新視角：以數字化實驗系統來優化傳統生物實驗教學

費偉虎

摘 要：隨著科技的進步，傳統生物實驗中的一些短板正在被新型的數字化實驗系統所彌補，以傳感器、數據采集器、計算機和相關軟件組成的數字化實驗系統可以發揮更多的優勢，彌補課堂教學的限制，以另一種面貌呈現出生物實驗教學的新趨勢。

關鍵詞：傳感器; 數據采集器; 數字化實驗; 傳統生物實驗

中圖分類號：G633.91? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ?文章編號：1006-3315（2019）11-026-001

生物學是一門以實驗為基礎的學科，隨著科技的進步和教學的發展，出現了數字化的實驗系統，它使傳統生物實驗中難以進行定量測試的實驗得以用數據、圖像直觀的表現出來;能夠把難以在當堂完成的實驗得以完整的開展。以數字化實驗系統與傳統生物實驗教學相結合將是生物實驗教學發展的新方向。

一、數字化實驗系統的界定

基于傳感器的數字化實驗系統是由計算機及配套軟件、傳感器、數據采集器三部分構成的。配套軟件含有相關的分析、顯示功能，能夠將測得的數據以曲線、柱形圖、表格等多種形式顯示出來。使用時仍需要傳統的實驗儀器與之配合，才能獲取信號并轉化[1]。

二、數字化實驗系統對傳統實驗優化的教學案例

適當的運用數字化實驗系統對傳統生物實驗教學進行優化，能夠很好的彌補傳統實驗教學中的不足。以下將蘇教版生物學七年級上冊“7.1能量的釋放和利用”為例講述。

教學片段，探究一：“探究植物呼吸過程中氣體的變化”的疑問

實驗1：驗證植物呼吸消耗氧氣

根據蘇教版生物學七年級上冊第112頁圖7-2植物的呼吸實驗（二），圖甲中沸水處理過的菠菜甲瓶中蠟燭火焰正常，而圖乙中新鮮菠菜在的乙瓶中蠟燭火焰燃燒不旺，火焰變小。

提出問題：乙瓶中火焰變小的原因可能是哪些？

學生討論，學生甲得出：乙瓶中由于氧氣變少導致了火焰變小。

生乙：乙瓶中的二氧化碳會增多也可能導致火焰變小。

生丙：可能既有氧氣變少也有二氧化碳增多兩種情況一起導致火焰變小。

師：非常好，大家分析的很準確。按照我們剛才強調實驗單一變量原則，這個實驗的做法就不嚴謹了。所以我們重新設計實驗。

重新設計實驗解決疑問。由教師展示并介紹實驗器材及數字化實驗系統，著重介紹二氧化碳和氧氣傳感器;學生觀察各裝置。

師：請同學們想想利用這兩種傳感器后，還需要分別檢測這兩種氣體的含量變化嗎？

生：不需要，可以同時觀察這兩種氣體在種子呼吸作用過程中的變化。

師：很好，請大家選擇合適的實驗裝置進行設計安裝。

師生合作：引導學生上前動手安裝實驗裝置，并罩好罩子，然后點擊軟件的“開始”按鈕。同時觀察軟件顯示的曲線變化趨勢，分析豌豆在進行呼吸作用時的氣體變化。

生：可以從屏幕上直觀的看到氧氣含量這條曲線正在下降，二氧化碳含量這條曲線正在上升。得出結論：植物在呼吸過程中氧氣會減少，二氧化碳會增多。

教學片段，探究二：探究種子呼吸過程中釋放熱量

師：探究種子呼吸過程中釋放熱量，由于使用普通溫度計測量時精度較差，是一個較緩慢的過程，所以需要較長時間才能看出效果。

師：根據前面的實驗，我們同樣可以用溫度傳感器來替代普通溫度計。

師生合作：用溫度傳感器替代溫度計，并連接數據采集器和電腦，打開軟件，等溫度穩定后點擊開始，觀察溫度的變化。

師：大家看到了什么？

生：能夠直接在屏幕上看到溫度這條曲線在逐漸上升，溫度值在逐漸升高。

師：聯系探究一的實驗，你們可以得出什么結論嗎？

生：種子萌發的過程不斷的在進行著呼吸作用，呼吸作用過程中除了會消耗氧氣，產生二氧化碳和水以外，還會釋放熱量。

三、小結與體會

（一）小結本案例

在此教學實例中，把驗證性實驗改成探究性實驗，更容易激發學生的學習興趣，并能看出數字化實驗系統中的幾個優點：

1.實驗一和探究二中的實驗都需要處理24小時左右，在傳統實驗教學中必須前期做好準備，而數字化實驗系統得益于傳感器的精確程度高，能在較短時間內就測量出實驗中氣體含量的變化以及種子萌發過程中溫度的微小變化，并可以直觀的看出數據的變化趨勢。

2.實驗一的乙瓶火焰變小原因存在疑惑，在傳統實驗教學中以定性表達為著重點，但會出現疑惑，而借助數字化實驗系統就可以避免出現此類情況，以直觀的數據和曲線直接表達出實驗中植物進行呼吸作用過程中氣體含量的變化。消除疑惑，直觀而準確的表達。

3.數字化實驗系統可以直接把植物呼吸過程中兩種氣體的變化在一次實驗中就完成了，比傳統實驗更為簡單更具說服力。

4.探究種子萌發過程中釋放熱量的實驗，在傳統實驗中由于呼吸作用過程是一個微觀過程，種子釋放熱量也是積少成多的，所以這個觀察過程需要長時間才能看出溫度的變化。現在使用溫度傳感器，就能在短時間內測出溫度的變化及趨勢。

（二）體會

1.優勢。數字化實驗與傳統實驗相比的突出優點是實驗操作步驟變的簡單、操作時間減少，從而增加了學生的探究時間，實驗的結果直接以曲線形式展現形象直觀，可以將定性實驗變為定量實驗，提高了實驗的準確度，實驗過程和結果可以重復觀看和分析，課堂時間內完成傳統實驗不易完成的實驗。[2]

2.數字化實驗教學的劣勢。①長期使用數字化實驗系統會使學生處理數據的能力和動手能力有所減弱。②傳感器的種類以及能夠運用數字化實驗進行教學的內容不多。③數字化實驗設備價格昂貴，大面積推廣還需要應地制宜。

總之，基于傳感器的數字化實驗系統作為一種全新的實驗教學工具與傳統實驗教學相比具有新的功能優勢，但也同樣存在不足之處，所以教師在實驗教學過程中可以利用數字化試驗系統來對部分傳統實驗進行優化，根據實際情況合理使用數字化實驗。

參考文獻：

[1]喻金龍.高中物理DIS實驗基礎與拓展研究[D]上海：上海師范大學，2011：6

[2]張鳳.基于傳感器技術的數字化實驗在高中生物實驗教學的應用研究[D]內蒙：內蒙古師范大學，2016