Excel軟件在高中生物學實驗教學中的應用研究

林建春 （浙江省溫州市洞頭區第一中學 浙江溫州 325700）

Excel軟件擁有直觀的界面、出色的計算和繪制圖表功能，使其成為最實用的個人計算機數據處理軟件。在高中生物學實驗教學中，定量分析實驗始終離不開數據的統計、處理和分析。通過應用Excel 軟件，可實現數據的快速處理、生成和可視化等多方面用途。本文基于高中生物學實驗教學實踐經驗，以浙科版高中生物學教材中的多個實驗為例，闡述Excel 軟件在高中生物學實驗教學中的應用，以期將其推廣應用于生物學實驗教學中。

1 利用圖表工具實現實驗數據可視化

定量實驗通常需要進行記錄、整理和分析實驗數據，有助于學生體驗科學探究過程。以“制作并觀察植物細胞有絲分裂的臨時裝片”為例，可將該實驗轉變為定量分析實驗，例如，進行探究洋蔥根尖分生區細胞周期。制作洋蔥根尖分生區細胞周期，需要學生在制作和觀察植物細胞有絲分裂臨時裝片的基礎上，對間期和分裂期細胞分別進行計數［1］，細胞數目越多，說明在細胞周期中該時期所占的比例越大。最終，可利用Excel 軟件自帶的圖表工具實現數據結果可視化（圖1）。通過該實驗，學生對細胞周期及其制作過程有直觀的認識與體驗。

圖1 利用Excel 軟件繪制洋蔥根尖細胞周期圖［1］

此外，在高中生物學實驗教學中，還可通過分光光度計、傳感器等儀器實現定量實驗分析。以分光光度計為例，可應用于“檢測生物組織中還原糖、蛋白質”“探究培養液中酵母菌數量的動態變化”“探究影響酶活性的因素”等多個必修課程實驗中（表1）。對于獲得的實驗數據，教師與學生可利用Excel 圖表功能進行結果可視化展示，進而分析實驗數據、表達實驗結果，有利于學生形成尊重事實、證據的科學態度，提升科學思維素養。表1為三大類實驗數據結果展示參考圖［2］。上圖為“檢測3 種乳制品中蛋白質含量”結果可視化展示；中圖為“培養液中細菌數量的動態變化”結果可視化展示；下圖為“探究溫度對淀粉酶（來自小麥幼苗）活性的影響”實驗結果可視化展示［2］。

表1 分光光度計在實驗教學中的應用及數據可視化展示

2 輔助擬合功能實現數據可視化

2.1 線性擬合繪制標準曲線 在“泡菜的腌制和亞硝酸鹽的測定”實驗中，需要繪制亞硝酸鹽的標準曲線。教材中繪制亞硝酸鹽標準曲線的大致步驟為：取一系列不同濃度的亞硝酸鈉標準溶液分別與顯色劑反應，將反應液置于光程1 cm 的比色杯中，在550 nm 處測定光密度值。最后，以亞硝酸鈉質量或濃度為橫坐標，以光密度值為縱坐標，繪制標準曲線。教材并未交代清楚如何利用數據精準繪制標準曲線。

通過實驗操作，最終會得到多組數據（表2），利用多組數據按照傳統方法手動計算并制作標準曲線不僅難度極大，且費時、費力。應用Excel 軟件中的散點圖及添加趨勢線功能，可快速線性擬合出標準曲線。具體步驟為：選擇數據→選中編輯欄中的“插入”→選擇散點圖→添加趨勢線→選擇線性 （L）→勾選顯示公式和顯示R2。結果如圖2所示，由R2為0.9959 可知，本次繪制的標準曲線是可信的。應用Excel 軟件，在幾分鐘內即可完成標準曲線制作，有利于提高實驗教學效率。

表2 亞硝酸鹽溶液濃度與OD 值之間的關系

圖2 利用Excel 軟件線性擬合功能繪制亞硝酸鹽標準曲線

此外，在浙科版“探究培養液中酵母菌種群數量的動態變化”實驗中，其實驗目的包括學習用血細胞計數板進行酵母菌細胞計數的操作方法、學習比濁計（或比色計）的使用方法，并找出酵母菌細胞數量變化與其渾濁度之間的關系。尋找酵母菌細胞數量變化與渾濁度的關系，類似于上述標準曲線的制作。應用Excel 軟件，以培養不同時期的酵母菌數量為橫坐標，渾濁度為縱坐標，繪制散點圖，再通過添加輔助線、選擇線性、勾選顯示公式和顯示R2等操作，即可快速擬合出二者之間的線性關系。

2.2 指數擬合繪制“J”型增長曲線 在必修3“種群的增長方式”教學中，也可利用Excel 的擬合功能繪制J 型增長曲線（圖3）。其具體做法與上述標準曲線制作類似，只是在添加輔助線時，選擇“指數”而不是選擇“線性”。之所以利用擬合功能而不是直接采用圖表繪制功能進行繪制J 型增長曲線，其原因是，自然界中種群增長數量的真實數據不可能與指數增長趨勢完全一致，直接繪制得到的曲線波動較大，而利用擬合功能更加科學地反映自然界中種群數量指數增長的動態變化關系。

圖3 利用Excel 軟件指數擬合功能繪制種群的指數增長模型

3 利用函數功能生成與統計數據

3.1 模擬孟德爾雜交實驗 模擬孟德爾雜交實驗時，由于在課堂中學生模擬次數有限，使得模擬結果難以趨于真實分離比。借助Excel 軟件簡單函數功能，可實現快速獲得和統計大數據，從而使結果更加準確。以“模擬分離定律”為例（圖4），在Excel 中先建立模擬流程圖，在模擬圖右側為模擬數據產生過程，下邊是模擬數據統計結果。

圖4 應用Excel 軟件模擬孟德爾雜交實驗

在圖4中，共有9 個關鍵單元格（即灰色單元格）需要輸入公式。其中，單元格K3 和L3 輸入公式為“=IF（RAND（）<0.5，"A"，"a"）”。RAND()函數可生成介于［0，1）之間的隨機數，因而隨機數介于［0，0.5）和［0.5，1）內的概率均為0.5。IF（條件，甲，乙）為邏輯函數，如果括號內條件滿足，則返回甲值；如果不滿足，則返回乙值。單元格K3、L3輸入的公式，表示隨機數大小在［0，0.5）內，則輸出A，隨機數大小在［0.5，1）內，則輸出a。該公式含義與模擬基因型Aa個體產生A、a配子的情況一致。單元格M3 中的公式“=K3&L3”是將K3 和L3 單元格中的字符串連在一起，即模擬受精作用，可能的結果會有4 種類型，即AA、Aa、aA、aa。

單元格D23=SUMPRODUCT（N（EXACT（M ∶M，"AA"）））、D24=SUMPRODUCT（N（EXACT（M ∶M，"Aa"）））、D25=SUMPRODUCT （N （EXACT （M ∶M，"aA"）））和D26=SUMPRODUCT（N（EXACT（M∶M，"aa"）））。EXACT（）函數用來測試2 字符串是否完全一致，如果2 字符串之間完全一致，則返回TRUE；否則，返回FALSE。N（）函數是一個用來返回轉換為數值的函數，SUMPRODUCT（）是條件累積求和函數。以單元格D23 中的公式為例進行說明，“=SUMPRODUCT（N（EXACT（M∶M，"AA"）））”是指在M 這一列單元格中，遇到與“AA”字符串完全一致的，則EXACT（）函數輸出為TRUE，N（）函數結果計1，SUMPRODUCT（）函數進行累加，從而實現了對“AA”字符的統計。單元格D27 中的“=D23&"∶"&SUM（D24∶D25）&"∶"&D26”是用于將AA、Aa和aa的統計數量以比值的形式輸出（注：Aa與aA在統計時均合計為Aa的數量）。此外，單元格D22=SUM（D23∶D26），是對單元格D23 至D26 中的數值相加，即統計模擬次數。

在實際教學過程中為減少公式輸入時間，可提前將公式輸入各單元格，各單元格隨即得到相應的數字或字符。模擬批量產生實驗“大數據”時，選中單元格K3、L3 和M3 并下拉，即可獲得模擬“大數據”，并且模擬圖下方隨即得到模擬實驗結果。圖4是將單元格K3、L3 和M3 下拉至1 002行后（即模擬實驗進行1 000 次），所獲得的模擬實驗數據，統計結果顯示AA、Aa和aa比值為238∶502 ∶260，非常接近分離比1∶2∶1，說明利用Excel 軟件模擬分離定律效果佳，同時也解決了實驗教學過程中大數據難以獲得、結果難以統計的問題，該方法也適合應用于自由組合定律、測交等模擬實驗中。

3.2 模擬探究細胞表面積與細胞體積的關系在“模擬探究細胞表面積與細胞體積的關系”實驗中，也可應用Excel 軟件函數功能計算得出相應數據。如表3所示，在Excel 軟件中輸入相應的正方體邊長或球體半徑，利用函數公式即可實現數據的快速處理，解決了教學中一些繁雜數據的計算問題。此外，教師也可利用表格中的數據，應用Excel 圖表功能制作相應的柱狀圖或曲線圖，幫助學生直觀認識半徑、邊長與比表面積的關系。

表3 利用Excel 軟件函數功能計算正方體和球體表面積與體積之比

4 總結

Excel軟件可應用于高中生物學多個實驗教學中，同時，在學生課外研究性課題、學生小論文寫作中也能進行應用。在實驗教學中應用Excel 軟件，不僅能以各種形式的圖形直觀表示實驗數據，實現了結果的可視化，同時，還能優化實驗過程，提升實驗教學效率。此外，實驗是促成學生達成生物學核心素養的重要途徑與手段?！镀胀ǜ咧猩飳W課程標準（2017年版）》指出高中生物學實驗教學應重視定量實驗，向學生提供學習測量方法的機會，使其在記錄、整理和分析實驗數據的過程中了解事物的本質［4］。高中生物學實驗教學中應用Excel 軟件，可為實驗數據處理和分析提供新的途徑，有利于學生體驗完整的科學研究過程，提升生物學學科核心素養。