商 勇

（深圳市鹽田區(qū)教育科學(xué)研究院 廣東深圳 518000）

新課改強(qiáng)調(diào)學(xué)生的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力以及學(xué)科素養(yǎng)，這是社會(huì)發(fā)展對(duì)人才培養(yǎng)的需求?，F(xiàn)階段最重要的時(shí)代特征是信息技術(shù)的應(yīng)用。教育部《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011-2020年）》指出推進(jìn)信息技術(shù)與教學(xué)融合，利用信息技術(shù)開展啟發(fā)式、探究式、討論式、參與式教學(xué)，探索建立以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)新模式，提高信息化教學(xué)水平；《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）也提出，學(xué)校和教師應(yīng)特別重視信息化環(huán)境下的學(xué)習(xí)，關(guān)注信息技術(shù)資源的開發(fā)和利用，促進(jìn)人才培養(yǎng)模式轉(zhuǎn)變，著力發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)。在這樣的課程改革和社會(huì)發(fā)展背景下，以探究性為主要特點(diǎn)的現(xiàn)代化教學(xué)技術(shù)手段DIS應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)是必然趨勢(shì)。

1 生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀

生物學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，實(shí)驗(yàn)教學(xué)是生物學(xué)教學(xué)中的重要組成部分。目前的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)還有待完善，如實(shí)驗(yàn)對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究能力有重要作用，也是學(xué)生形成生物學(xué)概念，總結(jié)生物學(xué)規(guī)律的重要途徑。教師在觀念上不夠重視，由于紙筆考試的導(dǎo)向更多側(cè)重于知識(shí)教學(xué)，忽略了實(shí)驗(yàn)操作技能的培養(yǎng)；開設(shè)實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)校也多是以演示實(shí)驗(yàn)為主，學(xué)生參與度不高；學(xué)校實(shí)驗(yàn)課的課時(shí)安排不足，生物實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)發(fā)展也存在一定差異。導(dǎo)致這些現(xiàn)象的原因可能在于實(shí)驗(yàn)操作的考核體系有待進(jìn)一步完善，有的學(xué)校并未將實(shí)驗(yàn)操作考試納入期末考試，更多只是安排學(xué)生參加畢業(yè)前的學(xué)業(yè)水平理論測(cè)試。

隨著新課改的逐步推進(jìn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革也必然會(huì)成為一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，《課程標(biāo)準(zhǔn)》指出，組織以探究為特點(diǎn)的主動(dòng)學(xué)習(xí)是落實(shí)生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的關(guān)鍵，生物學(xué)實(shí)驗(yàn)就是探究活動(dòng)的重要組成部分。

2 DIS與生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

2.1 DIS概述

DIS（Digital Information System）全稱“數(shù)字化信息實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”。它是一種將信息技術(shù)和教學(xué)方法相結(jié)合的教學(xué)工具，主要由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)以及相應(yīng)的特定軟件四部分所構(gòu)成。傳感器可以將光、熱、電、力、溫度、水分、壓強(qiáng)等信號(hào)實(shí)時(shí)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集中心，并由其轉(zhuǎn)換為可以被計(jì)算機(jī)軟件識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。此時(shí)，計(jì)算機(jī)執(zhí)行相應(yīng)命令，以數(shù)據(jù)、圖形、表格等形式展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)者要求進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、分析等后續(xù)處理。

2.2 DIS與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合

DIS實(shí)驗(yàn)的研發(fā)是現(xiàn)代信息技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用的突出案例。由于不同實(shí)驗(yàn)學(xué)科發(fā)展的特點(diǎn)不同，目前在高中實(shí)驗(yàn)學(xué)科中，物理DIS實(shí)驗(yàn)操作的研發(fā)已相對(duì)較為成熟，而生物DIS實(shí)驗(yàn)尚有待加強(qiáng)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芊褶D(zhuǎn)換為DIS實(shí)驗(yàn)很重要的一點(diǎn)在于是否有合適的傳感器將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或?qū)嶒?yàn)結(jié)果傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集器中。生物學(xué)科DIS實(shí)驗(yàn)的發(fā)展也是基于物理或者化學(xué)學(xué)科方面已有的傳感器來(lái)開發(fā)。目前的傳感器大都是和電流、電壓、溫度、pH、壓強(qiáng)、顏色等有關(guān)，故市場(chǎng)上可用的傳感器種類有限是造成生物DIS實(shí)驗(yàn)發(fā)展尚不成熟的主要原因之一。

目前也有多個(gè)將DIS技術(shù)用于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的成功案例。例如，“探究不同pH對(duì)過(guò)氧化氫酶活性的影響”實(shí)驗(yàn)中，為了探究了4個(gè)不同pH條件下土豆中的過(guò)氧化氫酶對(duì)于H2O2分解的影響，可通過(guò)O2傳感器探測(cè)出單位時(shí)間O2釋放的多少來(lái)反映出過(guò)氧化氫酶活性受pH影響的變化，并在數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)的協(xié)助下得到擬合曲線。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置含有DIS的所有組分：傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)和應(yīng)用軟件。學(xué)生通過(guò)協(xié)調(diào)裝置以及合理設(shè)置實(shí)驗(yàn)，能夠高效地完成實(shí)驗(yàn)操作并得到預(yù)期實(shí)驗(yàn)結(jié)果。高中階段的探究類實(shí)驗(yàn)只要能夠?qū)⑺^察到的現(xiàn)象通過(guò)直接或者間接的轉(zhuǎn)換使其能夠被適合的傳感器采集到，都可以進(jìn)行DIS實(shí)驗(yàn)的開發(fā)，如影響酶活性的條件、探究酵母菌的呼吸方式、環(huán)境因素對(duì)光合作用的影響、細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系等，都可以采用DIS的方式完成，以達(dá)到實(shí)驗(yàn)觀察的實(shí)時(shí)性與高效性，有效提升實(shí)驗(yàn)效率。

2.3 DIS與實(shí)驗(yàn)操作考試

目前針對(duì)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)操作的考試主要以紙筆測(cè)試形式，考查學(xué)生的理論知識(shí)水平以及對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟等的記憶，也有一些關(guān)于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的思維性考查，但總的來(lái)說(shuō)都未能很好地反映學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手操作能力。這主要是考慮到實(shí)驗(yàn)操作考試需要耗費(fèi)較多的人力物力和時(shí)間，監(jiān)考教師的評(píng)判也具有一定的主觀性。DIS技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以將實(shí)驗(yàn)升級(jí)為實(shí)時(shí)智能化的實(shí)驗(yàn)操作考試系統(tǒng)。學(xué)生實(shí)驗(yàn)前，教師預(yù)先在軟件中設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)和容錯(cuò)范圍，根據(jù)不同操作步驟的權(quán)重賦予一定分值；學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)，傳感器檢測(cè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作步驟和呈現(xiàn)結(jié)果；在操作完成后，由系統(tǒng)根據(jù)既定的分值設(shè)定進(jìn)行評(píng)分。例如，在探究植物細(xì)胞失水的DIS實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生完成顯微鏡對(duì)光、臨時(shí)裝片制作、引流等實(shí)驗(yàn)步驟，并上傳實(shí)驗(yàn)結(jié)果，系統(tǒng)可以自動(dòng)評(píng)分。

生物實(shí)驗(yàn)操作考核體系的建立是一個(gè)全面的過(guò)程，它不是純粹理論知識(shí)的再現(xiàn)，而是一種實(shí)驗(yàn)技能、學(xué)科素養(yǎng)和邏輯思維的綜合?？己朔绞降霓D(zhuǎn)變會(huì)更進(jìn)一步推動(dòng)生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的改革。雖然這種DIS實(shí)驗(yàn)操作考核模式還處于初期，不過(guò)它既考慮到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，又兼顧實(shí)驗(yàn)過(guò)程，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)更為有益。另外，和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)監(jiān)考相比，它具有統(tǒng)一、高效、實(shí)時(shí)的特點(diǎn)，為開發(fā)生物實(shí)驗(yàn)操作考試提供一個(gè)新的思路。

3 DIS實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的比較

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是根據(jù)《課程標(biāo)準(zhǔn)》的要求以及教學(xué)課時(shí)安排完成的，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力和生物學(xué)科思維具有重要作用，也是將來(lái)學(xué)生開展生物類探究實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。DIS實(shí)驗(yàn)是基于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)各種傳感器以及計(jì)算機(jī)的分析處理提升實(shí)驗(yàn)效率，并沒(méi)有忽視實(shí)驗(yàn)操作，而是在一些現(xiàn)象觀察、數(shù)據(jù)收集等方面縮短了本應(yīng)花費(fèi)的時(shí)間。例如，觀察產(chǎn)生氧氣的量，可以通過(guò)氣泡、帶火星衛(wèi)生香的復(fù)燃等方式獲得，也可以直接通過(guò)氧氣傳感器來(lái)得到較為精確的數(shù)據(jù)，并形成可視化的曲線規(guī)律。類似這樣對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的優(yōu)化和升級(jí)，可以讓學(xué)生更多的回歸對(duì)實(shí)驗(yàn)本身設(shè)計(jì)的思考。

除了信號(hào)的實(shí)時(shí)傳遞、數(shù)據(jù)的自動(dòng)化采集、實(shí)驗(yàn)效率的提升等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)外，DIS在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的價(jià)值還體現(xiàn)在對(duì)學(xué)生思維能力的培養(yǎng)上。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的實(shí)驗(yàn)器材和相關(guān)用品都是由實(shí)驗(yàn)員在課前準(zhǔn)備完畢，學(xué)生進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后更多的是根據(jù)課本上的實(shí)驗(yàn)步驟來(lái)逐一完成，而DIS的實(shí)驗(yàn)方式要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作上首先要明白相關(guān)理論基礎(chǔ)，同時(shí)也要熟悉每個(gè)環(huán)節(jié)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中的作用，并能夠合理有效的構(gòu)建出可達(dá)到預(yù)期結(jié)果的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?。這既是一種創(chuàng)新，也培養(yǎng)和鍛煉了學(xué)生分析問(wèn)題、思考問(wèn)題的能力。

DIS實(shí)驗(yàn)有助于開展實(shí)驗(yàn)探究。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)由于考慮到實(shí)驗(yàn)效果等因素，在實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)器材的使用方面有一定規(guī)范要求，DIS實(shí)驗(yàn)由于傳感器的通用性，可以方便地進(jìn)行不同實(shí)驗(yàn)材料的比較和拓展。例如，將DIS應(yīng)用于光合作用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)中，除了可以實(shí)時(shí)探究光合作用中二氧化碳和氧氣的含量變化，還可以比較不同植物的光合作用產(chǎn)量差異，能夠進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生對(duì)不同植物光合作用的特點(diǎn)進(jìn)行分析，有助于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力。但不是所有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)都可以開發(fā)為對(duì)應(yīng)的DIS實(shí)驗(yàn)，如觀察細(xì)胞形態(tài)、觀察有絲分裂和減數(shù)分裂等實(shí)驗(yàn)，其所展示的是靜態(tài)的生物學(xué)現(xiàn)象，不適宜開發(fā)為DIS實(shí)驗(yàn)；而當(dāng)觀察結(jié)果本身就是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目標(biāo)時(shí)，該實(shí)驗(yàn)也不適宜開發(fā)為DIS實(shí)驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)代信息技術(shù)的發(fā)展對(duì)基礎(chǔ)教育改革具有一定推動(dòng)作用，DIS技術(shù)與實(shí)驗(yàn)操作的結(jié)合也必將帶來(lái)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式的變革。DIS實(shí)驗(yàn)是在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的延伸和拓展，有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和創(chuàng)新精神，也有助于促進(jìn)傳統(tǒng)課堂中培養(yǎng)學(xué)生單一知識(shí)性思維向多元化能力發(fā)展的轉(zhuǎn)變?；诳萍脊鹃_發(fā)的規(guī)?；瘮?shù)字實(shí)驗(yàn)室也將進(jìn)一步促進(jìn)DIS技術(shù)在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)操作中的應(yīng)用，如朗威?DISLab數(shù)字化信息實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開發(fā)的生物傳感器已經(jīng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)實(shí)踐。隨著新課改的推進(jìn)，教師也應(yīng)轉(zhuǎn)變教學(xué)方法，注重專業(yè)知識(shí)和信息技能的全面發(fā)展，不斷嘗試和探索DIS在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，以更好地提升學(xué)生生物學(xué)核心素養(yǎng)。