數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)在優(yōu)化じ咧猩物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐探討

孫堅(jiān)

【內(nèi)容摘要】實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高中生物教學(xué)的重要組成部分，為有效提升高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，教師在教學(xué)改革中嘗試將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)融入日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。因此，文章結(jié)合數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的基本概念，及其優(yōu)化高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的優(yōu)勢，對如何在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中實(shí)踐數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)展開分析，旨在利用更為新穎、數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)方法，激發(fā)學(xué)生對生物實(shí)驗(yàn)的興趣，保障高中生物教學(xué)效果。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化 實(shí)驗(yàn)技術(shù) 高中 生物 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

高中生物教學(xué)屬于高中階段的基礎(chǔ)性教學(xué)，實(shí)驗(yàn)是學(xué)生學(xué)習(xí)、運(yùn)用生物知識的方法之一。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)在高中生物教學(xué)中的滲透，是利用自身快速、直觀的特點(diǎn)，準(zhǔn)確地為學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果或數(shù)據(jù)，幫助學(xué)生在知識探究中總結(jié)實(shí)驗(yàn)規(guī)律，使學(xué)生在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中更為高效的內(nèi)化生物知識，掌握必要的生物實(shí)驗(yàn)技能。

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)相關(guān)概述

高中生物實(shí)驗(yàn)是高中生接收生物知識、掌握生活學(xué)技能的重要渠道，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)屬于新型的生物實(shí)驗(yàn)技術(shù)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的核心組分為數(shù)據(jù)采集裝置、傳感器，其中傳感器是人類感知覺、感官的擴(kuò)展，在利用傳感器測量出聲音強(qiáng)弱、環(huán)境或土壤內(nèi)酸堿度、光照強(qiáng)度后，教師可將其作為學(xué)生的“感覺中樞”，為學(xué)生更為直觀的呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[1]。計(jì)算機(jī)、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的主要實(shí)踐載體，可為高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供功能完善的數(shù)據(jù)處理程序，增強(qiáng)高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，使教師能夠在良好的條件下有序地進(jìn)行生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)。在此期間，計(jì)算機(jī)的Windows系統(tǒng)可支撐數(shù)據(jù)開發(fā)（DataStudio）類程序的運(yùn)行，用數(shù)字、圖表、曲線等方式呈現(xiàn)生物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而學(xué)生可根據(jù)程序內(nèi)分析工具，高效的分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，保障高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量。

二、高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的實(shí)踐價(jià)值

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有著不可忽視的優(yōu)勢，具體可體現(xiàn)在兩方面。一方面，傳統(tǒng)高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生通常需要用眼睛、紙張觀察并記錄數(shù)據(jù)，且實(shí)驗(yàn)只能在室內(nèi)進(jìn)行。甚至少數(shù)學(xué)校因?qū)嶒?yàn)設(shè)備不足，讀取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)間較長，同時(shí)無法確保生物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)讀取的準(zhǔn)確性，從而使學(xué)生在分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)的誤差較大，無法更為系統(tǒng)地掌握高中生物知識[2]。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室可在具體應(yīng)用中，直接利用傳感器采集所測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，將其傳輸至教室內(nèi)多媒體設(shè)備、計(jì)算機(jī)上，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，有利于提高學(xué)生分析、記錄數(shù)據(jù)的便捷性，確保生物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理的準(zhǔn)確性。因此，為優(yōu)化高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有效培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科素養(yǎng)，教師需正確看待數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，將其滲透在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使學(xué)生在生物知識的探究、實(shí)驗(yàn)中高效率的內(nèi)化生物知識，構(gòu)建完整的高中生物知識體系。

另一方面，將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可實(shí)現(xiàn)學(xué)會操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的同步呈現(xiàn)，使學(xué)生直觀感知實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)的變化。在采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)可在保證高中生物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性的基礎(chǔ)上，確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性，幫助學(xué)生及時(shí)完成高中生物實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)任務(wù)，降低實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難度，避免學(xué)生因?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)操作難度較大而產(chǎn)生厭煩心理。不僅如此，在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)可憑借自身新穎的呈現(xiàn)方法，吸引學(xué)生注意力，激發(fā)學(xué)生對生物知識學(xué)習(xí)的興趣，懂得在生物實(shí)驗(yàn)活動中積極地參與課堂互動，解決生物教學(xué)中的實(shí)際問題，提高高中生物教學(xué)水平[3]。

三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)踐策略

1.結(jié)合學(xué)生實(shí)際情況，設(shè)計(jì)數(shù)字化生物實(shí)驗(yàn)

教師在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)踐數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)時(shí)，應(yīng)結(jié)合學(xué)生在生物實(shí)驗(yàn)中的具體情況，針對性的數(shù)字化的高中生物實(shí)驗(yàn)。因此，教師應(yīng)根據(jù)生物課本內(nèi)教學(xué)內(nèi)容、學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度，選擇是否可應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。原因在于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)雖然在生物實(shí)驗(yàn)中有著較大優(yōu)勢，但無法徹底的替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，所以教師需要結(jié)合具體的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)對原有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化與補(bǔ)充，滿足學(xué)生在采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)的基本要求[4]。

例如在學(xué)習(xí)“細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系”的相關(guān)知識時(shí)。學(xué)生需要通過實(shí)驗(yàn)，了解細(xì)胞大小，即細(xì)胞體積、表面積的比例，及其與物質(zhì)運(yùn)輸效率的關(guān)系，從而分析細(xì)胞不可能無限長大的原因。教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)中，利用數(shù)據(jù)采集器、電導(dǎo)率傳感器、電腦、天平、燒杯、攪拌棒等設(shè)備將其設(shè)計(jì)為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，并提前準(zhǔn)備蒸餾水、瓊脂、NaCl等材料。學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，需將瓊脂塊放入1000ml的清水中，隨后加入12～13g的瓊脂粉，待其溶解后，倒入40g的NaCl，攪拌直至誰燒杯內(nèi)的材料沸騰。沸騰后將其冷卻為固體瓊脂。將固體瓊脂劃分為相同大小的瓊脂塊后，連接傳感器、數(shù)據(jù)采集器等實(shí)驗(yàn)儀器，采集實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析中所需的數(shù)據(jù)。分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，學(xué)生可在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中直觀地查看瓊脂塊體積變化的曲線圖，從而得出細(xì)胞相對表面積越大，其物質(zhì)運(yùn)輸效率越大的結(jié)論。上述案例中，教師在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的實(shí)踐中，按照本節(jié)課的教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生能夠在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的幫助下，更為直觀、高效地完成實(shí)驗(yàn)，掌握實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重點(diǎn)內(nèi)容，對提升高中生物教學(xué)質(zhì)量意義重大[5]。

2.優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程，直觀呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

高中生物教學(xué)中數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的核心在于傳感器、計(jì)算機(jī)的聯(lián)合應(yīng)用，所以在優(yōu)化傳統(tǒng)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程，直觀呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)。教師可從多角度分析生物實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)采集方法，將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)程序、系統(tǒng)滲透在生物實(shí)驗(yàn)流程中，幫助學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行信息、數(shù)據(jù)交流，總結(jié)歸納實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)資源的整合中，快速地找出生物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)變化規(guī)律，隨后對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行定性分析，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析的可靠性[6]。除此之外，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)可利用曲線、圖表展示實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，教師在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，可利用該技術(shù)突出展示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，深化學(xué)生情感體驗(yàn)。

以“影響酶活性的條件”這節(jié)實(shí)驗(yàn)課為例。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中需掌握“探索影響酶活性的條件的方法”，知道在不同溫度、pH酸堿度條件下，氧化氫酶在催化后的水解情況。實(shí)驗(yàn)過程中，教師需準(zhǔn)備氧氣傳感器、試管夾、量筒、三腳架、試管、酒精燈、石棉網(wǎng)、大小燒杯、溫度計(jì)等實(shí)驗(yàn)用具。在給試管編號后，教師知道學(xué)生在1號、2號、3號試管中倒入可溶性淀粉液，搖勻后依次加入37攝氏度的水、沸水、放有冰塊的水中，保持5分鐘后。滴入碘液，分別搖勻三個(gè)試管，記錄試管中溶液顏色變化，同時(shí)利用氧氣傳感器，直接測試1號、2號、3號試管中壓強(qiáng)的變化，將測試數(shù)據(jù)整理為曲線圖，傳輸至PPT上，組織學(xué)生按照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析不同條件下酶活性的變化值，學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)中的生物實(shí)驗(yàn)知識。教師在實(shí)驗(yàn)過程中，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)優(yōu)化傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)流程，可降低生物實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集、記錄與分析難度，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的直觀呈現(xiàn)中，有效內(nèi)化教學(xué)內(nèi)容，對生物實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生興趣[7]。

3.改進(jìn)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法，引導(dǎo)學(xué)生主動探究

學(xué)生作為高中生物課堂的主體，教師在實(shí)踐數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)時(shí)，還應(yīng)在改進(jìn)傳統(tǒng)生物實(shí)驗(yàn)方法的前提下，引導(dǎo)學(xué)生主動探究。具體來說，教師應(yīng)設(shè)計(jì)數(shù)字化生物實(shí)驗(yàn)時(shí)，應(yīng)以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為載體，聯(lián)系學(xué)生熟悉的生活情境、游戲情境，融合小組合作、自主探究、任務(wù)驅(qū)動等教學(xué)方法，促使學(xué)生在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)過程中主動探索問題、發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的問題，借此培養(yǎng)學(xué)生知識探究、問題解決能力[8]。

例如在“光合作用的原理和應(yīng)用”的學(xué)習(xí)中，學(xué)生需要通過實(shí)驗(yàn)探究活動，分析環(huán)境因素、光合作用的基本關(guān)系。在學(xué)生了解光合的應(yīng)用等基本概念后，教師啟發(fā)學(xué)生總結(jié)光合作用強(qiáng)度的概念，學(xué)習(xí)CO2+H2O=（CH2O）+O2這一光合作用的表示方法，知道單位時(shí)間內(nèi)，光合作用會產(chǎn)生二氧化碳、氧氣、糖類。了解實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)知識后，教師請學(xué)生拿出提前撿拾的樹葉，用打孔器在樹葉上打出直徑為1厘米左右的小孔，但需避開葉脈。完成后，將圓形的葉片放入水中，抽出葉片周圍的氣體。之后，教師將學(xué)生分為4個(gè)小組，請2組學(xué)生將燒杯放在40W的臺燈下，另外兩組學(xué)生將燒杯放在暗處，然后用溶解氧傳感器記錄燒杯所釋放的氧氣，生成曲線圖，幫助學(xué)生分析環(huán)境對光合作用強(qiáng)度造成的影響。實(shí)驗(yàn)過程中，教師在設(shè)計(jì)數(shù)字化生物實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用學(xué)生熟悉的生活素材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并通過小組學(xué)習(xí)、自主探究與思考等方式，調(diào)動學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的積極性，讓學(xué)生在溶解氧傳感器的幫助下，清晰的了解實(shí)驗(yàn)中的變化，探究生物實(shí)驗(yàn)規(guī)律，從而提高學(xué)生在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的學(xué)習(xí)能力。

結(jié)語

綜上所述，為發(fā)揮高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)對學(xué)生內(nèi)化生物知識、掌握生物學(xué)科技能的積極作用，教師應(yīng)將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，從而通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、分類整理功能，提高學(xué)生采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的效率。但是為確保高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)方案的可行性，教師在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)踐中，仍需深入分析高中生生物學(xué)科特點(diǎn)、學(xué)生認(rèn)知特點(diǎn)，采用多樣化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，增強(qiáng)高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)效性，提出數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用優(yōu)勢。

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（作者單位：江蘇省口岸中學(xué)）