運(yùn)用DISlab改進(jìn)部分高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐研究

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室（DISlab）技術(shù)與生物學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為定量分析，如借助壓強(qiáng)傳感器精確測(cè)量過氧化氫酶活性，使用pH緩沖液控制實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，可提高實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)度和可視化水平，同時(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)；核心素養(yǎng)生物學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科。實(shí)驗(yàn)教學(xué)作為生物學(xué)課程中的關(guān)鍵組成部分，對(duì)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(shí)驗(yàn)中，并取得了良好的課堂教學(xué)效果。一、運(yùn)用DISlab改進(jìn)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)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(jìn)信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，倡導(dǎo)教師運(yùn)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。《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“課標(biāo)”）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(qiáng)課堂教學(xué)的效果；同時(shí)，還需強(qiáng)化并改進(jìn)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。然而，部分學(xué)校由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)材料和實(shí)驗(yàn)空間受限，學(xué)生無法充分地參與到實(shí)驗(yàn)中去。在開展常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的地區(qū)，也多以教師為中心進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)或讓學(xué)生簡(jiǎn)單地重復(fù)實(shí)驗(yàn)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(dòng)性與創(chuàng)造性的發(fā)揮。此外，高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中既有定性實(shí)驗(yàn)又有定量實(shí)驗(yàn)，一些定量實(shí)驗(yàn)受限于固有的實(shí)驗(yàn)器材和檢測(cè)手段，較難得到精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也難以讓人信服。學(xué)校要落實(shí)課標(biāo)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(shí)驗(yàn)教學(xué)深度的融合工作。基于上述分析，筆者選用DISlab這一全新的軟硬件一體化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，改進(jìn)部分高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與操作，采用新的測(cè)量手段來評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果，嘗試將一些定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為定量實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)室的英文簡(jiǎn)稱，其中，DIS為DigitalInformationSystem的簡(jiǎn)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(duì)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(shí)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(gè)時(shí)刻的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)字化、測(cè)量的實(shí)時(shí)性和現(xiàn)象規(guī)律的可視化及操作測(cè)量的簡(jiǎn)化均將得以實(shí)現(xiàn)。如此，可在真實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度融合。早在2006年，上海市作為試點(diǎn)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(shí)驗(yàn)室，構(gòu)筑信息技術(shù)平臺(tái)，取得了良好的應(yīng)用效果。DIS實(shí)驗(yàn)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(píng)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(shí)驗(yàn)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(gè)別學(xué)校被閑置。筆者登錄中國知網(wǎng)進(jìn)行檢索分析，發(fā)現(xiàn)目前在高中實(shí)驗(yàn)學(xué)科中，對(duì)物理DIS實(shí)驗(yàn)操作的研究較為成熟，而生物學(xué)DIS實(shí)驗(yàn)有待加強(qiáng)[2]。鮮有生物學(xué)教師嘗試DIS實(shí)驗(yàn)。生物學(xué)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(duì)酶活性的影響實(shí)施該實(shí)驗(yàn)需要解決以下兩個(gè)問題。問題一：如何探究pH對(duì)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(píng)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(xì)微差異時(shí)（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(cè)量無法滿足實(shí)驗(yàn)要求，造成定性的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(biāo)提出，在強(qiáng)調(diào)定性實(shí)驗(yàn)重要性的同時(shí)，也不可忽視定量實(shí)驗(yàn)的價(jià)值，引導(dǎo)學(xué)生探究量的變化進(jìn)而理解事物本質(zhì)?？梢?，精準(zhǔn)測(cè)量并減小誤差是該實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。筆者考慮運(yùn)用DISlab重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，使用DISlab中的生化密封實(shí)驗(yàn)器和壓強(qiáng)傳感器開展實(shí)驗(yàn)，其中壓強(qiáng)傳感器非常靈敏，能檢測(cè)和記錄微小的壓強(qiáng)變化。過氧化氫分解產(chǎn)生氧氣，在密閉的容器中，壓強(qiáng)在各個(gè)方向的增量是相同的。師生利用壓強(qiáng)傳感器可以測(cè)量容器中氣壓隨時(shí)間的增量。依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程=，其中，表示壓強(qiáng)，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(dāng)、、均為定值時(shí)，壓強(qiáng)的變化會(huì)反映氣體量的變化。此實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)方法調(diào)整為通過測(cè)定壓強(qiáng)的變化量用來計(jì)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(shí)驗(yàn)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(dòng)，如何避免？筆者在實(shí)驗(yàn)中加入pH緩沖劑，配制不同pH溶液，同時(shí)避免因?yàn)榧尤胛锪弦餻H波動(dòng)，使實(shí)驗(yàn)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(huì)對(duì)過氧化氫酶的活性產(chǎn)生顯著影響？查閱資料可知，Hg2+、Cu2+對(duì)過氧化氫酶的催化活性有促進(jìn)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(huì)對(duì)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(duì)于過氧化氫酶反應(yīng)速率的影響后發(fā)現(xiàn)，pH為6.86時(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)步驟：①取出三個(gè)“袖珍生化密封實(shí)驗(yàn)器”，對(duì)其編號(hào)，并各連接一個(gè)壓強(qiáng)傳感器，進(jìn)而與數(shù)據(jù)采集器、電腦相連；②分別向三個(gè)“袖珍生化密封實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)器中添加3滴豬肝研磨液，并搖晃均勻；④隨即向各實(shí)驗(yàn)器同時(shí)加入3mL體積分?jǐn)?shù)為3%的過氧化氫（HO）溶液，并快速密封；⑤觀察并記錄計(jì)算機(jī)上顯示的三組實(shí)驗(yàn)中的壓強(qiáng)變化，收集所得圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析（如圖1）。（二）酶與無機(jī)催化劑催化效果的比較與無機(jī)催化劑相比，酶催化反應(yīng)時(shí)是否改變生成物的量？筆者利用過氧化氫的分解反應(yīng)進(jìn)行觀察和分析，向密閉容器（氣液相密封實(shí)驗(yàn)器）中添加等量的過氧化氫溶液，并分別添加無機(jī)催化劑和過氧化氫酶，待完全反應(yīng)后，使用氧氣傳感器測(cè)定容器中的氧氣含量。實(shí)驗(yàn)步驟：①取兩個(gè)“氣液相密封實(shí)驗(yàn)器”，編號(hào)之后分別連接一個(gè)氧氣傳感器，進(jìn)而與數(shù)據(jù)采集器、電腦相連；②在兩個(gè)“氣液相密封實(shí)驗(yàn)器”中，分別加入等量的豬肝研磨液和FeCl（作為HO的無機(jī)催化劑）；③向這兩個(gè)裝置中各加入20mL體積分?jǐn)?shù)為6%的過氧化氫（HO）溶液，并保持同等強(qiáng)度的震蕩；④觀察并記錄計(jì)算機(jī)上顯示的兩組實(shí)驗(yàn)中含氧量的變化情況。（三）溫度對(duì)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(duì)酶活性的影響，而使用過氧化氫酶來研究pH對(duì)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(duì)于酶活性的影響，同時(shí)避免溫度對(duì)過氧化氫分解產(chǎn)生影響。操作這個(gè)實(shí)驗(yàn)需要使用袖珍生化密封實(shí)驗(yàn)器和壓強(qiáng)傳感器。實(shí)驗(yàn)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(shí)間；②獲取8個(gè)“袖珍生化密封實(shí)驗(yàn)器”，依次分組編號(hào)，并向每個(gè)裝置中分別加入3mL體積分?jǐn)?shù)為3%的過氧化氫（HO）溶液；③對(duì)于第1組的4個(gè)實(shí)驗(yàn)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(duì)于第2組的4個(gè)實(shí)驗(yàn)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(jì)算機(jī)上顯示的不同實(shí)驗(yàn)組的壓強(qiáng)變化情況，獲取圖像并進(jìn)行分析[4]。四、實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新與未來方向筆者針對(duì)高中生物學(xué)，提出運(yùn)用DISlab設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)的設(shè)想（見表1）。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容多集中于高中生物學(xué)必修1。人們對(duì)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(shì)在于可以定量分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，生成多組實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線便于多維對(duì)比，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)化和可視化，印證相關(guān)結(jié)論