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        Excel軟件在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

        2021-12-22 10:12:02林建春浙江省溫州市洞頭區(qū)第一中學(xué)浙江溫州325700
        生物學(xué)通報(bào) 2021年3期
        關(guān)鍵詞:生物學(xué)可視化實(shí)驗(yàn)教學(xué)

        林建春 (浙江省溫州市洞頭區(qū)第一中學(xué) 浙江溫州 325700)

        Excel軟件擁有直觀的界面、出色的計(jì)算和繪制圖表功能,使其成為最實(shí)用的個(gè)人計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件。在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,定量分析實(shí)驗(yàn)始終離不開數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、處理和分析。通過應(yīng)用Excel 軟件,可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理、生成和可視化等多方面用途。本文基于高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),以浙科版高中生物學(xué)教材中的多個(gè)實(shí)驗(yàn)為例,闡述Excel 軟件在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用,以期將其推廣應(yīng)用于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。

        1 利用圖表工具實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可視化

        定量實(shí)驗(yàn)通常需要進(jìn)行記錄、整理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),有助于學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究過程。以“制作并觀察植物細(xì)胞有絲分裂的臨時(shí)裝片”為例,可將該實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槎糠治鰧?shí)驗(yàn),例如,進(jìn)行探究洋蔥根尖分生區(qū)細(xì)胞周期。制作洋蔥根尖分生區(qū)細(xì)胞周期,需要學(xué)生在制作和觀察植物細(xì)胞有絲分裂臨時(shí)裝片的基礎(chǔ)上,對(duì)間期和分裂期細(xì)胞分別進(jìn)行計(jì)數(shù)[1],細(xì)胞數(shù)目越多,說明在細(xì)胞周期中該時(shí)期所占的比例越大。最終,可利用Excel 軟件自帶的圖表工具實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)結(jié)果可視化(圖1)。通過該實(shí)驗(yàn),學(xué)生對(duì)細(xì)胞周期及其制作過程有直觀的認(rèn)識(shí)與體驗(yàn)。

        圖1 利用Excel 軟件繪制洋蔥根尖細(xì)胞周期圖[1]

        此外,在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,還可通過分光光度計(jì)、傳感器等儀器實(shí)現(xiàn)定量實(shí)驗(yàn)分析。以分光光度計(jì)為例,可應(yīng)用于“檢測(cè)生物組織中還原糖、蛋白質(zhì)”“探究培養(yǎng)液中酵母菌數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化”“探究影響酶活性的因素”等多個(gè)必修課程實(shí)驗(yàn)中(表1)。對(duì)于獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),教師與學(xué)生可利用Excel 圖表功能進(jìn)行結(jié)果可視化展示,進(jìn)而分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、表達(dá)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,有利于學(xué)生形成尊重事實(shí)、證據(jù)的科學(xué)態(tài)度,提升科學(xué)思維素養(yǎng)。表1為三大類實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果展示參考圖[2]。上圖為“檢測(cè)3 種乳制品中蛋白質(zhì)含量”結(jié)果可視化展示;中圖為“培養(yǎng)液中細(xì)菌數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化”結(jié)果可視化展示;下圖為“探究溫度對(duì)淀粉酶(來自小麥幼苗)活性的影響”實(shí)驗(yàn)結(jié)果可視化展示[2]。

        表1 分光光度計(jì)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用及數(shù)據(jù)可視化展示

        2 輔助擬合功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化

        2.1 線性擬合繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線 在“泡菜的腌制和亞硝酸鹽的測(cè)定”實(shí)驗(yàn)中,需要繪制亞硝酸鹽的標(biāo)準(zhǔn)曲線。教材中繪制亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)曲線的大致步驟為:取一系列不同濃度的亞硝酸鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液分別與顯色劑反應(yīng),將反應(yīng)液置于光程1 cm 的比色杯中,在550 nm 處測(cè)定光密度值。最后,以亞硝酸鈉質(zhì)量或濃度為橫坐標(biāo),以光密度值為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。教材并未交代清楚如何利用數(shù)據(jù)精準(zhǔn)繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

        通過實(shí)驗(yàn)操作,最終會(huì)得到多組數(shù)據(jù)(表2),利用多組數(shù)據(jù)按照傳統(tǒng)方法手動(dòng)計(jì)算并制作標(biāo)準(zhǔn)曲線不僅難度極大,且費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。應(yīng)用Excel 軟件中的散點(diǎn)圖及添加趨勢(shì)線功能,可快速線性擬合出標(biāo)準(zhǔn)曲線。具體步驟為:選擇數(shù)據(jù)→選中編輯欄中的“插入”→選擇散點(diǎn)圖→添加趨勢(shì)線→選擇線性 (L)→勾選顯示公式和顯示R2。結(jié)果如圖2所示,由R2為0.9959 可知,本次繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線是可信的。應(yīng)用Excel 軟件,在幾分鐘內(nèi)即可完成標(biāo)準(zhǔn)曲線制作,有利于提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。

        表2 亞硝酸鹽溶液濃度與OD 值之間的關(guān)系

        圖2 利用Excel 軟件線性擬合功能繪制亞硝酸鹽標(biāo)準(zhǔn)曲線

        此外,在浙科版“探究培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的動(dòng)態(tài)變化”實(shí)驗(yàn)中,其實(shí)驗(yàn)?zāi)康陌▽W(xué)習(xí)用血細(xì)胞計(jì)數(shù)板進(jìn)行酵母菌細(xì)胞計(jì)數(shù)的操作方法、學(xué)習(xí)比濁計(jì)(或比色計(jì))的使用方法,并找出酵母菌細(xì)胞數(shù)量變化與其渾濁度之間的關(guān)系。尋找酵母菌細(xì)胞數(shù)量變化與渾濁度的關(guān)系,類似于上述標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作。應(yīng)用Excel 軟件,以培養(yǎng)不同時(shí)期的酵母菌數(shù)量為橫坐標(biāo),渾濁度為縱坐標(biāo),繪制散點(diǎn)圖,再通過添加輔助線、選擇線性、勾選顯示公式和顯示R2等操作,即可快速擬合出二者之間的線性關(guān)系。

        2.2 指數(shù)擬合繪制“J”型增長(zhǎng)曲線 在必修3“種群的增長(zhǎng)方式”教學(xué)中,也可利用Excel 的擬合功能繪制J 型增長(zhǎng)曲線(圖3)。其具體做法與上述標(biāo)準(zhǔn)曲線制作類似,只是在添加輔助線時(shí),選擇“指數(shù)”而不是選擇“線性”。之所以利用擬合功能而不是直接采用圖表繪制功能進(jìn)行繪制J 型增長(zhǎng)曲線,其原因是,自然界中種群增長(zhǎng)數(shù)量的真實(shí)數(shù)據(jù)不可能與指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)完全一致,直接繪制得到的曲線波動(dòng)較大,而利用擬合功能更加科學(xué)地反映自然界中種群數(shù)量指數(shù)增長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系。

        圖3 利用Excel 軟件指數(shù)擬合功能繪制種群的指數(shù)增長(zhǎng)模型

        3 利用函數(shù)功能生成與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

        3.1 模擬孟德爾雜交實(shí)驗(yàn) 模擬孟德爾雜交實(shí)驗(yàn)時(shí),由于在課堂中學(xué)生模擬次數(shù)有限,使得模擬結(jié)果難以趨于真實(shí)分離比。借助Excel 軟件簡(jiǎn)單函數(shù)功能,可實(shí)現(xiàn)快速獲得和統(tǒng)計(jì)大數(shù)據(jù),從而使結(jié)果更加準(zhǔn)確。以“模擬分離定律”為例(圖4),在Excel 中先建立模擬流程圖,在模擬圖右側(cè)為模擬數(shù)據(jù)產(chǎn)生過程,下邊是模擬數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

        圖4 應(yīng)用Excel 軟件模擬孟德爾雜交實(shí)驗(yàn)

        在圖4中,共有9 個(gè)關(guān)鍵單元格(即灰色單元格)需要輸入公式。其中,單元格K3 和L3 輸入公式為“=IF(RAND()<0.5,"A","a")”。RAND()函數(shù)可生成介于[0,1)之間的隨機(jī)數(shù),因而隨機(jī)數(shù)介于[0,0.5)和[0.5,1)內(nèi)的概率均為0.5。IF(條件,甲,乙)為邏輯函數(shù),如果括號(hào)內(nèi)條件滿足,則返回甲值;如果不滿足,則返回乙值。單元格K3、L3輸入的公式,表示隨機(jī)數(shù)大小在[0,0.5)內(nèi),則輸出A,隨機(jī)數(shù)大小在[0.5,1)內(nèi),則輸出a。該公式含義與模擬基因型Aa個(gè)體產(chǎn)生A、a配子的情況一致。單元格M3 中的公式“=K3&L3”是將K3 和L3 單元格中的字符串連在一起,即模擬受精作用,可能的結(jié)果會(huì)有4 種類型,即AA、Aa、aA、aa。

        單元格D23=SUMPRODUCT(N(EXACT(M ∶M,"AA")))、D24=SUMPRODUCT(N(EXACT(M ∶M,"Aa")))、D25=SUMPRODUCT (N (EXACT (M ∶M,"aA")))和D26=SUMPRODUCT(N(EXACT(M∶M,"aa")))。EXACT()函數(shù)用來測(cè)試2 字符串是否完全一致,如果2 字符串之間完全一致,則返回TRUE;否則,返回FALSE。N()函數(shù)是一個(gè)用來返回轉(zhuǎn)換為數(shù)值的函數(shù),SUMPRODUCT()是條件累積求和函數(shù)。以單元格D23 中的公式為例進(jìn)行說明,“=SUMPRODUCT(N(EXACT(M∶M,"AA")))”是指在M 這一列單元格中,遇到與“AA”字符串完全一致的,則EXACT()函數(shù)輸出為TRUE,N()函數(shù)結(jié)果計(jì)1,SUMPRODUCT()函數(shù)進(jìn)行累加,從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)“AA”字符的統(tǒng)計(jì)。單元格D27 中的“=D23&"∶"&SUM(D24∶D25)&"∶"&D26”是用于將AA、Aa和aa的統(tǒng)計(jì)數(shù)量以比值的形式輸出(注:Aa與aA在統(tǒng)計(jì)時(shí)均合計(jì)為Aa的數(shù)量)。此外,單元格D22=SUM(D23∶D26),是對(duì)單元格D23 至D26 中的數(shù)值相加,即統(tǒng)計(jì)模擬次數(shù)。

        在實(shí)際教學(xué)過程中為減少公式輸入時(shí)間,可提前將公式輸入各單元格,各單元格隨即得到相應(yīng)的數(shù)字或字符。模擬批量產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)“大數(shù)據(jù)”時(shí),選中單元格K3、L3 和M3 并下拉,即可獲得模擬“大數(shù)據(jù)”,并且模擬圖下方隨即得到模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖4是將單元格K3、L3 和M3 下拉至1 002行后(即模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行1 000 次),所獲得的模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示AA、Aa和aa比值為238∶502 ∶260,非常接近分離比1∶2∶1,說明利用Excel 軟件模擬分離定律效果佳,同時(shí)也解決了實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中大數(shù)據(jù)難以獲得、結(jié)果難以統(tǒng)計(jì)的問題,該方法也適合應(yīng)用于自由組合定律、測(cè)交等模擬實(shí)驗(yàn)中。

        3.2 模擬探究細(xì)胞表面積與細(xì)胞體積的關(guān)系在“模擬探究細(xì)胞表面積與細(xì)胞體積的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中,也可應(yīng)用Excel 軟件函數(shù)功能計(jì)算得出相應(yīng)數(shù)據(jù)。如表3所示,在Excel 軟件中輸入相應(yīng)的正方體邊長(zhǎng)或球體半徑,利用函數(shù)公式即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理,解決了教學(xué)中一些繁雜數(shù)據(jù)的計(jì)算問題。此外,教師也可利用表格中的數(shù)據(jù),應(yīng)用Excel 圖表功能制作相應(yīng)的柱狀圖或曲線圖,幫助學(xué)生直觀認(rèn)識(shí)半徑、邊長(zhǎng)與比表面積的關(guān)系。

        表3 利用Excel 軟件函數(shù)功能計(jì)算正方體和球體表面積與體積之比

        4 總結(jié)

        Excel軟件可應(yīng)用于高中生物學(xué)多個(gè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,同時(shí),在學(xué)生課外研究性課題、學(xué)生小論文寫作中也能進(jìn)行應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用Excel 軟件,不僅能以各種形式的圖形直觀表示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了結(jié)果的可視化,同時(shí),還能優(yōu)化實(shí)驗(yàn)過程,提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率。此外,實(shí)驗(yàn)是促成學(xué)生達(dá)成生物學(xué)核心素養(yǎng)的重要途徑與手段?!镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》指出高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)重視定量實(shí)驗(yàn),向?qū)W生提供學(xué)習(xí)測(cè)量方法的機(jī)會(huì),使其在記錄、整理和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的過程中了解事物的本質(zhì)[4]。高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用Excel 軟件,可為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理和分析提供新的途徑,有利于學(xué)生體驗(yàn)完整的科學(xué)研究過程,提升生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。

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