基于DIS技术的生物学实验操作智能考评系统的研究

王 辉 （深圳市南山区华侨城中学 广东深圳 518053）

1 实验操作考评现状调查

在基础教育中，实验教学的落实情况历来为素质教育倡导者所担忧，有很多单位和个人对中学生物学实验教学现状进行过相关研究［1-2］。为了全面培养生物学科核心素养，落实素质教育，达到以考促教的目的，不少省、市都在尝试进行理科实验操作考试。例如广东、江苏、河南、山西等地组织初中生进行理科实验考试。研究其组织形式，大多是一个考室安排多名监考教师，一对一或一对多监考学生的实验操作过程，面对考生现场评价，考生对评价结果认同后签字的模式。太原市和中山市等地对考生的操作过程全程录像，对成绩有异议的考生，可以通过回看视频再次评价。

研究各地教育部门的相关文件，例如《郑州市教育局关于做好2015年中招理化生实验操作考试工作的通知》特别强调：“……（二）要采取措施，公平公正。一是要加强监考人员的纪律教育，完善监督机制。二是要加强监考教师的业务培训，使监考教师充分掌握评分标准，做到评分尺度统一，确保监考和评分工作公平、严肃。”从上述文件中可以看出，如何公平公正地考评学生的实验操作，更值得探索。

2 DIS 技术在生物学实验中的应用

DIS 实验系统已为大家所熟知，在生物学实验教学中也有一些探索： 例如探究不同pH 值对过氧化氢酶活性的影响［3-4］、探究光照强度对光合作用速率的影响［5］。本文介绍2 个本校在课题研究（广东省教育研究院教育研究课题——高中生物学实验操作考试研究与实践） 中的研发案例：探究植物细胞的失水和吸水；检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质。

使用DIS 实验系统，不仅可优化部分传统实验，还能降低教学难度，帮助解决一些传统实验手段不能解决的问题。它让实验过程演示得更精确、直观、具可比性，这些都是传统实验无法比拟的优越性［6］。

3 DIS 实验操作智能考评系统的研究思路和案例

3.1 DIS 实验操作智能考评系统的研究思路依据现行中学生物学教材的实验课题，突破传统的实验手段和方案设计，利用传感器实时检测学生实验操作的关键步骤和结果呈现。采集数据，根据课题的需要寻求相应的算法，经过大量实验进行数据统计，在相应的软件中预设标准和容错范围，设置赋分点，对学生的实验过程和结果给出准确的评价（数据检测点的设置及赋分参考图2、图4）。实验数据在后台留存备查。

DIS 技术更接近当前科技发展现状，对于培养学生科学素养更为有益。与传统实验操作考试相比，实验操作智能考评系统既针对结果，又注重过程；评价准确、客观、公正；能克服人力评价的各种不足，并提供考生及其家长进行成绩异议复查的客观依据。

测试发现学生能在30 min 左右适应考评系统，效果超出预期。

3.2 DIS 实验操作智能考评系统的研究案例

案例1：探究植物细胞的吸水和失水实验。

这是教材中的一例典型生物学实验： 既有显微镜的使用，又有对学生探究能力的培养。鉴于实验操作考试时间的要求，本案例仅选取探究失水部分进行研究。

本案例研发的数据采集系统通过传感器检测材料试剂的取用情况、引流操作和显微图像的识别处理等环节。评价学生临时装片的制作、显微镜的使用、引流法的操作要领和准确辨识细胞的质壁分离状态等基本能力。评价要点及赋分情况详见图2。

1）材料用具：教材中材料用具（略），DIS 实验操作考评系统（图1，包括课题研发的质壁分离实验数据采集系统和相应软件、数码显微镜）。

2）方法步骤：①连接数据采集系统和数码显微镜，打开显微镜电脑桌面上的考评系统，输入考号登录进入操作界面。②数码显微镜对光—制作临时装片—显微观察—采集紫色表皮细胞图像并上传。③引流操作： 从盖玻片的一侧滴加蔗糖溶液，在盖玻片的另一侧用吸水纸吸引，重复几次。④显微观察—采集发生了质壁分离的细胞图像并上传。⑤上传实验结果，依据赋分情况（图2）反思实验得失。关闭考评系统，整理实验台。

案例2:检测生物组织中的糖类、脂肪和蛋白质。

本案例研发的数据采集系统通过传感器检测试剂取用情况，采集并比对组织样液反应前、后的颜色变化。考查学生对生物材料中含有的有机成分、检测试剂的选择与使用，颜色反应是否正确等知识和技能的掌握情况。鉴于已有案例1 的研究和实验操作考试时间的要求，仅对检测生物材料中的有机物部分进行探索。

该系统也可用于其他试剂颜色反应类实验，例如酵母菌发酵产生酒精的检测，粗提取DNA 的鉴定；还可用于自制酸碱指示剂、溶液酸碱性的检验、苯酚的性质和蛋白质的性质等化学实验。

1）材料用具：教材中材料用具（略）。DIS 实验操作考评系统（图3，包括课题研发的试剂颜色反应类实验数据采集系统和相应软件、电脑）。

2）方法步骤：①连接数据采集系统和电脑，打开电脑桌面上的考评系统，登录进入操作界面。②检测生物组织中的还原糖。考生自主选取生物材料，加入试管并采集颜色上传—加入相应的检测试剂—水浴加热2 min—采集颜色并上传。③检测生物组织中的淀粉（脂肪、蛋白质）。考生自主选取生物材料，加入试管并采集颜色—加入相应的检测试剂—采集颜色。④上传实验结果，依据赋分情况（图4）反思实验得失。关闭考评系统，整理实验台。

4 结语

《普通高中生物学课程标准（2017年版）》指出：“生物学……在微观与宏观2 个方向的发展都非常迅速，并且与信息技术和工程技术的结合日益紧密，正在对社会、经济和人类生活产生越来越大的影响。”DIS 实验技术应用于基础教育实验教学，势必突破传统的实验手段和方案设计。也有研究者担忧中学生实验操作能力，绘制生物图的能力必然会下降。这些都与普通高中生物学课程标准（实验）的能力要求相违背。其实有些生物学实验课题由于实验对象、实验时间跨度和实验方法等特点的限制，很难应用传感器进行研究，例如调查人类遗传病、调查土壤小动物类群丰富度等调查类实验，细胞结构模型构建等模型构建类实验，还是能对学生能力的全面发展有更好的互补作用。

传感器广泛应用于人类生活和社会发展的各个领域，例如家用电器、工业自动化、农业现代化、机器人技术、医疗诊断、军事工程、航天技术等。让传感器走进学生的学习活动，走进课堂，有利于整体提高学生的科学素养和进行探究实践。希望本文的研究能起到一点推动作用。