運用DISlab改進部分高中生物學(xué)實驗的實踐研究

摘要：針對傳統(tǒng)實驗教學(xué)中存在的實驗設(shè)備性能不高、學(xué)生參與度低、定量分析困難等問題，提出了將數(shù)字信息系統(tǒng)實驗室（DISlab）技術(shù)與生物學(xué)實驗相結(jié)合的新思路，利用DISlab的傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將定性實驗轉(zhuǎn)化為定量分析，如借助壓強傳感器精確測量過氧化氫酶活性，使用pH緩沖液控制實驗變量，以及通過溫度預(yù)處理探究酶活性的變化。研究結(jié)果表明，將DISlab技術(shù)應(yīng)用于生物學(xué)實驗，可提高實驗的精準度和可視化水平，同時提升學(xué)生的科學(xué)思維與探究能力。關(guān)鍵詞：DISlab；高中生物學(xué)；實驗教學(xué)；核心素養(yǎng)生物學(xué)是一門實驗學(xué)科。實驗教學(xué)作為生物學(xué)課程中的關(guān)鍵組成部分，對于培養(yǎng)學(xué)生的生物學(xué)科核心素養(yǎng)起著至關(guān)重要的作用。在信息化快速發(fā)展的今天，越來越多的模擬軟件被應(yīng)用于實驗中，并取得了良好的課堂教學(xué)效果。一、運用DISlab改進生物學(xué)實驗教學(xué)是科學(xué)抉擇《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020年）》明確提出，要促進信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，倡導(dǎo)教師運用信息技術(shù)開展啟發(fā)式、探究式和討論式及參與式教學(xué)，構(gòu)建以學(xué)生為中心的教學(xué)新模式，以提升信息化環(huán)境下的教學(xué)質(zhì)量與水平?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“課標”）在其教學(xué)建議部分指出，應(yīng)有效利用信息技術(shù)來增強課堂教學(xué)的效果；同時，還需強化并改進生物學(xué)實驗教學(xué)。然而，部分學(xué)校由于實驗設(shè)備、實驗材料和實驗空間受限，學(xué)生無法充分地參與到實驗中去。在開展常規(guī)實驗教學(xué)的地區(qū)，也多以教師為中心進行演示實驗或讓學(xué)生簡單地重復(fù)實驗步驟，難以有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，影響學(xué)生學(xué)習(xí)主動性與創(chuàng)造性的發(fā)揮。此外，高中生物學(xué)實驗中既有定性實驗又有定量實驗，一些定量實驗受限于固有的實驗器材和檢測手段，較難得到精準的實驗數(shù)據(jù)，實驗結(jié)果也難以讓人信服。學(xué)校要落實課標要求，“充分利用信息技術(shù)提高課堂教學(xué)效率”，就需要做好DISlab等新技術(shù)與生物學(xué)實驗教學(xué)深度的融合工作?；谏鲜龇治?，筆者選用DISlab這一全新的軟硬件一體化實驗系統(tǒng)，改進部分高中生物學(xué)實驗的設(shè)計與操作，采用新的測量手段來評估實驗結(jié)果，嘗試將一些定性實驗轉(zhuǎn)化為定量實驗。二、DISlab技術(shù)概述及應(yīng)用現(xiàn)狀DISlab為數(shù)字信息化系統(tǒng)實驗室的英文簡稱，其中，DIS為DigitalInformationSystem的簡稱，主要構(gòu)成部分包括傳感器和數(shù)據(jù)采集設(shè)備及配套的數(shù)據(jù)處理軟件。傳感器涵蓋多種類型，如氧氣傳感器、二氧化碳傳感器、相對濕度傳感器、氣態(tài)酒精傳感器和pH傳感器及溫度傳感器等。數(shù)據(jù)采集器支持多通道（最多為4通道）采集數(shù)據(jù)，即同時采集多組同類型或不同類型的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定且互不干擾。數(shù)據(jù)處理軟件可以記錄每個時刻的實驗數(shù)據(jù)，也可以生成相應(yīng)的函數(shù)圖像。在軟件的支持下，實驗結(jié)果的數(shù)字化、測量的實時性和現(xiàn)象規(guī)律的可視化及操作測量的簡化均將得以實現(xiàn)。如此，可在真實實驗的基礎(chǔ)上實現(xiàn)信息技術(shù)與實驗教學(xué)深度融合。早在2006年，上海市作為試點城市，為嘗試數(shù)字化教學(xué)，在其市內(nèi)53所學(xué)校建立數(shù)字信息化系統(tǒng)實驗室，構(gòu)筑信息技術(shù)平臺，取得了良好的應(yīng)用效果。DIS實驗系統(tǒng)隨之在全國范圍內(nèi)得以推廣[1]。以鄭州地區(qū)為例，鄭州市部分中小學(xué)陸續(xù)開始建立DISlab，一些教師開始使用DISlab授課或者參與優(yōu)質(zhì)課的評比。但總體來看，不少教師并不知道或只是了解有DISlab存在，并未有效使用DISlab開展相關(guān)的實驗教學(xué)，加之缺乏相應(yīng)的專業(yè)培訓(xùn)，多有畏難情緒，導(dǎo)致DISlab在個別學(xué)校被閑置。筆者登錄中國知網(wǎng)進行檢索分析，發(fā)現(xiàn)目前在高中實驗學(xué)科中，對物理DIS實驗操作的研究較為成熟，而生物學(xué)DIS實驗有待加強[2]。鮮有生物學(xué)教師嘗試DIS實驗。生物學(xué)實驗教學(xué)與DISlab融合不夠深入，缺乏相應(yīng)的專業(yè)研究。三、DISlab輔助生物學(xué)實驗教學(xué)案例筆者以高中生物學(xué)必修1中的“降低化學(xué)反應(yīng)活化能的酶”為例，介紹DISlab的應(yīng)用方法。（一）pH對酶活性的影響實施該實驗需要解決以下兩個問題。問題一：如何探究pH對于過氧化氫酶活性的影響？教材給出的方法：用肉眼觀察氣泡的產(chǎn)生情況或衛(wèi)生香的燃燒狀態(tài)，評估過氧化氫的分解速度。此方法的不足之處：無法定量分析，在區(qū)分過氧化氫分解過程中細微差異時（例如，在pH為6、7、8的情況下過氧化氫酶活性的變化），精確度顯得不足，用常規(guī)手段測量無法滿足實驗要求，造成定性的實驗設(shè)計和定量的結(jié)果分析存在一定的矛盾，以及學(xué)生思維斷層和教師陷于困惑。課標提出，在強調(diào)定性實驗重要性的同時，也不可忽視定量實驗的價值，引導(dǎo)學(xué)生探究量的變化進而理解事物本質(zhì)。可見，精準測量并減小誤差是該實驗成功的關(guān)鍵。筆者考慮運用DISlab重新進行實驗設(shè)計，使用DISlab中的生化密封實驗器和壓強傳感器開展實驗，其中壓強傳感器非常靈敏，能檢測和記錄微小的壓強變化。過氧化氫分解產(chǎn)生氧氣，在密閉的容器中，壓強在各個方向的增量是相同的。師生利用壓強傳感器可以測量容器中氣壓隨時間的增量。依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程=，其中，表示壓強，表示氣體體積，是氣體的物質(zhì)的量，是摩爾氣體常數(shù)，表示溫度。當、、均為定值時，壓強的變化會反映氣體量的變化。此實驗中氣體量的變化主要與過氧化氫分解產(chǎn)生的氧氣量有關(guān)。筆者將該實驗方法調(diào)整為通過測定壓強的變化量用來計算過氧化氫分解產(chǎn)生氧氣量，并據(jù)此推斷出過氧化氫酶的活性。問題二：實驗過程中，配制不同pH的溶液有一定的困難，并且溶液的pH易受很多因素影響，產(chǎn)生波動，如何避免？筆者在實驗中加入pH緩沖劑，配制不同pH溶液，同時避免因為加入物料引起pH波動，使實驗結(jié)果更具有可信度。pH緩沖劑有三種主要類型：①鄰苯二甲酸氫鉀，pH為4.00（25℃）；②混合磷酸鹽，pH為6.86（25℃）；③硼砂，pH為9.18（25℃）。緩沖劑中的物質(zhì)是否會對過氧化氫酶的活性產(chǎn)生顯著影響？查閱資料可知，Hg2+、Cu2+對過氧化氫酶的催化活性有促進作用，而Fe2+、Zn2+、Mg2+則有抑制作用[3]，未發(fā)現(xiàn)緩沖液中的K+、Na+會對過氧化氫酶活性產(chǎn)生顯著影響。筆者分析反應(yīng)體系中pH對于過氧化氫酶反應(yīng)速率的影響后發(fā)現(xiàn)，pH為6.86時反應(yīng)速率最大，pH為9.18的反應(yīng)體系次之，pH為4.00的反應(yīng)體系最末。這一結(jié)果與科學(xué)事實相符（過氧化氫酶的最適pH約為7.0，pH處于6.0～7.4過氧化氫酶的活性較平穩(wěn)，低于或高于此范圍過氧化氫酶的活性均有顯著下降）。實驗步驟：①取出三個“袖珍生化密封實驗器”，對其編號，并各連接一個壓強傳感器，進而與數(shù)據(jù)采集器、電腦相連；②分別向三個“袖珍生化密封實驗器”中加入5mL的酸性（pH=4.00）、中性（pH=6.86）和堿性（pH=9.18）緩沖液；③向各實驗器中添加3滴豬肝研磨液，并搖晃均勻；④隨即向各實驗器同時加入3mL體積分數(shù)為3%的過氧化氫（HO）溶液，并快速密封；⑤觀察并記錄計算機上顯示的三組實驗中的壓強變化，收集所得圖像數(shù)據(jù)并進行分析（如圖1）。（二）酶與無機催化劑催化效果的比較與無機催化劑相比，酶催化反應(yīng)時是否改變生成物的量？筆者利用過氧化氫的分解反應(yīng)進行觀察和分析，向密閉容器（氣液相密封實驗器）中添加等量的過氧化氫溶液，并分別添加無機催化劑和過氧化氫酶，待完全反應(yīng)后，使用氧氣傳感器測定容器中的氧氣含量。實驗步驟：①取兩個“氣液相密封實驗器”，編號之后分別連接一個氧氣傳感器，進而與數(shù)據(jù)采集器、電腦相連；②在兩個“氣液相密封實驗器”中，分別加入等量的豬肝研磨液和FeCl（作為HO的無機催化劑）；③向這兩個裝置中各加入20mL體積分數(shù)為6%的過氧化氫（HO）溶液，并保持同等強度的震蕩；④觀察并記錄計算機上顯示的兩組實驗中含氧量的變化情況。（三）溫度對淀粉酶活性的影響教材之所以建議使用淀粉酶來探究溫度對酶活性的影響，而使用過氧化氫酶來研究pH對酶活性的影響，原因之一在于溫度本身就可以影響過氧化氫的分解速率，還可以改變酶活性來影響過氧化氫的分解速率，違背單一變量原則。筆者另辟蹊徑，先用低溫或高溫預(yù)處理酶，再將酶恢復(fù)到常溫，即可探究溫度變化對于酶活性的影響，同時避免溫度對過氧化氫分解產(chǎn)生影響。操作這個實驗需要使用袖珍生化密封實驗器和壓強傳感器。實驗步驟：①預(yù)處理酶：將豬肝研磨液置于0℃、4℃、50℃、100℃的環(huán)境中一段時間；②獲取8個“袖珍生化密封實驗器”，依次分組編號，并向每個裝置中分別加入3mL體積分數(shù)為3%的過氧化氫（HO）溶液；③對于第1組的4個實驗器，分別加入2mL蒸餾水、2mL室溫豬肝研磨液、2mL從0℃恢復(fù)至室溫的豬肝研磨液、2mL從4℃恢復(fù)至室溫的豬肝研磨液；對于第2組的4個實驗器，則分別加入2mL蒸餾水、2mL室溫豬肝研磨液、2mL從50℃冷卻至室溫的豬肝研磨液、2mL從100℃冷卻至室溫的豬肝研磨液（如圖2）。④觀察并記錄計算機上顯示的不同實驗組的壓強變化情況，獲取圖像并進行分析[4]。四、實驗教學(xué)的創(chuàng)新與未來方向筆者針對高中生物學(xué)，提出運用DISlab設(shè)計相關(guān)實驗的設(shè)想（見表1）。實驗內(nèi)容多集中于高中生物學(xué)必修1。人們對生物學(xué)的研究經(jīng)歷了從現(xiàn)象到本質(zhì)，從定性到定量的發(fā)展過程。DISlab最大優(yōu)勢在于可以定量分析實驗數(shù)據(jù)，生成多組實驗結(jié)果曲線便于多維對比，實現(xiàn)實驗結(jié)果的精準化和可視化，印證相關(guān)結(jié)論