智慧实验室在生物学实验教学中的应用

徐 婷

(江苏省南京外国语学校河西初级中学 210019)

1 智慧实验室简况

生物学是一门探究生命现象和生命活动规律的科学。在生物学探究的过程中，实验是尤为重要的一种研究方式，它不仅与学生生活结合紧密，还能激发学生对生物学学习的热情。然而，生物学实验教学也面临各种问题。例如，耗时较长的实验无法在课堂上完成；实验设备、实验条件的限制使得实验效果不佳等。如何提升生物学实验教学的质量，已成为急需解决的问题。

智慧实验室是一种新型的智慧学习环境，借助数字化互联网技术、融合智能传感、智能控制和智能安防等先进的无线通信技术，建造的一套智能控制、远程可视的互联网实验室。本校智慧实验室根据功能大致分成几个区域： ①迷你智慧植物园，其采用全套物联传感设备，可独立控制温度、湿度、遮光、浇水和视频监控等操作；②数码实验台，学生可利用数码显微镜进行实验探究；③水培种植区，学生可亲自参与种植，还可以用传感器测得并发送数据到移动终端；④教学、讨论区，可进行正常课堂教学。

智慧实验室的建设与使用旨在将生物学实验室和互联网结合，利用互联网技术弥补生物学实验教学中的不足，并寻找到两者有效结合的途径，提高生物学教学质量。

2 智慧实验室在生物学实验教学中的应用

2.1 迷你智慧植物园 具体如下：

2.1.1 利用互联网技术有效控制实验条件 在实际教学中发现，实验条件的限制常常会影响实验效果的呈现。

例如，在研究“影响种子萌发的外界因素”的实验中，因为教学进行到该内容时，气温已经比较低了。受到天气和温度的影响，学生在实验时常常培养好几天也没有观察到明显的实验结果。但是，在迷你智慧植物园中，却可以有效地控制实验条件： 将相互独立的两个迷你植物园进行环境参数设置，调节环境温度为0℃和25℃，其他条件通过程序严格控制相同。同时，学生也可以利用监控拍下种子萌发和生长过程，实时记录保存，留下宝贵的实验资料。

2.1.2 善用互联网技术进行自主探究 相较于平时课堂的知识传授，生物学实验课堂可提供更多机会给学生主动地进行探究、提高思维能力和生物学核心素养。但是，平时的生物学实验教学却存在一些不足： 教师往往是实验教学的主导，从实验目的到操作步骤，几乎都要按照教师的规定进行。这样的实验教学，虽然可以帮助学生较快地掌握操作技巧，但在对学生科学探究能力的培养上的帮助并不明显。

迷你智慧植物园的建立，给学生提供了一个可自主探究的平台。植物园内配备了温度、湿度、二氧化碳、滴灌系统和遮阳系统等智能传感和控制系统，全部可通过本地或者互联网进行远程可视控制。学生在学习传感器和控制软件的使用办法后，就可以开始尝试利用这些器材对自己感兴趣的问题进行探究。例如，由于学生对于空气污染的问题比较感兴趣： 他们找来了生活中常见的一些绿色植物，探究这些植物对空气中可吸入颗粒物吸收能力的差异： 首先对四个迷你智慧植物园的相关参数进行调节，保证每个迷你植物园的环境是相同的；再将不同的绿色植物放置在植物园中。通过一段时间的培养后，测量PM 2.5浓度的变化，并针对研究的结果进行更深层次的交流探讨。

此外，学生还探究了“同种植物在不同环境中空气净化能力的比较”等实验。在这些实验中，学生充分体验了从发现问题、提出问题、作出假设到设计实验、分析数据和得出结论的完整过程。

2.2 智用数码实验台，提高交流互动 初中生物学实验中涉及使用显微镜的实验比较多，包括观察动植物细胞结构、观察叶片的结构、观察微生物的形态、观察人血涂片和探究酒精对水蚤心率的影响等。在平时的实验教学中，常会采用普通光学显微镜进行观察。但是，这样的教学方式却存在一定的不足： 教师在对学生进行辅导时很难兼顾到全体学生；或有些学生不愿意和教师及时交流反馈，直到下课都没有观察到实验现象。因此，学生的某些优秀实验成果，或者一些典型错误的实验现象，无法记录下来进行分享或分析。还有一些需要较长时间才能观察到结果的实验，学生又很难做到一直盯着显微镜的镜筒等。因此，在智慧实验室中，笔者尝试借助数码显微镜弥补平时实验教学中的一些遗憾。

例如，在探究“酒精对水蚤心率的影响”实验教学中，实验的难点之一是如何找到水蚤的心脏并计算心率。而在数码显微镜的帮助下，教师可将自己做好的临时玻片标本图像展示在屏幕上，对全班学生进行集中指导；在实验过程中，教师也可通过查看每组的观察图像，及时了解学生的实验状况，并对实验遇到困难的小组进行讲解。同时，学生的实验结果也可被截图记录、展示和分析对比，对本班学生的实验结果进行交流。

在实验过程中，学生还可利用数码显微镜将自己满意的实验图片或视频记录并保存下来，后期也可通过图像处理在上面进行文字注解等，这种学习形式大大提高了学生的学习积极性与参与度。

2.3 巧用传感器，拓展教材实验 因初中生认知能力和操作能力的限制，初中生物学实验主要是做一些定性实验，学生通过实验可以获得“是”或“不是”的结论。但是，一些学有余力或者对生物学实验感兴趣的学生，他们对实验结果的定量认识的需求却很难得到满足。

例如，在验证“植物的呼吸作用产生二氧化碳”一节的实验中，一般是将植物呼吸产生的气体通入澄清石灰水中进行证明。但实际操作过程中会发现难度较大： 学生通过挤压装有新鲜蔬菜的黑色塑料袋，将其中的气体通过吸管挤到澄清石灰水中，这样的操作一方面是塑料袋容易漏气；另一方面又较难确保挤出气体的量，以至于该实验的效果并不理想。而利用传感器技术将定性实验改进为定量实验后，学生只需利用传感器探头分别测量装有新鲜蔬菜的容器中前后两次的二氧化碳浓度，从电脑上就可以直接读出浓度数据，非常直观而准确地获取信息，并验证了植物的呼吸作用产生二氧化碳的事实。

巧用传感器，将定性实验改成定量实验，既保证了实验的顺利进行，又在一定程度上拓展了教材上原有实验的深度，学生还可进一步根据实验数据进行研究和探讨。

2.4 活用水培种植，进行情感教育 城市中的学生从小生活在高楼林立的环境中，较多学生对生物学的感性认识模糊，只能依靠教材、互联网的辅助来了解。但是，教材、互联网却不能给学生一个生动的生物生长过程，而通过智慧实验室可以弥补这方面的不足。

例如，利用智慧实验室中的水培种植区，教师可以在课余、选修课和校本课程等时间，带领学生去接近自然： 如认识校园植物、种植蘑菇、植物标本的制作、体验互联网实验箱和制作简易浇灌设备等。在植物品种的选择上，教师可以根据教材选择实验中会用到的植物，也可以种植一些具有代表性的、易栽培的植物，让学生课外进行研究。在种植管理上可以发挥学生社团或者选修课兴趣小组的作用，按照季节和教学进度安排植物的种植。例如，在教八年级(上册)前可种植一些苔藓、藻类和蕨类植物，为“五彩缤纷的植物世界”一节的实验教学做好准备。

学生在立体化的互联网水培种植架上进行种植，在体验科技发展的同时，更能体验到劳动的艰辛与快乐。他们在种植过程中会遇到各种各样的问题： 为什么种子萌发率不高？为什么叶片会发黄？“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。学生在实践中能发现问题、解决问题，通过自主参与的种植实践活动，也培养了他们对自然环境的关注与关心。

*前文受翰思科学仪器公司关注*