點及賦分情況詳見圖2。

1）材料用具：教材中材料用具（略），DIS 實驗操作考評系統（圖1，包括課題研發的質壁分離實驗數據采集系統和相應軟件、數碼顯微鏡）。

2）方法步驟：①連接數據采集系統和數碼顯微鏡，打開顯微鏡電腦桌面上的考評系統，輸入考號登錄進入操作界面。②數碼顯微鏡對光—制作臨時裝片—顯微觀察—采集紫色表皮細胞圖像并上傳。③引流操作： 從蓋玻片的一側滴加蔗糖溶液，在蓋玻片的另一側用吸水紙吸引，重復幾次。④顯微觀察—采集發生了質壁分離的細胞圖像并上傳。⑤上傳實驗結果，依據賦分情況（圖2）反思實驗得失。關閉考評系統，整理實驗臺。

案例2:檢測生物組織中的糖類、脂肪和蛋白質。

本案例研發的數據采集系統通過傳感器檢測試劑取用情況，采集并比對組織樣液反應前、后的顏色變化。考查學生對生物材料中含有的有機成分、檢測試劑的選擇與使用，顏色反應是否正確等知識和技能的掌握情況。鑒于已有案例1 的研究和實驗操作考試時間的要求，僅對檢測生物材料中的有機物部分進行探索。

該系統也可用于其他試劑顏色反應類實驗，例如酵母菌發酵產生酒精的檢測，粗提取DNA 的鑒定；還可用于自制酸堿指示劑、溶液酸堿性的檢驗、苯酚的性質和蛋白質的性質等化學實驗。

1）材料用具：教材中材料用具（略）。DIS 實驗操作考評系統（圖3，包括課題研發的試劑顏色反應類實驗數據采集系統和相應軟件、電腦）。

2）方法步驟：①連接數據采集系統和電腦，打開電腦桌面上的考評系統，登錄進入操作界面。②檢測生物組織中的還原糖。考生自主選取生物材料，加入試管并采集顏色上傳—加入相應的檢測試劑—水浴加熱2 min—采集顏色并上傳。③檢測生物組織中的淀粉（脂肪、蛋白質）。考生自主選取生物材料，加入試管并采集顏色—加入相應的檢測試劑—采集顏色。④上傳實驗結果，依據賦分情況（圖4）反思實驗得失。關閉考評系統，整理實驗臺。

4 結語

《普通高中生物學課程標準（2017年版）》指出：“生物學……在微觀與宏觀2 個方向的發展都非常迅速，并且與信息技術和工程技術的結合日益緊密，正在對社會、經濟和人類生活產生越來越大的影響。”DIS 實驗技術應用于基礎教育實驗教學，勢必突破傳統的實驗手段和方案設計。也有研究者擔憂中學生實驗操作能力，繪制生物圖的能力必然會下降。這些都與普通高中生物學課程標準（實驗）的能力要求相違背。其實有些生物學實驗課題由于實驗對象、實驗時間跨度和實驗方法等特點的限制，很難應用傳感器進行研究，例如調查人類遺傳病、調查土壤小動物類群豐富度等調查類實驗，細胞結構模型構建等模型構建類實驗，還是能對學生能力的全面發展有更好的互補作用。

傳感器廣泛應用于人類生活和社會發展的各個領域，例如家用電器、工業自動化、農業現代化、機器人技術、醫療診斷、軍事工程、航天技術等。讓傳感器走進學生的學習活動，走進課堂，有利于整體提高學生的科學素養和進行探究實踐。希望本文的研究能起到一點推動作用。