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数字化实验在中学生物实验教学中应用之略见  

2011-05-14 09:28:00|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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(本文发表于《中国多媒体教学学报·中学生物》2011年第3期)

数字化实验在中学生物实验教学中应用之略见

杨京举   (安徽省铜陵县第一中学   244100

要:本文着重于当前数字化实验系统在中学实验教学领域的初步应用体会,以生物学科实验教学中数字化实验的开展和实践为例,浅析了在中学实验型教学活动中如何结合学科实验特点,将数字化实验系统合理的应用到传统实验教学中去,从而真正发挥其优势作用。

关键词:数字化;实验教学 ;应用;优势作用

数字化实验系统是一个开放性的实验平台,是将传感器和计算机组成多功能的测量系统。它能够独立地或者与传统的仪器结合起来进行实验,通过传感器快速而高精度地完成力、热、声、光、电等各类实验中数据的实时采集,并由连接的计算机完成数据的处理、计算、分析来展示真实的实验结果。主要有硬件和数字化实验室专用软件(用于传感器数据的采集、数据表现与数据分析)构成,其中硬件包括传感器(传感器的作用是把实验中测量的各种非电信号转换成标准的电信号,并把这些电信号传递给采集器)、计算机和采集器(采集器是传感器与计算机的接口,它的作用是把实验中各种传感器输出的电信号转换成数字信号并输入到计算机中)三大部分。数字化实验系统可以完成常规仪器难以完成的实验,目前已开始进入中学实验教学领域。那么作为一线教师,该如何应对这种深层次的信息技术与传统实验相整合的产物,从而发挥其优势作用呢?下面就以生物学科为例,谈谈自己的一点体会。

一、数字化实验系统的应用要立足于中学学科实验特点,找准所合适的实验类型

数字化实验系统的实验数据采集前端是各种传感器,因此只有适合于传感器采集数据的实验教学类型才能显示其优势所在。就中学生物学科而言,我们要根据学科自身实验特点,找准与数字化实验系统相匹配的实验类型。

温度传感器:用于生物学有关温度的实验研究。如:温度对酶活性的影响、身体不同部位的温度的测定、种子呼吸放能、蒸腾作用散热、探究温度对光合作用和呼吸作用的影响、食物能量的测量等。

pH值传感器:用于生物学酸碱度有关的实验研究。如:土壤的酸碱度、酸雨研究及酸雨模拟、唾液pH的变化、pH值对酶活性的影响、水污染研究、pH值对微生物培养和发酵过程影响的研究、肌肉疲劳、血浆pH值的缓冲作用、膜的渗透性、果酒和果醋的制作等。

色度计传感器:常用于生物学中的颜色反应等实验中。如:食物中的糖、淀粉、蛋白质的鉴定、DNA的初提取和鉴定、血糖及尿糖测定、淀粉酶对淀粉的影响、光合作用中色素含量鉴定、探讨氧和二氧化碳对鸡的柠檬酸盐血的影响、生物膜的研究、微生物鉴定、酒精含量的测定等。

电导率传感器:可用于肌肉疲劳、神经传导和生物电等相关实验研究。

光传感器:可用于光强对光合作用的影响、温室的模拟和研究等实验。

绝对气压传感器:可用于生物学与气体相关的实验。如:影响蒸腾速率的因素、生物光合作用和呼吸作用速率的测定、酶浓度对酶活性的影响、过氧化氢酶的催化、酵母的糖发酵等。

氧气传感器:可用于植物的光合作用、光强对植物光合作用中产生氧气速率的影响、光合作用中二氧化碳的必须性、人的呼吸、发芽种子的呼吸作用等。

二氧化碳传感器:可用于植物的光合作用 、人的呼吸研究 、小动物的呼吸、汽车尾气、 种子发芽是否产生二氧化碳、 发芽种子的无氧呼吸 酵母的糖的呼吸作用 、温度对呼吸作用的影响 、光强对植物的二氧化碳转换的影响 、酵母的呼吸等实验和探究。

溶解氧气传感器:可用于水中的溶解氧 、水中鱼类的呼吸及植物的光合作用 、水污染研究 、流域中不同深度及不同流速的溶解氧的不同 、发芽种子研究 、酵母呼吸等实验研究。

心电图传感器:可用于测量心电图、比较运动员与非运动员、吸烟者和不吸烟者的心电图差别、比较人在不同状态下的心电图等实验测定研究。

二、数字化实验的应用要着力发挥其优势作用,突破传统实验型教学的局限性

(一)要充分应用数字化实验系统的超强数据信息化处理功能,使实验由定性上升到定量分析,提高实验结果的精确度和可信度

在传统生物实验操作过程中,虽能观察到实验过程及现象,但很难进行定量化处理。中学生物数字化实验,通过如传感器、数据采集器和计算机等克服了传统的实验仪器难以测量和储存随时间变化的大量的各种物理量以及随其它方面变化的数据的弊端。使用数字化传感技术,可以将计算机与手持技术仪器联用,传感器可以精确地测量与传递实验中所测定的各种实验参数,所得实验数据将通过数据采集器转到计算机中,计算机经由配套软件将数据以表格和图像的形式呈现,并进行分析处理。这样可以使学生腾出更多的时间通过对实验结果进行分析和评价,从而可以得出更加准确、科学的结论,提高了实验本身的精确度和可信度。例如:

在《比较过氧化氢在不同条件下的分解》实验中,将氧气传感器置于盛有等量H2O2的两试管中,随着等量FeCl3和新鲜肝脏研磨液(H2O2酶)的滴入,计算机屏幕上将分别出现两条逐渐上升的实验曲线,直接反映O2随反应时间的释放量变化,学生可以从两条曲线的变化中直观的得到“酶的高效性”结论。这种定量化验证,比起用传统的点燃卫生香来观察燃烧猛烈程度更为精确,而且还可以避免学生因操作不慎或不规范所带来的意外结果。

(视频片段:、Fe3+催化曲线效果、过氧化氢酶催化曲线效果)。

 

 

(二)要充分应用数字化实验系统对实验过程数据的可视化采集和动态呈现优势,突破教学难点,优化教学过程,提高课堂效率

在中学生物学教学中,常常有一些难以理解的生物学概念和生命原理,通过传统实验往往还不足以让学生理解和充分掌握,数字化生物实验可以凭借助传感技术的直观演示和准确的数据分析,揭开某些表面的的因素,将内在的、重要的、本质的东西表现出来,进行实验处理和图像输出,在屏幕上实施微观放大,宏观缩小,动静结合,图文并茂。不仅激发了学生的学习兴趣,调动了学生的积极性,优化了教学过程,而且将教学难点变得容易认知,使学生形成鲜明的感官认识,为进一步上升为理性认识奠定了基础,有利于提高课堂教学效率。例如:

在人教版高中生物必修Ⅰ课本中,光合作用是细胞代谢的核心内容,也是一个难点。课本用了大篇幅讲述整个光合作用的发现、探究过程,但却缺乏学生自主的探究实验的设置,主要问题是植物在进行光合作用的同时也在进行呼吸作用,而这两大微观生理过程的主要宏观变化都是二氧化碳和氧气气体体积在密闭容器内的变化,探究实验中较难测定。教师在实际教学中无论如何讲述,都只是纸上谈兵,学生始终对光合作用存在神秘感,其实利用氧气和二氧化碳传感器去测量实验环境中O2CO2的真实变化量,再利用数据采集器收集数据加上 Excel数据处理,我们不仅可以通过实验探究光合作用的过程,而且还可以配合温度、光等传感器研究影响光合作用的诸多因素。跟随实验全过程的动态数据呈现,学生就能轻而易举地揭开光合作用的面纱,同时也能培养他们的综合分析思维能力。

 

(三)要充分应用数字化实验系统对数据处理程式化的过程无误性优势,实现对传统实验的科学评价和诊断,培养学生科学的实验方法

利用数字化实验系统所进行的实验,由于其精确度高,传统实验得出的结果往往与之有不一致之处,这就需要学生能进行全面的分析,是实验操作上有不当之处,还是实验与理论的差距?哪些因素会导致结果与预期的不一样?由此可见,数字化实验可以作为传统实验的参照系,实现理科实验的科学评价和诊断,提高学生分析问题、解决问题的能力,培养学生科学的实验方法。例如:

在做《探究唾液对淀粉的消化作用》实验时,有的学生想进一步探究温度对唾液淀粉酶对淀粉消化作用的影响,他把配制好的加入等量的唾液和淀粉糊的三支试管分别放入0℃、37℃、95℃的水中,保温十分钟,冷却后,分别滴加斐林试剂检测,这时发现三支试管中的液体都有砖红色,学生感到迷惑不解。实质上,这个学生在做实验时,犯了实验变量控制(实验步骤)上的错误:在没有把试管放入0℃、37℃、95℃的水中之前,室温下唾液淀粉酶已经对淀粉起了消化作用,导致了实验结果受到了影响。这时教师要引导学生分析原因:①实验前唾液和淀粉糊中是否已夹杂有还原性糖?②唾液和淀粉糊混合后室温下是否已产生了还原性糖?③操作过程是否严格控制了温度?然后,我们可以通过数字化实验系统对问题原因来论证:对唾液、淀粉及混合液分别用斐林试剂进行鉴定,通过色度传感器收集相关数据,灵敏而精确,从而找到实验失败的真正原因。

(四)要充分应用数字化实验系统对实验变量监测的自动化和快捷化优势,激发和培养学生自主探究式实验设计研究意识,更好地落实新课程素质教育目标

  传统实验中,由于受到实验器材的限制,很多带有新颖设计理念的实验方案很难付诸实施,主要原因是实验过程中的实验变量很难控制,反应变量也很难控制和检测。这使得学生在进行自主探究式实验设计时其广阔的思维空间(理论)和实际操作(实践)之间产生较大的距离。将传统式的实验和数字化传感技术实验相结合,可以很好的解决这一问题,极大程度的调动学生的探究式学习的积极性。中学生物新教材设置或涉及到了大量的实验探究性课题和实践活动,快捷、便利的数字化实验手段可为他们提供可靠的实验保障,学生不再拘泥于课本。强大的数字化实验系统的支撑,学生可以在诸如探究二氧化碳的温室效应、水污染研究、汽车尾气污染研究、酸雨研究及酸雨模拟、剧烈运动和肌肉疲劳、休眠种子的呼吸研究、茶叶中有效成分分析、香烟的危害、微生物培养等探究活动中,广泛而深入的开展讨论、分析、交流,其综合运用知识、表达、沟通、实践等技能得到很好的锻炼和培养,从而充分体现新课标的理念,落实新课程的素质教育目标。

 

三、在实际教学中要注意处理好数字化实验的应用与传统化实验的关系

中学生物数字化实验主要是从具体实验数据分析归纳实验结论,侧重于实验过程中的探究过程和思维能力的培养,而传统实验往往则是对结果作定性分析,侧重于实验过程的具体操作、常用仪器的使用规范和用途、实验现象的细致观察以及从现象分析结论,应该说各有优势。中学生物数字化实验完全取代生物传统实验手段是不可取。应该说,在理科实验中有三类实验可以应用到数字化实验:其一是用常规实验器材或肉眼很难看到的实验;其二是有关变量的实验;其三是诸如野外采样的复杂实验。在中学生物实验教学中,教师应根据教学实验内容的实际出发,将中学生物数字化实验与传统中学生物实验有机的结合使用,才能充分发挥各自的优势,取长补短、相得益彰。

在新课程教学的改革过程中,将信息技术作为教师的教学辅助工具和学生学习的工具是教学手段变革的大势所趋。通过教育环境的数字化,教学内容的数字化,学习工具的数字化为切入点,改革我们的理科传统教育,实现全新的学习方式与教学模式,不仅可以提高教育教学的效率,而且有助于科学素养的塑造,培养适应信息时代要求的新一代高素质人才。

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