徐 婷

(江蘇省南京外國語學(xué)校河西初級(jí)中學(xué) 210019)

1 智慧實(shí)驗(yàn)室簡況

生物學(xué)是一門探究生命現(xiàn)象和生命活動(dòng)規(guī)律的科學(xué)。在生物學(xué)探究的過程中，實(shí)驗(yàn)是尤為重要的一種研究方式，它不僅與學(xué)生生活結(jié)合緊密，還能激發(fā)學(xué)生對(duì)生物學(xué)學(xué)習(xí)的熱情。然而，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)也面臨各種問題。例如，耗時(shí)較長的實(shí)驗(yàn)無法在課堂上完成；實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)條件的限制使得實(shí)驗(yàn)效果不佳等。如何提升生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，已成為急需解決的問題。

智慧實(shí)驗(yàn)室是一種新型的智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，借助數(shù)字化互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、融合智能傳感、智能控制和智能安防等先進(jìn)的無線通信技術(shù)，建造的一套智能控制、遠(yuǎn)程可視的互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)室。本校智慧實(shí)驗(yàn)室根據(jù)功能大致分成幾個(gè)區(qū)域： ①迷你智慧植物園，其采用全套物聯(lián)傳感設(shè)備，可獨(dú)立控制溫度、濕度、遮光、澆水和視頻監(jiān)控等操作；②數(shù)碼實(shí)驗(yàn)臺(tái)，學(xué)生可利用數(shù)碼顯微鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究；③水培種植區(qū)，學(xué)生可親自參與種植，還可以用傳感器測(cè)得并發(fā)送數(shù)據(jù)到移動(dòng)終端；④教學(xué)、討論區(qū)，可進(jìn)行正常課堂教學(xué)。

智慧實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)與使用旨在將生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室和互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)彌補(bǔ)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的不足，并尋找到兩者有效結(jié)合的途徑，提高生物學(xué)教學(xué)質(zhì)量。

2 智慧實(shí)驗(yàn)室在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 迷你智慧植物園 具體如下：

2.1.1 利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有效控制實(shí)驗(yàn)條件 在實(shí)際教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)條件的限制常常會(huì)影響實(shí)驗(yàn)效果的呈現(xiàn)。

例如，在研究“影響種子萌發(fā)的外界因素”的實(shí)驗(yàn)中，因?yàn)榻虒W(xué)進(jìn)行到該內(nèi)容時(shí)，氣溫已經(jīng)比較低了。受到天氣和溫度的影響，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)時(shí)常常培養(yǎng)好幾天也沒有觀察到明顯的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。但是，在迷你智慧植物園中，卻可以有效地控制實(shí)驗(yàn)條件： 將相互獨(dú)立的兩個(gè)迷你植物園進(jìn)行環(huán)境參數(shù)設(shè)置，調(diào)節(jié)環(huán)境溫度為0℃和25℃，其他條件通過程序嚴(yán)格控制相同。同時(shí)，學(xué)生也可以利用監(jiān)控拍下種子萌發(fā)和生長過程，實(shí)時(shí)記錄保存，留下寶貴的實(shí)驗(yàn)資料。

2.1.2 善用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行自主探究 相較于平時(shí)課堂的知識(shí)傳授，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂可提供更多機(jī)會(huì)給學(xué)生主動(dòng)地進(jìn)行探究、提高思維能力和生物學(xué)核心素養(yǎng)。但是，平時(shí)的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)卻存在一些不足： 教師往往是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主導(dǎo)，從實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡讲僮鞑襟E，幾乎都要按照教師的規(guī)定進(jìn)行。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，雖然可以幫助學(xué)生較快地掌握操作技巧，但在對(duì)學(xué)生科學(xué)探究能力的培養(yǎng)上的幫助并不明顯。

迷你智慧植物園的建立，給學(xué)生提供了一個(gè)可自主探究的平臺(tái)。植物園內(nèi)配備了溫度、濕度、二氧化碳、滴灌系統(tǒng)和遮陽系統(tǒng)等智能傳感和控制系統(tǒng)，全部可通過本地或者互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程可視控制。學(xué)生在學(xué)習(xí)傳感器和控制軟件的使用辦法后，就可以開始嘗試?yán)眠@些器材對(duì)自己感興趣的問題進(jìn)行探究。例如，由于學(xué)生對(duì)于空氣污染的問題比較感興趣： 他們找來了生活中常見的一些綠色植物，探究這些植物對(duì)空氣中可吸入顆粒物吸收能力的差異： 首先對(duì)四個(gè)迷你智慧植物園的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證每個(gè)迷你植物園的環(huán)境是相同的；再將不同的綠色植物放置在植物園中。通過一段時(shí)間的培養(yǎng)后，測(cè)量PM 2.5濃度的變化，并針對(duì)研究的結(jié)果進(jìn)行更深層次的交流探討。

此外，學(xué)生還探究了“同種植物在不同環(huán)境中空氣凈化能力的比較”等實(shí)驗(yàn)。在這些實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生充分體驗(yàn)了從發(fā)現(xiàn)問題、提出問題、作出假設(shè)到設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、分析數(shù)據(jù)和得出結(jié)論的完整過程。

2.2 智用數(shù)碼實(shí)驗(yàn)臺(tái)，提高交流互動(dòng) 初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中涉及使用顯微鏡的實(shí)驗(yàn)比較多，包括觀察動(dòng)植物細(xì)胞結(jié)構(gòu)、觀察葉片的結(jié)構(gòu)、觀察微生物的形態(tài)、觀察人血涂片和探究酒精對(duì)水蚤心率的影響等。在平時(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，常會(huì)采用普通光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。但是，這樣的教學(xué)方式卻存在一定的不足： 教師在對(duì)學(xué)生進(jìn)行輔導(dǎo)時(shí)很難兼顧到全體學(xué)生；或有些學(xué)生不愿意和教師及時(shí)交流反饋，直到下課都沒有觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。因此，學(xué)生的某些優(yōu)秀實(shí)驗(yàn)成果，或者一些典型錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，無法記錄下來進(jìn)行分享或分析。還有一些需要較長時(shí)間才能觀察到結(jié)果的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生又很難做到一直盯著顯微鏡的鏡筒等。因此，在智慧實(shí)驗(yàn)室中，筆者嘗試借助數(shù)碼顯微鏡彌補(bǔ)平時(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的一些遺憾。

例如，在探究“酒精對(duì)水蚤心率的影響”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)之一是如何找到水蚤的心臟并計(jì)算心率。而在數(shù)碼顯微鏡的幫助下，教師可將自己做好的臨時(shí)玻片標(biāo)本圖像展示在屏幕上，對(duì)全班學(xué)生進(jìn)行集中指導(dǎo)；在實(shí)驗(yàn)過程中，教師也可通過查看每組的觀察圖像，及時(shí)了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)狀況，并對(duì)實(shí)驗(yàn)遇到困難的小組進(jìn)行講解。同時(shí)，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也可被截圖記錄、展示和分析對(duì)比，對(duì)本班學(xué)生的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行交流。

在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生還可利用數(shù)碼顯微鏡將自己滿意的實(shí)驗(yàn)圖片或視頻記錄并保存下來，后期也可通過圖像處理在上面進(jìn)行文字注解等，這種學(xué)習(xí)形式大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性與參與度。

2.3 巧用傳感器，拓展教材實(shí)驗(yàn) 因初中生認(rèn)知能力和操作能力的限制，初中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)主要是做一些定性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)可以獲得“是”或“不是”的結(jié)論。但是，一些學(xué)有余力或者對(duì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)感興趣的學(xué)生，他們對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的定量認(rèn)識(shí)的需求卻很難得到滿足。

例如，在驗(yàn)證“植物的呼吸作用產(chǎn)生二氧化碳”一節(jié)的實(shí)驗(yàn)中，一般是將植物呼吸產(chǎn)生的氣體通入澄清石灰水中進(jìn)行證明。但實(shí)際操作過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)難度較大： 學(xué)生通過擠壓裝有新鮮蔬菜的黑色塑料袋，將其中的氣體通過吸管擠到澄清石灰水中，這樣的操作一方面是塑料袋容易漏氣；另一方面又較難確保擠出氣體的量，以至于該實(shí)驗(yàn)的效果并不理想。而利用傳感器技術(shù)將定性實(shí)驗(yàn)改進(jìn)為定量實(shí)驗(yàn)后，學(xué)生只需利用傳感器探頭分別測(cè)量裝有新鮮蔬菜的容器中前后兩次的二氧化碳濃度，從電腦上就可以直接讀出濃度數(shù)據(jù)，非常直觀而準(zhǔn)確地獲取信息，并驗(yàn)證了植物的呼吸作用產(chǎn)生二氧化碳的事實(shí)。

巧用傳感器，將定性實(shí)驗(yàn)改成定量實(shí)驗(yàn)，既保證了實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行，又在一定程度上拓展了教材上原有實(shí)驗(yàn)的深度，學(xué)生還可進(jìn)一步根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究和探討。

2.4 活用水培種植，進(jìn)行情感教育 城市中的學(xué)生從小生活在高樓林立的環(huán)境中，較多學(xué)生對(duì)生物學(xué)的感性認(rèn)識(shí)模糊，只能依靠教材、互聯(lián)網(wǎng)的輔助來了解。但是，教材、互聯(lián)網(wǎng)卻不能給學(xué)生一個(gè)生動(dòng)的生物生長過程，而通過智慧實(shí)驗(yàn)室可以彌補(bǔ)這方面的不足。

例如，利用智慧實(shí)驗(yàn)室中的水培種植區(qū)，教師可以在課余、選修課和校本課程等時(shí)間，帶領(lǐng)學(xué)生去接近自然： 如認(rèn)識(shí)校園植物、種植蘑菇、植物標(biāo)本的制作、體驗(yàn)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)箱和制作簡易澆灌設(shè)備等。在植物品種的選擇上，教師可以根據(jù)教材選擇實(shí)驗(yàn)中會(huì)用到的植物，也可以種植一些具有代表性的、易栽培的植物，讓學(xué)生課外進(jìn)行研究。在種植管理上可以發(fā)揮學(xué)生社團(tuán)或者選修課興趣小組的作用，按照季節(jié)和教學(xué)進(jìn)度安排植物的種植。例如，在教八年級(jí)(上冊(cè))前可種植一些苔蘚、藻類和蕨類植物，為“五彩繽紛的植物世界”一節(jié)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)做好準(zhǔn)備。

學(xué)生在立體化的互聯(lián)網(wǎng)水培種植架上進(jìn)行種植，在體驗(yàn)科技發(fā)展的同時(shí)，更能體驗(yàn)到勞動(dòng)的艱辛與快樂。他們?cè)诜N植過程中會(huì)遇到各種各樣的問題： 為什么種子萌發(fā)率不高？為什么葉片會(huì)發(fā)黃？“紙上得來終覺淺，絕知此事要躬行”。學(xué)生在實(shí)踐中能發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，通過自主參與的種植實(shí)踐活動(dòng)，也培養(yǎng)了他們對(duì)自然環(huán)境的關(guān)注與關(guān)心。

*前文受翰思科學(xué)儀器公司關(guān)注*