数字化生物实验室在教学中的应用

生物学是一门实验学科，生物学实验是培养学生创新思维和实践操作能力的有效途径，是转变学生学习方式的有效手段。先进的实验教学设备，有利于实验教学的开展，有利于改进实验教学的模式，有利于提高实验教学的效率。数字化生物实验室作为一种先进的实验教学装备，实现了信息技术与生物学实验技术的有效整合，是生物学实验教学的有效工具。

一、数字化生物实验室的构成

数字化生物实验室是利用多媒体信息技术辅助生物实验教学的实验教学系统。我校的数字化实验室包括显微数码互动系统、数字传感器系统、虚拟实验系统三部分，其构成如图1所示。

二、数字化生物实验室在高中生物实验教学中的应用

（一）显微数码互动系统在高中生物实验教学中的应用

1.教学中的优势

显微数码互动系统在显微实验教学中具有以下主要优势。（1）易于示教：可以将教师显微镜或学生显微镜视野中典型的图像转播到投影屏幕上或学生的电脑屏幕上，方便示范和讲解。（2）便于指导：在教师的电脑屏幕上能监控每台学生显微镜视野中的图像，能够及时发现学生实验中的问题并给予指导。（3）互动性强：可以通过彩信（或语音问答系统）实现师生之间或生生之间的交流。

2.应用举例

【案例1】在“观察根尖分生组织细胞的有丝分裂”实验教学中，使用一般的显微设备教学时由于教师难演示、难实时监控、难及时指导以及学生间难交流等原因，实验成功率一般比较低，而且时间比较紧很难在45分钟内完成，使用显微数码互动系统则能够很好地解决以上问题，明显提高课堂效率，实验成功率大大提高。教学流程如图2所示。

【案例2】利用显微数码互动系统可将实验“观察洋葱表皮细胞的质壁分离及质壁分离复原”改进为“研究不同浓度的不同溶液对植物细胞吸水和失水的影响”，在实验中学生可自行设计配置不同物质（如KNO3、NaCl、蔗糖、乙二醇等）的不同浓度的溶液进行试验，利用摄像功能记录植物细胞在不同条件下吸水和失水的情况，利用测量功能测量液泡的大小，然后利用分析软件进行比较分析。这样的改进使得实验的探究性更强了，学生活动也增多了，学生对物质运输内涵的理解也会更深入。

（二）数字传感器系统在高中生物实验教学中的应用

1.教学中的优势

数字传感器系统在高中生物实验教学中的优势主要表现在：（1）可以使实验中的不可见现象成为可见，把难以测定的数据变得方便测定，使定性实验上升为定量实验；（2）能实时动态地采集实验数据，展现生命现象的动态过程；（3）用传感器测得的数据比较精确，且灵敏度高，能够检测捕捉微弱的变化；（4）实验数据通过相应软件处理，可以自动生成图表，简便、快捷、直观。

2.应用举例

【案例3】高中生物教材中《酶的催化效率》实验通常用观察和比较不同试管内气泡产生的数量和卫生香的复燃情况，得出酶具有高效性的结论，是一个定性的实验。利用压强传感器可以把这一实验改进成为定量实验，且实验结果以曲线的形式显示也更为直观。实验装置和实验结果如图3、图4所示。

说明试管上连接的是压强传感器，三支试管分别加入等量的20%新鲜猪肝研磨液、3.5%FeCl3溶液、蒸馏水，H2O2通过注射器同时加入试管。

说明曲线（1）（2）（3）分别表示新鲜猪肝研磨液、FeCl3 溶液、蒸馏水中加入H2O2 溶液后试管内部压强随时间（约0～75s）的变化。通过图线会发现盛有新鲜猪肝研磨液的试管

中压强迅速升高，后趋于平稳（压强最大值约在20kPa），盛有FeCl3 溶液的试管中压强变化缓慢但略有升高（压强最大值约在7kPa），盛有蒸馏水的试管中压强没有明显变化。

【案例4】光合作用是高中生物教学的重点和难点，且学生很难对其进行探究，主要原因是光合作用和呼吸作用往往是同时进行的，而这两个生理过程的主要宏观变化都是CO2和O2气体体积在密闭容器内的变化，用肉眼难以观察，一般实验设备难以测定。如果利用CO2和O2传感器去测量实验环境中CO2和O2的真实变化量，再利用数据采集器收集数据，利用相应的软件进行加工处理，整个实验过程以曲线图的形式呈现，给学生以感性的认识，加上教师理性的分析和讲解，那么这个教学难点就很容易突破。我们还可以配合温度传感器、光照强度传感器来研究影响光合作用的因素。

（三）虚拟实验系统在高中生物实验教学中的应用

1.教学中的优势

虚拟实验系统在教学中的优势体现在多个方面。（1）节省费用：生物实验的许多仪器、试剂、材料价格昂贵，而且许多是消耗品、易坏品，需要不断补充。虚拟实验系统将实物变成了仿真模型，既不会损坏也不会消耗，可以长期重复使用，有效地突破了实验器材的限制，节省大量的费用。（2）突破了实验的时间和空间限制：一些需要十几小时甚至几个月几年的时间完成的实验，可以通过虚拟技术在很短的时间内模拟完成。（3）能够及时纠正学生的错误，强化知识和技能的掌握：虚拟实验中计算机能对实验操作作出迅速反馈，如果学生不按规定程序操作，就会自动出现一个错误提示且不能继续进行实验，学生就必须及时改正，直至正确地完成实验，在一次次的错误尝试中学生的知识和技能可以得到有效强化。

2.应用举例

【案例5】我校开设了“基因工程实验”选修课，该课程对高中学生来说难度比较高。我们在理论学习之后、真实实验之前让学生通过《基因工程实验虚拟实验》（由深圳大学生命科学院和现代教育技术与信息中心共同研发）进行先期的虚拟实验训练，熟悉基因工程实验流程，掌握基本的实验操作。这样能大大提高真实实验的成功率，减少耗材的使用和仪器的损坏。

【案例6】在高三生物总复习时，对教材实验的复习，不少教师往往对照教材进行理论讲解和总结。因为是讲曾做过的实验，学生积极性不会很高，学习效果也就较差。我们采用的方法是让学生在数字化生物实验室的电脑上自主学习《高中生物虚拟实验室》（电化教育音像出版社出版）中的课本实验，学生可在虚拟的实验情景中一步一步地“做”下去，像在玩闯关游戏，在轻松愉快中复习实验课的内容，掌握实验的主要操作步骤，通过反馈得分率了解自己对实验操作的掌握程度。这样的复习充分调动了学生学习的积极性，取得了较好的学习效果。

【案例7】在课堂教学中，由于时间和空间的限制，很多实验不能进行。这时可以通过虚拟实验代替以取得良好的效果。如在学习《孟德尔定律》时，让学生到数字化生物实验室中，借助《虚拟孟德尔遗传实验》（网络资源，作者为肖建富、李苗珍）进行教学，学生在虚拟科学家的指导下，可自由选择豌豆的1～6对相对性状，自主确定杂交操作的不同步骤顺序，反复进行虚拟的正交、反交试验，而系统模拟的实验结果，可供学生分析、总结遗传规律。

三、结论

总之，数字化生物实验室在中学生物实验教学中优势明显，能有效改变传统的生物实验教学模式，激发学生的学习兴趣，提高课堂教学效率，在高中生物实验教学中有巨大的应用前景。