黃燕芬 任翠娟 王平瑞 聶冬梅

【摘要】本文主要從數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的特點(diǎn)、對(duì)中學(xué)生物教學(xué)的優(yōu)化作用及應(yīng)用于中學(xué)生物教學(xué)的幾點(diǎn)感受三個(gè)方面，論述了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在引入過程中對(duì)中學(xué)生物教學(xué)理念、過程、方式、效果等的影響，為構(gòu)建高效中學(xué)生物教學(xué)環(huán)境提供一定參考。

【關(guān)鍵詞】數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 中學(xué)生物教學(xué) 優(yōu)化

【基金項(xiàng)目】貴州省教育廳重點(diǎn)課改項(xiàng)目：高師理科專業(yè)教學(xué)論課程引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的建立和內(nèi)容研究；教育部項(xiàng)目：生物資源科學(xué)專業(yè)綜合改革試點(diǎn)（2012287）；貴州省學(xué)位辦項(xiàng)目：貴州省重點(diǎn)支持學(xué)科建設(shè)（2011231）。

【中圖分類號(hào)】G633.91 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】2095-3089（2013）06-0178-02

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（（Digital Information System，以下簡(jiǎn)稱DIS）是一種新型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)及實(shí)驗(yàn)軟件包（專用軟件、通用軟件）等構(gòu)成。近年來，隨著教學(xué)中信息技術(shù)應(yīng)用量的增加，不少學(xué)校斥資引入DIS。DIS的使用拓寬了師生視野，激發(fā)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性，提高了教學(xué)效率，實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與中學(xué)生物教學(xué)的整合。謹(jǐn)以此文淺談對(duì)DIS 與中學(xué)生物教學(xué)關(guān)系的一些認(rèn)識(shí)，為構(gòu)建信息化中學(xué)生物教學(xué)環(huán)境提供一定參考。

1.DIS的特點(diǎn)

l.1 實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程“可視化”，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果

實(shí)驗(yàn)過程可視化包括實(shí)驗(yàn)過程空間和時(shí)間的可視化。這是學(xué)生認(rèn)識(shí)生物現(xiàn)象、建立生物概念的基礎(chǔ)，是掌握生物規(guī)律，學(xué)會(huì)處理生物問題的關(guān)鍵所在。生物實(shí)驗(yàn)中，空間上細(xì)微結(jié)構(gòu)的觀察一般可借助顯微鏡完成。而時(shí)間上過程難以捕捉記錄，是生物實(shí)驗(yàn)的一個(gè)難點(diǎn)。例如“光合作用現(xiàn)象”過程研究，氣體變化情況受環(huán)境因素的影響（尤其是南方一些地區(qū)）較大，獲得明顯實(shí)驗(yàn)結(jié)果耗費(fèi)實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，教學(xué)效果差。很多學(xué)校一般采用多媒體軟件進(jìn)行模擬演示或教師事先收集好氣體，學(xué)生完成最后驗(yàn)證氣體這一步。以此方式完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生沒有參與和體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過程，更談不上科學(xué)探究。而引入DIS，通過傳感器實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，短時(shí)間內(nèi)可獲得大量數(shù)據(jù)，由此實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)記錄的自動(dòng)性和時(shí)間連續(xù)性。清晰地顯示出光合作用過程中氣體隨時(shí)間變化的圖像，使光合作用過程變得“可視”，且能定量表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，便于總結(jié)光合作用現(xiàn)象的特點(diǎn)和條件，符合歸納法教學(xué)的要求，可解決這一類似的問題。

1.2 數(shù)據(jù)采集處理“智能化”，使學(xué)生獲得更多探究時(shí)間

DIS數(shù)據(jù)采集器高頻率的采集功能可以自動(dòng)把整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中相關(guān)量的變化完整的記錄、存儲(chǔ)下來，由計(jì)算機(jī)通過“待測(cè)變量一時(shí)間”圖象直接把測(cè)量數(shù)據(jù)的變化過程顯示出來，直觀地看出各變量之間的關(guān)系，并由計(jì)算機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)、處理和分析，避免學(xué)生手工作圖不準(zhǔn)確造成實(shí)驗(yàn)誤差而花時(shí)間查找和擺脫繁瑣的計(jì)算過程，節(jié)省時(shí)間用于學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)過程中的設(shè)計(jì)、觀察、思考、分析等。例如“探究食物能量”實(shí)驗(yàn)，采用DIS，學(xué)生花費(fèi)較短時(shí)間可完成花生所含能量的測(cè)定實(shí)驗(yàn)操作，計(jì)算機(jī)直接給出花生燃燒的“溫度-時(shí)間”工作圖和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的計(jì)算結(jié)果，實(shí)驗(yàn)很快結(jié)束。在教師的引導(dǎo)下學(xué)生將多出的時(shí)間、心力用于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容拓展為富含糖、脂肪、蛋白質(zhì)三種類型食物所含能量的探究，充分驗(yàn)證和修改假設(shè)，分析比較結(jié)果，有利于更好地理解概念，掌握規(guī)律，同時(shí)可以提高學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的興趣。

2.DIS對(duì)中學(xué)生物教學(xué)的優(yōu)化作用

2.1提高教學(xué)效率解決教學(xué)難題

DIS發(fā)揮了傳感器和計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，能采集到多種完整、動(dòng)態(tài)的信息，并且能對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作出多維的、綜合性的分析和處理。使教師和學(xué)生可集中精力設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案、歸納總結(jié)、交流信息，從中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，極大的提高了教學(xué)效率。例如“蒸騰作用”的教學(xué)，在教師的指導(dǎo)下學(xué)生小組計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)，分別引入溫度、光照度、濕度等傳感器，計(jì)算機(jī)將濕度隨溫度或光照度的變化顯現(xiàn)為圖像和數(shù)據(jù)，學(xué)生直觀地看到不同環(huán)境因素對(duì)蒸騰強(qiáng)度的影響，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)蒸騰作用的本質(zhì)。在此過程中學(xué)生由被動(dòng)聽講變成主動(dòng)參與，通過積極對(duì)話交流加深了對(duì)蒸騰作用的理解，解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器不能直觀反映出更本質(zhì)現(xiàn)象的弊端，便于學(xué)生仔細(xì)觀察，加深理解，大大提高課堂教學(xué)的效果，輕松地解決教學(xué)中的難題。

2.2 易于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力和探究精神

DIS是一個(gè)開放式的易操作實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)合，提供了一種能夠快速、準(zhǔn)確地完成教師和學(xué)生自行設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)，以及傳統(tǒng)儀器做不成或做不好的實(shí)驗(yàn)的環(huán)境[1]。將傳統(tǒng)生物教學(xué)中很多不能量化，甚至是不能做的實(shí)驗(yàn)變得具有可操作性，允許在實(shí)驗(yàn)中嘗試改變各種實(shí)驗(yàn)條件，比較得到的不同實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)科學(xué)探究和自主學(xué)習(xí)的便利環(huán)境，讓學(xué)生能更直觀地認(rèn)識(shí)和驗(yàn)證生物規(guī)律，由此培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究興趣，提高學(xué)生的動(dòng)手能力，從而激發(fā)他們對(duì)學(xué)科的喜愛及培養(yǎng)觀察和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰σ约皩?shí)事求是勇于科學(xué)探究的精神。

2.3 創(chuàng)造促進(jìn)學(xué)生轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式的條件

信息化的實(shí)驗(yàn)手段可以增強(qiáng)學(xué)生自主探究，運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解釋生物現(xiàn)象的能力。DIS種類豐富的傳感器和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力以及開放的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，正好能滿足學(xué)生的多種實(shí)踐體驗(yàn)需求，激發(fā)學(xué)生探究的欲望。有助于培養(yǎng)學(xué)生通過親自動(dòng)手實(shí)踐發(fā)現(xiàn)問題尋找規(guī)律，把所學(xué)知識(shí)應(yīng)用于生物實(shí)驗(yàn)解決問題的能力。將DIS和多媒體網(wǎng)絡(luò)教室結(jié)合起來，為開放互動(dòng)性的課堂教學(xué)創(chuàng)造條件，增強(qiáng)團(tuán)隊(duì)合作精神，促使學(xué)生以獨(dú)立自主與合作交流相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式代替從前單一的個(gè)體學(xué)習(xí)方式。

2.4 創(chuàng)建信息化實(shí)驗(yàn)環(huán)境提高學(xué)生實(shí)驗(yàn)素質(zhì)

實(shí)驗(yàn)素質(zhì)指學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中的科學(xué)精神、情感態(tài)度和實(shí)驗(yàn)技能，包括懷疑、求真、分析、總結(jié)、創(chuàng)新等基本要素以及認(rèn)真、勤奮、謙虛、合作等情感因素和熟練完成實(shí)驗(yàn)觀察、測(cè)量、驗(yàn)證、探究等基礎(chǔ)能力，是科學(xué)素質(zhì)的重要組成部分。DIS系統(tǒng)的應(yīng)用，極大地優(yōu)化了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段和方法，建立了“信息化實(shí)驗(yàn)環(huán)境”，符合現(xiàn)代教育大環(huán)境要求。學(xué)生在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室充分體驗(yàn)“快樂的科學(xué)”，有助于學(xué)生實(shí)驗(yàn)素質(zhì)的發(fā)展。而實(shí)驗(yàn)素質(zhì)的培養(yǎng)會(huì)促進(jìn)思維能力和創(chuàng)新發(fā)現(xiàn)能力的培養(yǎng)，為學(xué)生將來從事科學(xué)研究、良好適應(yīng)工作環(huán)境創(chuàng)造條件。

3.DIS應(yīng)用于中學(xué)生物教學(xué)的幾點(diǎn)感受

3.1數(shù)字化實(shí)驗(yàn)必須與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有機(jī)結(jié)合

中學(xué)生物傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)有許多基本上是屬于“定性”實(shí)驗(yàn)，只能通過最終實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來說明問題。實(shí)驗(yàn)過程中，生物本身受到環(huán)境的影響較大，一個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容往往涉及多個(gè)方面的相關(guān)因素，加上實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本身設(shè)計(jì)單一，實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可控性與化學(xué)、物理等學(xué)科相比較差。此外采集數(shù)據(jù)需要多次操作才能得到多組數(shù)據(jù)，課堂時(shí)間僅能完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄。但是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯?shí)驗(yàn)素養(yǎng)的載體，實(shí)驗(yàn)過程要求學(xué)生操作熟練、手眼協(xié)調(diào)、觀察快速、選擇準(zhǔn)確。培養(yǎng)學(xué)生的操作能力，提高學(xué)生觀察的敏銳程度，有助于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度及思考、質(zhì)疑、堅(jiān)韌和創(chuàng)新的精神，是不能忽略的教學(xué)環(huán)節(jié)[2]。

DIS是以計(jì)算機(jī)為核心搭載各種傳感器構(gòu)成的一個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用傳感器測(cè)量收集數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)顯示結(jié)果，并且數(shù)據(jù)的量大、客觀真實(shí)，學(xué)生有選擇性的菜單式的操作就可以得到理想的擬合效果，實(shí)驗(yàn)過程大大縮短，可以在課堂上完成完整的實(shí)驗(yàn)過程。學(xué)生還可靈活設(shè)置實(shí)驗(yàn)條件，拓寬實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的單一性，直接同時(shí)獲得多種數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析比較，這是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所無法達(dá)到的，在探究方面表現(xiàn)出很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。由此可想，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與DIS有機(jī)結(jié)合，發(fā)揮二者的優(yōu)勢(shì)，必將大大提高實(shí)驗(yàn)效率效果。例如，“動(dòng)物與植物的相互依賴”教學(xué)過程中，采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)需要測(cè)定不同條件下的CO2或O2的含量變化，體現(xiàn)動(dòng)植物的相互依賴關(guān)系。工作量大，耗時(shí)長(zhǎng)，數(shù)據(jù)繁多，誤差大，往往不能取得較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。若與DIS結(jié)合，配以CO2和O2傳感器，CO2和O2含量在不同條件下短時(shí)間內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化情況均能以圖像和數(shù)據(jù)結(jié)果形式表現(xiàn)出來，學(xué)生在有限的課堂時(shí)間內(nèi)完成了實(shí)驗(yàn)，并通過圖像或數(shù)據(jù)變化，清晰深刻地認(rèn)識(shí)理解動(dòng)植物的生存是相互依賴的這一生命本質(zhì)現(xiàn)象。在此，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)發(fā)揮了基礎(chǔ)教育的作用，DIS提升了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確、高效性，二者結(jié)合的優(yōu)勢(shì)凸顯出來，使其成為達(dá)到更好教學(xué)效果的首選。

3.2 DIS是優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的一條重要途徑

創(chuàng)造性地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)是新課程教學(xué)中的一項(xiàng)經(jīng)常性工作。DIS以全新的數(shù)字技術(shù)為核心手段，對(duì)實(shí)驗(yàn)的各個(gè)環(huán)節(jié)、層面進(jìn)行優(yōu)化，是一種高科技、高起點(diǎn)的改進(jìn)[3]。DIS的數(shù)據(jù)處理軟件配合不同的傳感器，可實(shí)現(xiàn)不同的測(cè)量功能，完成一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段不太好做的實(shí)驗(yàn)。例如，配合壓強(qiáng)傳感器，能完成像“植物細(xì)胞的吸水和失水”、“滲透現(xiàn)象”等實(shí)驗(yàn)；配合溫度傳感器，則能完成與溫度變化有關(guān)的一系列實(shí)驗(yàn)的探究過程；配合多個(gè)傳感器還能同時(shí)完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)中的多個(gè)變量的測(cè)定。此外，DIS所特有的優(yōu)勢(shì)及其衍生的良好教學(xué)效果，如快速、準(zhǔn)確采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力使之成為實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的多種途徑中較為行之有效的一條。充分利用這一重要途徑推行傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)，可為學(xué)生提供更加寬泛的實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，培養(yǎng)學(xué)生的探究創(chuàng)新能力和綜合信息處理能力。

3.3 充分發(fā)揮傳感器在探究性實(shí)驗(yàn)中的作用

在生物教學(xué)中，通常通過實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程，讓學(xué)生體驗(yàn)到“猜想—驗(yàn)證—?dú)w納”的科學(xué)探究過程，初步掌握科學(xué)探究的方法。傳感器作為其中重要的輔助手段，大大提高了探究過程的實(shí)效[4]。應(yīng)用傳感器可對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行“再挖掘”，開發(fā)其潛在的教育和教學(xué)功能。例如，關(guān)于“細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系”，學(xué)生是沒有多少感性認(rèn)識(shí)的。通過創(chuàng)設(shè)模擬的實(shí)驗(yàn)情景，教師及時(shí)引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)的生物研究方法，利用電導(dǎo)率傳感器主動(dòng)進(jìn)行探究，可使學(xué)生在研究和歸納的過程中感性地理解生物的變化及其規(guī)律，從而理解書本理論知識(shí)，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生敢于質(zhì)疑，富于創(chuàng)新的精神。充分利用傳感器還可結(jié)合教材，把一些教學(xué)中發(fā)現(xiàn)的學(xué)生不易理解的理論知識(shí)創(chuàng)設(shè)出一些新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。以學(xué)生自身為主體，從發(fā)現(xiàn)者和探索者的角度出發(fā)，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，獨(dú)立地得到客觀世界的規(guī)律，在探究性實(shí)驗(yàn)過程中，教師雖然不是主體，但是必須及時(shí)加以指導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生掌握科學(xué)的研究方法，學(xué)會(huì)在研究和歸納的過程中感性地理解生物變化及其規(guī)律[5]。

總之，將DIS引進(jìn)中學(xué)生物教學(xué)，推動(dòng)了中學(xué)生物“實(shí)驗(yàn)教學(xué)法”、“研究性學(xué)習(xí)”和“發(fā)現(xiàn)法”等教學(xué)理念的研究，豐富和發(fā)展了教育理論，并且將可能是現(xiàn)代學(xué)校生物教學(xué)水準(zhǔn)的重要標(biāo)志。生物學(xué)教師善于充分發(fā)揮DIS的教育功能，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用其進(jìn)行生產(chǎn)或科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究，獲得相應(yīng)能力，是生物科學(xué)素養(yǎng)的重要內(nèi)容。

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作者簡(jiǎn)介：

黃燕芬（1967-），女，貴州貴陽人，副教授。主要研究方向：植物生物學(xué)教學(xué)與科研。