以數字化實驗室為基礎的新技術在生物教學中的應用

李曉紅

數字化生物實驗室作為一種先進的實驗教學裝備，已經逐步進入了中學課堂，它不僅實現了信息技術與生物學實驗技術的有效整合，也是轉變學生學習方式的有效手段，是培養學生創新思維和實踐操作能力的有效途徑。先進的實驗教學設備，有利于改進實驗教學的模式、有利于實驗教學的開展，有利于提高實驗教學的效率，是實現生物學高效實驗教學的必備工具。 http：//www.xzbu.com/9/view-6687053.htm

一、數字化生物實驗室的組成

數字化生物實驗室是利用多媒體信息技術輔助生物實驗教學的實驗教學系統。我校的數字化實驗室包括顯微數碼互動系統、數字傳感器系統、虛擬實驗系統三部分構成。

二、數字化生物實驗室在高中生物實驗教學中的應用

（一）顯微數碼互動系統在高中生物實驗教學中的應用

1.教學中的優勢

顯微數碼互動系統在顯微實驗教學中具有以下主要優勢。（1）易于示教：可以將教師顯微鏡或學生顯微鏡視野中典型的圖像轉播到投影屏幕上或學生的電腦屏幕上，方便示范和講解。（2）便于指導：在教師的電腦屏幕上能監控每臺學生顯微鏡視野中的圖像，能夠及時發現學生實驗中的問題并給予指導。（3）互動性強：可以通過語音問答系統實現師、生之間或生、生之間的交流。

2.教學應用及評價

一是利用顯微數碼互動系統可將驗證性實驗改為探究性實驗，例如“觀察洋蔥表皮細胞的質壁分離及質壁分離復原”改進為“研究不同濃度的不同溶液對植物細胞吸水和失水的影響”，在實驗中學生可自行設計配置不同物質（如硝酸鉀、氯化鈉、蔗糖、乙二醇等）的不同濃度的溶液進行試驗，利用攝像功能記錄植物細胞在不同條件下吸水和失水的情況，利用測量功能測量液泡的大小，然后利用分析軟件進行比較分析。這樣的改進使得實驗的探究性更強了，學生活動也增多了，學生對物質運輸內涵的理解也會更深入。

二是在“觀察根尖分生組織細胞的有絲分裂”實驗教學中，使用一般的顯微設備教學時由于教師演示難、沒有實時監控、不能及時指導以及學生間無法互動交流等原因，實驗成功率一般比較低，而且時間比較緊很難在45分鐘內完成，使用顯微數碼互動系統則能夠很好地解決以上問題，明顯提高課堂效率，實驗成功率大大提高。

（二）數字傳感器系統在高中生物實驗教學中的應用

1.教學中的優勢

數字傳感器系統在高中生物實驗教學中的優勢主要表現在：一是可以使實驗中的不可見現象成為可見，把難以測定的數據變得方便測定，使定性實驗上升為定量實驗;二是能實時動態地采集實驗數據，展現生命現象的動態過程;三是用傳感器測得的數據比較精確，且靈敏度高，能夠檢測捕捉微弱的變化;四是實驗數據通過相應軟件處理，可以自動生成圖表，簡便、快捷、直觀。

2.教學應用及評價

（1）在高中生物《酶的催化效率》一節中，我們通常用觀察和比較不同試管內氣泡產生的數量和衛生香的復燃情況，得出酶具有高效性的結論，是一個定性的實驗。利用壓強傳感器可以把這一實驗改進成為定量實驗，傳感器將實驗數據通過采集器傳送到電腦上，電腦將這些數據以曲線圖像的形式呈現出來，提高了實驗數據的精確度和可信度，學生分析實驗現象評價實驗結論更加準確、科學。

（2）光合作用是高中生物教學的重點和難點，且學生很難對其進行探究，主要原因是光合作用和呼吸作用往往是同時進行的，而這兩個生理過程的主要宏觀變化都是CO₂和O₂氣體體積在密閉容器內的變化，用肉眼難以觀察，一般實驗設備難以測定。如果利用CO₂和O₂傳感器去測量實驗環境中CO₂和O₂的真實變化量，再利用數據采集器收集數據，利用相應的軟件進行加工處理，整個實驗過程以曲線圖的形式呈現，給學生以感性的認識，加上教師理性的分析和講解，那么這個教學難點就很容易突破。我們還可以配合溫度傳感器、光照強度傳感器來研究影響光合作用的因素。

（三）虛擬實驗系統在高中生物實驗教學中的應用

1.教學優勢

虛擬實驗系統在教學中的優勢體現在多個方面。

（1）為學校節約開支：（2）突破了時間和空間的限制：（3）強化知識和技能。

2.虛擬實驗室應用評價

一是在高三總復習對教材實驗的復習中，很多教師以往就是對照教材進行理論講解和總結。學生積極性不高，學習效果較差。后來我們采用了讓學生在數字化生物實驗室的自主學習《高中生物虛擬實驗室》的課本實驗，學生可在虛擬的實驗情景中一步一步地“做”下去，像是在玩闖關游戲一樣，在輕松愉悅中復習了實驗課的內容，掌握了實驗的主要操作步驟，通過反饋系統自查自糾對實驗操作的掌握程度。這樣的復習充分調動了學生學習的積極性，取得了非常好的學習效果。

二是虛擬現實技術可通過自然的交互方式，將抽象的學習內容可視化、形象化，為學生提供傳統教材無法實現的沉浸式學習體驗，提升學生獲取知識主動性，實現更高的知識保留度。如在學習《孟德爾定律》時，讓學生到數字化生物實驗室中，借助《虛擬孟德爾遺傳實驗》（網絡資源，作者為肖建富、李苗珍）進行教學，學生在虛擬科學家的指導下，可自由選擇豌豆的1～6對相對性狀，自主確定雜交操作的不同步驟順序，反復進行虛擬的正交、反交試驗，而系統模擬的實驗結果，可供學生分析、總結遺傳規律。

總之，數字化生物實驗室可以在常規實驗的基礎上更加精確的反應實驗結果，能有效改變傳統的生物實驗教學模式，激發學生的學習興趣，提高課堂教學效率，在生物實驗教學中優勢明顯，在高中生物實驗教學中有巨大的應用前景。作為一個更加科學的實驗過程，相信數字化實驗和多媒體的結合會在不久的將來得到廣泛的使用。