杜曉捷

美國細(xì)胞生物學(xué)家威爾遜提出—每一個生物科學(xué)問題的答案都必須在細(xì)胞中尋找，而顯微鏡是觀察細(xì)胞必不可少的工具。以高中生物必修一為例，需要使用顯微鏡的實驗就有7個。在傳統(tǒng)教學(xué)模式中，由于受到光學(xué)顯微鏡教學(xué)功能的限制，造成了師生之間的交流不暢，教師無法及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生的問題，學(xué)生也得不到教師及時而有效的指導(dǎo)，使得實驗教學(xué)效果不盡人意。而數(shù)碼顯微互動實驗室則為生物實驗教學(xué)提供了高效率的教學(xué)與溝通手段，學(xué)情的及時反饋、高頻率的互動、資源的充分共享，課堂的生成性等為實驗教學(xué)模式的改革創(chuàng)造了條件。

一、基本設(shè)備及功能

液晶數(shù)碼顯微互動實驗室由數(shù)碼液晶顯微鏡系統(tǒng)、計算機(jī)軟件系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)、局域網(wǎng)構(gòu)成。學(xué)生端和教師端均使用高清晰度的數(shù)碼顯微鏡，數(shù)碼顯微鏡自帶屏幕及圖像處理系統(tǒng)，每一個端口均為相對獨立的強(qiáng)大的圖像處理單元[1]。各單元之間通過局域網(wǎng)實現(xiàn)互聯(lián)，教師計算機(jī)，安裝數(shù)碼互動軟件，利用分布式數(shù)碼互動軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備調(diào)用與課堂教學(xué)，實現(xiàn)了全面的圖像數(shù)據(jù)共享。教師端計算機(jī)可以監(jiān)控所有學(xué)生端數(shù)碼顯示屏上的圖像并可投影在一體機(jī)屏幕上，從而能及時發(fā)現(xiàn)學(xué)生實驗過程中存在的共性問題給予反饋，也能隨時對每個學(xué)生的操作結(jié)果進(jìn)行跟蹤和評價，實現(xiàn)師生互動和生生互動。

圖1 數(shù)碼顯微互動實驗

二、液晶數(shù)碼顯微互動實驗室對高中生物實驗教學(xué)產(chǎn)生的影響

1.加強(qiáng)示教作用 加快教師反饋速度 實現(xiàn)“由點到面”的教學(xué)

在裝片比較復(fù)雜的情況下，教師的示教顯得尤為重要。例如，在用血球計數(shù)板中統(tǒng)計酵母菌數(shù)量的實驗中，教師可以將自己顯微鏡上的圖像投影到智能一體機(jī)屏幕上，用電子教鞭具體指示某一個結(jié)構(gòu)，如哪些是雙線，哪些是單線，如何根據(jù)顯微鏡下不同密度的單雙線推斷計數(shù)室的位置，從而快速找到計數(shù)室等。通過教師的示教，學(xué)生可以大大縮短找到計數(shù)室的時間，進(jìn)而有更充裕的時間進(jìn)行酵母菌的計數(shù)。除了示教功能，數(shù)碼顯微互動實驗室在信息反饋和交流互動方面也表現(xiàn)出了優(yōu)越性。傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡實驗室缺乏快速的溝通平臺，如遇學(xué)生有問題，教師只能一對一指導(dǎo)，無法顧及多數(shù)學(xué)生，無法共享指導(dǎo)，即使學(xué)生遇到相同的問題，教師也只能重復(fù)回答，有限的課堂時間使很多學(xué)生得不到指導(dǎo)和反饋，課堂輔導(dǎo)參差不齊。而顯微互動實驗室為教師增添“無數(shù)雙眼睛”，使每個學(xué)生的操作結(jié)果都能準(zhǔn)時精確地呈現(xiàn)在教師面前，教師既可以對存在的共性問題進(jìn)行回應(yīng)，也能針對性地對個別問題提供指導(dǎo)，使原來的“點到點”教學(xué)模式轉(zhuǎn)化為“點到面”模式[2]，這使得面向全體學(xué)生的教學(xué)理念得以實現(xiàn)，從而呈現(xiàn)出師生互動的高效率教學(xué)狀態(tài)。

圖2 學(xué)生看到的物像同時在電子白板上呈現(xiàn)

2.可以更大化地實現(xiàn)資源共享

數(shù)碼顯微互動實驗室的交互系統(tǒng)可以為實驗教學(xué)提供“大數(shù)據(jù)”，實現(xiàn)更大化的資源共享。例如在 “使用高倍鏡觀察幾種細(xì)胞”中，教師可以盡可能多地把各種細(xì)胞切片發(fā)給每組的學(xué)生，學(xué)生在高倍鏡下觀察到切片后，圖像通過教師端的投影系統(tǒng)展示給其他學(xué)生，實現(xiàn)班級成員共享，在眾多的樣本中教師進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生歸納細(xì)胞的多樣性和統(tǒng)一性，從而提高了實驗的學(xué)習(xí)效果。又如在“觀察根尖分生組織細(xì)胞的有絲分裂”實驗中，教師可以為不同的組提供不同的實驗材料，如洋蔥根尖、大蒜根尖、水仙根尖、石蒜根尖等，通過各組的實驗結(jié)果獲取盡可能多的平行數(shù)據(jù)，進(jìn)而探索最適的實驗材料及引導(dǎo)學(xué)生思考不同植物分生組織細(xì)胞有絲分裂的共性。

3.變菜單式實驗課堂為生成性實驗課堂

在傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡實驗室中，教師經(jīng)常在巡堂的過程發(fā)現(xiàn)優(yōu)秀裝片后告知全班哪位學(xué)生的裝片做得很好，做得不好的學(xué)生就排隊觀察這位學(xué)生的裝片。這個過程十分耗時，而且缺失了最關(guān)鍵的談?wù)摥h(huán)節(jié)，因為有限的課堂時間無法使大家展開必要的討論和評價，大家只是看到了好的裝片，卻不知道好的裝片是怎樣做出來的。在數(shù)碼顯微互動實驗室中，教師可以通過將各組同學(xué)實驗觀察到的物象集中采集，通過投影展示在大屏幕上，學(xué)生對好的裝片便從原來的“逐個看”變?yōu)椤叭靠础?，從而釋放出大量的時間。這些時間可以用于對實驗結(jié)果進(jìn)行相互評價，讓切片制作成功的學(xué)生充當(dāng)教師介紹制作切片的關(guān)鍵步驟和心得，教師可以調(diào)用“輔助遙控”功能，在學(xué)生的圖片上，移動指針到特定結(jié)構(gòu)，對學(xué)生的講解進(jìn)行補(bǔ)充和糾正；而對裝片不理想的學(xué)生，可以分析可能出錯的原因，例如在“觀察植物細(xì)胞有絲分裂”實驗中，通過“小老師”的介紹和啟發(fā)，裝片模糊的學(xué)生恍然大悟，有的是因為材料選擇不當(dāng)，沒有選取分生區(qū)，有的是心急解離不充分，有的是壓片的時候沒有用鉛筆的橡皮頭敲散根尖，這些原因都會造成觀察不到預(yù)期的實驗現(xiàn)象。問題的呈現(xiàn)可以給學(xué)生提供分析、反思的機(jī)會，從而變傳統(tǒng)的菜單式實驗課堂為生成性的實驗課堂，在時間充裕的條件下可讓學(xué)生根據(jù)原先的失敗教訓(xùn)重新制作裝片，使更多的學(xué)生體驗成功，從而在愉悅感中培養(yǎng)對生物學(xué)的熱愛。

圖3 洋蔥的質(zhì)壁分離實驗顯示

4.更能體現(xiàn)生命活動連續(xù)性的過程

活細(xì)胞每時每刻都處于動態(tài)變化中，例如“用高倍顯微鏡觀察葉綠體和線粒體”實驗中就要求學(xué)生以葉肉細(xì)胞為材料，在高倍顯微鏡下觀察散布于細(xì)胞質(zhì)中的葉綠體。具體方法是用蘚類的小葉或者黑藻的小葉制成臨時裝片，在低倍顯微鏡下觀察到葉綠體后換用高倍顯微鏡，液晶數(shù)碼顯微鏡相對于傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡可以更清楚地看到葉片細(xì)胞中葉綠體的形態(tài)、分布及動態(tài)。這在于數(shù)碼顯微鏡自帶光源，有充足的光線透過葉片，此時葉片的代謝會更加旺盛，細(xì)胞質(zhì)環(huán)流十分明顯，另外數(shù)碼顯微鏡具有攝錄功能，能把細(xì)胞內(nèi)的動態(tài)變化拍攝成完整的過程。因此學(xué)生看到的就不只是一個鏡像，而是一個連續(xù)的過程，包括細(xì)胞質(zhì)環(huán)流、葉綠體顫動等，這種動態(tài)過程的捕抓有利于學(xué)生形成更為完整的生物學(xué)系統(tǒng)觀。

5.使實驗素材庫及評價體系更為多樣和真實

為了使實驗更加嚴(yán)謹(jǐn)，教師應(yīng)要求實驗后學(xué)生撰寫實驗報告或者繪圖作為實驗反饋。但由于學(xué)生課業(yè)緊張，這一環(huán)節(jié)很多時候被忽略，缺乏了必要的強(qiáng)化和總結(jié)，實驗變?yōu)樽哌^場，實驗中照著課本操作，實驗后很快忘了實驗內(nèi)容。而利用數(shù)碼顯微鏡的拍攝和錄影功能，實驗過程的信息可以及時保存，學(xué)生可以把自己在課堂上生成的內(nèi)容用優(yōu)盤帶走。例如在觀察細(xì)胞減數(shù)分裂的實驗中，教師實驗前可以提出要求，讓學(xué)生盡可能多地找到處于分裂各時期的細(xì)胞并拍攝下來，課后再將圖片按照減數(shù)分裂的先后順序排列在Word中，對于沒有拍到的時期再使用手繪，最后反饋給教師。通過報告，教師能更真實地了解學(xué)生的實驗效果，學(xué)生也可以在整理實驗圖片的過程中復(fù)習(xí)細(xì)胞有絲分裂各時期的特點。此外，教師還可以收集典型結(jié)構(gòu)的圖片作為課件素材及教學(xué)案例，使實驗素材庫及評價體系更為多樣和真實，實現(xiàn)跨班級、跨年度的資源共享。

三、存在問題及對策

我校在應(yīng)用液晶數(shù)碼顯微互動實驗室進(jìn)行高中生物實驗教學(xué)的過程中也發(fā)現(xiàn)了一些有待于解決的問題。

1.數(shù)碼互動系統(tǒng)的投影硬件不足

原來我校采用的是電子白板，由于投影機(jī)的燈泡老化及電子白板的分辨率問題，出現(xiàn)了投影的圖像失真，學(xué)生端的圖像和講臺電子白板上的色差很大，不利于對學(xué)生科學(xué)性的培養(yǎng)。針對這一問題筆者更換了投影設(shè)備，把電子白板和投影機(jī)換成智能一體機(jī)，一體機(jī)為液晶顯示屏幕，像素更高，和原圖色差小，圖片更為清晰真實，學(xué)生可以準(zhǔn)確地看到其他學(xué)生顯微鏡下的圖像。且一體機(jī)屏幕有“隨手寫”功能，教師可在電子屏上自如地寫、圈、還能應(yīng)用放大鏡、聚光燈等處理圖像，使數(shù)碼互動顯微鏡圖片共享如虎添翼，教學(xué)呈現(xiàn)得更加靈活和立體。

2.高中生物教師對運用新設(shè)備進(jìn)行生物實驗教學(xué)的熱情不高

液晶數(shù)碼互動實驗室建成后，仍有大部分教師選擇在傳統(tǒng)光學(xué)實驗室進(jìn)行實驗，分析其原因主要有：部分教師在教學(xué)過程中重知識、輕實踐，對實驗教學(xué)不夠重視；部分教師對新設(shè)備操作存在障礙，覺得使用新設(shè)備要接受新的挑戰(zhàn)，增加了備課負(fù)擔(dān)；部分教師認(rèn)為目前高考對顯微鏡使用的考察還是以傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡為考察對象。針對這一問題，筆者建議增加教師培訓(xùn)的機(jī)會，可以聯(lián)系廠商進(jìn)行新型顯微鏡的使用培訓(xùn)，教師只有“會用”才能“愛用”；多進(jìn)行數(shù)碼互動顯微鏡的課例研究，讓更高效、直觀的教學(xué)效果刺激教師使用現(xiàn)代信息技術(shù)的熱情；而對于高考考查知識點的問題，陳田天等人通過課上觀察、調(diào)查反饋和實驗報告的完成情況發(fā)現(xiàn)數(shù)碼顯微鏡無論是結(jié)構(gòu)還是操作方法都和光學(xué)顯微鏡很相似，在課堂上的使用能促進(jìn)學(xué)生掌握光學(xué)顯微鏡的操作[3]。

四、結(jié)語

液晶數(shù)碼顯微鏡互動實驗室的應(yīng)用為解決傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡實驗室環(huán)境下實驗教學(xué)所遇到的問題提供了技術(shù)的保障。在信息技術(shù)時代，善用新型設(shè)備必將催生出更加積極、開放、高效的生物實驗課堂。

參考文獻(xiàn)

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