数字化实验促进高中生物实验教学模式转型研究

摘要：生物学科核心素养强调提升学生的科学思维和科学探究能力，而实验教学能训练学生的批判性以及创新性思维，能培养学生的探究能力，是促成学生生物学科核心素养形成的重要支撑，但以往传统实验教学常因为技术条件的限制而无法落实生物学核心素养。本文提出，数字化实验能在很大程度上弥补传统高中生物实验教学的局限性，使高中生物实验教学走向全新的局面。

关键词：数字化实验；生物实验教学；信息化

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2023）03-0099-03

概念的界定

对于数字化实验概念的界定目前有两种观点，这两种观点的相同之处是都认为数字化实验是以真实实验为基础，不同之处在于，一种观点认为数字化实验是由仿真实验、多媒体展现的实验及借助传感器的实验组成，是广义的数字化实验[1]，另一种观点认为数字化实验是由传感器、数据采集器、计算机中相应的配套软件三部分组成，是狭义的数字化实验。[2]本课题研究的是狭义的数字化实验。

数字化实验对传统实验教学局限性的弥补

1.数字化实验可以定量研究问题，使实验结果更精确

《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称新课标）在实施建议部分明确提出“在重视定性实验的同时，也应重视定量实验，让学生在量的变化中了解事物的本质”。[3]在传统生物实验教学中教师往往重视实验结果的传授，而忽视了实验过程中物质具体量变的情况，这往往是由于很多实验变量难以捕捉。例如，在比较过氧化氢在不同条件下的分解实验中，传统实验以相同时间气泡产生量或卫生香复燃情况来反映实验结果，而将数字化技术引入本实验却可以实时监控氧气的产生量，数字化实验数据采集、传输、存储、处理、显示迅速，从而实现了数据变化过程与实验过程同步，使学生更容易通过数据分析不同条件下过氧化氢分解的速率，使实验结果更精确。

2.数字化实验的结果可重复，便于学生的后期评价

新课标指出，“重视探究性学习报告的完成和交流，教师应培养学生通过文字描述、数字表格、示意图、曲线图等方式完成报告，组织交流探究的过程和结果，并进行适当评价”。但是在传统的实验中对数据的处理具有瞬时性，不可重复观察。例如，在比较过氧化氢在不同条件下的分解实验中，气泡产生量很快，且不可重复观察。而利用数字化实验设备不仅可以在实验过程中观察实验的动态变化，而且可以将实验结果储存于计算机中，实现数据的实时记录，并自动形成曲线，也可以将实验结果导出，有利于学生对实验结果的比对分析。同时，软件提供了回放功能，可以在实验后通过相应操作实现实验重演，学生可以随时复习实验过程、定格展示，也可以缩放曲线以便于观察，并且由于数据储存在计算机中更有利于对不同实验变量以及不同小组的实验结果进行整合，更便于学生的后期评价。

3.数字化实验的实验变量可并行，便于学生对不同变量的研究

生物中许多实验的自变量在实际实验设置时不好把握，因此在具体操作时往往只检验因变量的变化情况。而如果在进行实验操作时能精确地控制自变量，则实验结果会更加精确。例如，探究酵母菌细胞呼吸的方式实验，书中对A瓶的处理是间歇性地泵入空气，对B瓶的处理是放置一段时间再连通澄清石灰水，但是对于瓶中具体的氧气含量以及是否创造了无氧环境并不清楚，并且教材中以澄清石灰水变浑浊的程度或溴麝香草酚蓝溶液变黄时间的长短来判断有氧呼吸和无氧呼吸产生二氧化碳的多少，对于二氧化碳的具体产生量也不了解。但如果能用数字传感器同时监测氧气和二氧化碳两种气体的变化量，则能更好地掌握实验自变量和因变量的变化情况，从而培养学生严谨的实验意识，提升科学探究能力，更有利于落实学科核心素养。

4.数字化实验简化实验操作，节省实验时间

新课标所说的“实验教学”是指“教师组织学生在生物学实验室和校园内外开展的教学活动，即可以是动手、观察类的实践活动，也可以是以问题解决为特点的探究活动”。在高中生物必修教科书中涉及的生物实验中调查类实验主要由学生在校园外分小组利用休息时间完成，观察类和验证类实验操作较简单，耗时较短，可在一节课内完成，而大多数的探究类实验却操作烦琐，耗时较长，往往不能在一节课内完成。例如，探究环境因素对光合作用强度的影响实验，本实验探究的自变量较多，包括光照强度、CO2浓度、温度等多个自变量，即使对教材中的实验进行改进，同时探究多个因素对光合作用的影响，但也因实验过程以及结果记录处理等环节耗时太久，而达不到理想的实验效果，浪费了学生的探究时间。而数字化实验的引入有效解决了以上问题，不仅简化了实验步骤而且节省了实验时间，使学生摆脱了由于烦琐记录和作图不准确造成的实验误差，从而让学生能够将更多的时间、精力用于实验设计、探究和分析以及验证和修改假设，有利于更好地理解概念，掌握规律，提升探究能力。

应用实例—《比较过氧化氢在不同条件下的分解》

课本中对过氧化氢在不同条件下的分解实验处理如下：

学生通过观察90℃水浴与常温下过氧化氢的分解体会到加热能使过氧化氢获能，促进过氧化氢分解，提高反应速率，从而初步理解活化能的概念。接着通过比对等量氯化铁溶液与新鲜肝脏研磨液催化过氧化氢分解实验，又发现酶分子的数量虽然少但是试管中产生的气泡数量却很多，并且能使卫生香燃烧得更剧烈，所以能得出同无机催化剂相比，酶降低活化能的作用更显著，因而催化效率更高。

传统实验操作简单，实验现象也比较明显。但笔者在阅读新课标对实验教学的要求发现，开展实验教学应该注意以下几点：①实验设计应该多样化；②在注重定性试验的同时，也应注重定量实验，让学生在量变中了解事物的本质；③要注重实验安全教育。

基于以上思想，笔者对教材实验进行分析，教材通过比较不同试管气泡产生速率以及卫生香的燃烧程度来比较不同催化剂的催化效率，得出酶具有高效性，显现较为明显。但在实际操作中存在以下隐患：①酶催化过氧化氢分解速率非常快，若操作不规范瞬间会产生大量泡沫，溶液易喷出试管，并且该实验产生大量氧气时，卫生香爆鸣复燃，剧烈燃烧，这都存在一定的安全隐患。②试管中产生的泡沫较多时水汽也较多，可能导致卫生香不复燃使实验结果失败。为了克服以上问题，笔者引导学生对实验改进，提出问题：能否不采用教材中提供的燃烧验证法？由于产生的氧气为气体，能否采用密闭容器中压强变化情况来验证酶具有高效性呢？并且引导学生思考能否对该实验进行定量研究，学生想到了实验室中的传感器，于是对实验进行了改进。

实验方案：以密闭试管中的压强变化作为过氧化氢分解速率的指标，采用相对压强传感器直接与盛有反应物的试管相连，并保证其气密性，这样试管中相对压强的大小就可以通过传感器直接传输到电脑的显示屏，通过分析不同传感器收集到的数据曲线情况，就可以准确直观地来验证酶的高效性了。

实验装置如图1所示。

实验步骤：①取三只大小相同的试管，并编号为1、2、3，向三只试管中分别加入0.5ml蒸馏水、氯化铁溶液和肝脏研磨液，其中蒸馏水用作空白对照。②向三只注射器中分别吸入等量3ml体积分数为3%过氧化氢溶液。③将电脑、传感器的探头以及试管等连接成统一整体，并保证试管气密性。④最后通过注射器将过氧化氢溶液注射到试管中，使反应直接在试管中进行。图2所示为实验结果。

可以看到，由于过氧化氢液体的加入占用了试管中一部分体积，所以三只试管的相对压强均有所上升，但是含有肝脏研磨液的试管所对应的相对压强曲线上升迅速，而加入氯化铁溶液的试管所对应的曲线上升缓慢，一段时间后试管压强也明显上升，而加入蒸馏的试管相对压强基本不变。

通过以上实验，学生不仅可以得出酶同无机催化剂一样也具有催化作用，且催化具有高效性这样的实验结论。同时，数字化传感器的应用能够实时反映实验中相对压强的变化，从而反映氧气的变化量，使学生能够直观地观察到过氧化氢溶液的分解情况。除此之外，利用数字化实验采集的数据在需要时还可以重复利用，便于复习回顾。实验的整体操作也比较安全，符合生物课程标准的要求。

结论

将数字化实验应用于高中生物实验，能将教材中部分定性研究实验向定量研究转变，使生物实验在重视结果的同时更加重视过程的分析。数字化实验在数据处理方面弥补了传统定性测量的不足，使结果记录、数据处理向更加精确的方向转变，并且数字化实验与传统实验相比实验记录数据以及处理数据时间减少，学生分析探究时间增多，更加有利于培养学生的探究思维。此外，数字化实验还可以对多个因素同时进行观察探究，使实验探究更接近于真实情况，实验结果更具说服力。

参考文献：

[1]顾连忠.数字化实验的内涵和误区解读[J].唐山师范学院学报，2010，32（02）：70-71.

[2]冯容士.工具的变迁，改革的理念：DISlab综述[J].物理教学，2004，26（09）：19-22.

[3]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）[S].北京：人民教育出版社，2020.