數碼顯微互動教學系統在生物實驗教學中的應用研究

喬玄

摘 要：實驗教學是高中生物教學的難點，而數碼顯微互動教學系統的建立，對提高實驗教學質量和教學效率有很大的推動作用。“探究培養液中酵母菌種群數量的變化”探究實驗，涉及多種實驗方法和實驗能力的訓練，教師應在數碼顯微互動系統的平臺上，對傳統教材實驗方案進行改進和分析，優化實驗課程內容，發揮信息技術的教育作用。

關鍵詞：生物教學;數碼顯微鏡;互動教學;實驗課;模型構建

中圖分類號：G633.91 文獻標志碼：A文章編號：1008-3561（2020）18-0118-02

數碼顯微互動系統是基于數臺光學顯微鏡的圖像采集和匯總顯示系統，使實驗中涉及顯微觀察的部分有了重大的技術改革。數碼顯微互動教學系統已經越來越多地被引入到生物實驗教學中，如何科學合理地將數碼顯微互動教學系統與生物實驗教學進行整合，已成為教師亟須解決的問題。本文以“探究培養液中酵母菌種群數量的變化”實驗為例，論述在實驗教學中對數碼顯微互動教學系統的應用策略。

一、數碼顯微互動教學系統在生物實驗教學中的應用背景

生物是一門自然科學，實驗是其非常重要的研究方法和手段。很多高中生物學知識都是通過實驗總結出來的，通過實驗教學可以培養學生觀察、操作的基本技能，促進學生嚴謹的科學態度和價值觀的形成。因此，實驗對于生物的學習來說，不僅是一種學習形式的變更和思維方式的訓練，更是為以后進行生物研究做良好的鋪墊。新課程標準在實施和建議中明確指出應“加強和完善生物實驗教學”。因此，教師應該明確實驗在生物教學中的地位。在信息技術時代，新課標倡導將現代教育和通信技術應用于課堂教學。隨著科學技術的發展與普及，多樣的信息技術手段也逐步進入了課堂，為教學改革提供了有力的支持。但是相對于計算機、網絡等技術的發展水平和進步的態勢，這些技術在生物教學領域的應用潛能尚未充分體現。數碼顯微互動實驗室是以計算機網絡技術為基礎，連接多臺生物數碼顯微鏡及其他輔助設備等建立的生物學實驗教學系統。該系統的建立，可使傳統實驗教學方式發生歷史性轉變，對提高教學質量和教學效率有很大推動作用，但是這種新技術在實驗教學中的應用潛能還有待進一步開發。

二、數碼顯微互動教學系統在生物實驗教學中的應用策略

探究培養液中酵母菌種群數量的變化選自人教版高中生物必修3第4章第2節“種群數量的變化”，是其中的一個探究活動，目的是讓學生通過探究培養液中酵母菌種群的動態變化，建立數學模型，分析酵母菌種群變化規律。本節實驗課涉及的實驗內容較多，其中重難點是顯微鏡計數操作以及模型構建的內容。基于數碼顯微教學互動系統平臺的實驗課，極大地體現了現代化信息技術在實驗教學中的優勢：簡單高效地監控教學實驗過程的同時，還可以直觀呈現實驗現象;通過對操作平臺強大功能的開發，探索了新的計數方法，既解決了傳統計數方法操作上的困難，也培養了學生的創新精神;顯微鏡配備的平板電腦在課堂上引入了電子化數據分析方法，極大地提高了課堂效率。下面，談談如何利用數碼顯微互動教學系統開展生物實驗教學。

1.利用數碼顯微互動教學系統進行教學示范

傳統顯微鏡教學過程中最大的問題是教學示范難以完成，實驗結果不能夠直觀地呈現。使用傳統顯微鏡，無論是學生臺還是教師臺，即使調試出酵母菌、計數室的清晰圖像，也無法保證每位學生及時觀察，教師也不可能逐個去檢查每個小組的圖像結果。數碼顯微互動系統控制的軟件可提供清晰的多畫面實時顯示和豐富的交互手段，在解決上述問題的同時，還為實驗教學帶來了更大的便利。由于每臺顯微鏡都配備平板電腦，可以將顯微鏡下的微觀視野實時呈現到平板電腦上，學生不僅可以獲得更直觀的體驗，還可以拍攝圖片，進行錄像，極大地調動學習積極性。另外，對于教師而言，只需教師端的一臺電腦就可以同時控制學生端多臺數碼顯微鏡的操作情況，包括圖像顯示、捕捉和放大，不僅可以把自己的圖像傳送給全體學生，達到示教作用，也可以把任意一名學生的圖像推送到全體學生平板上進行示范。這樣，既增強了師生互動、生生互動，也提高了課堂教學效率。

2.利用數碼顯微互動教學系統進行微生物計數

目前微生物計數最常用的就是利用血球計數板完成，但血球計數板對學生來說是非常陌生的實驗器材，操作起來也特別困難。由于構成計數室方格網的線條加工得非常細、非常淺，而且是沒有顏色的，所以學生在使用過程中，往往要花費很長時間才能在顯微鏡下找到方格網，并且還需要在這些方格網中進一步分辨、找到其中的計數室，更是難上加難。而在預實驗的時候，幾乎沒有學生能獨立找到，這極大地影響了實驗進度。為此，教師查閱了很多文獻，反復實驗，在這種數字化顯微鏡教學系統的基礎之上摸索出了一種更為快速簡單的計數方法。

在使用數碼顯微鏡的過程中發現，可以在實時成像模式上直接測量某一微觀視野區域的面積。這項功能給教師很大啟發：血球計數板與普通載玻片最大的區別在于計數室，通過人為劃定網格線來確定計數室的面積和體積，但如果能直接測量微觀視野中的區域面積，那么僅使用普通載玻片也可以完成計數。這種方法操作起來更加簡單：直接將樣品滴加到普通載玻片上，依據樣方法的原理，在顯微鏡下的微觀視野中劃取多個樣方，求出每個樣方中酵母菌的平均數量，再通過蓋玻片面積，取樣量、稀釋倍數等相關數據，利用公式就可以計算出樣品中所含有的酵母菌總數，見下式。

分別用快速測定法和傳統的血球計數板法對同一樣品進行計數，通過分析結果發現，雖然新方法與血球計數板法相比，結果有差異，但用快速計數法對同一樣品重復計數，結果并沒有明顯差異，見表1。進一步采用快速計數法對不同培養時間的酵母菌樣品進行數量統計，繪制的曲線也符合典型的S型種群變化規律。

三、利用數碼顯微互動教學系統構建數學模型

本節實驗課的另外一個難點是構建數學模型。傳統的實驗方案是利用統計好的數據，在坐標紙上描點連線，繪制曲線圖。由于本節實驗課的數據量較大，如果采用傳統的方法構建數學模型，不僅煩瑣耗時，而且可能造成實驗結果的誤差。而在數碼顯微鏡的平臺上，學生完全可以采用電子化手段進行數據分析，直接在顯微鏡的平板電腦上利用Excel表格建構數學模型，只需輸入相關數據結果，酵母菌種群數量變化的曲線圖就會自動生成，不僅實驗結果更加準確，而且過程簡單快速。

總之，在數碼顯微鏡互動教學系統的平臺下，教師可充分借鑒國內外針對數碼顯微互動實驗室應用的相關教學經驗，借助電子信息化先進手段的優勢，對生物實驗課程方案中存在的問題進行分析，改進和優化生物實驗課程內容，使教學內容和教學方式多樣化，從而培養學生的創新精神和實踐能力。

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