利用数字化实验中的传感器技术探究酵母菌细胞呼吸方式

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摘 要：数字化实验教学模式是利用各种传感器测量实验数据并通过计算机数据处理软件进行数据的实时采集、建模和图像分析的技术。利用数字化实验呈现结果，不仅可以使实验定量分析更准确、结果更直观，而且操作简便、灵活，减少了烦琐的计算，简化了课堂教学程序，也能够真正实现对学生科学探究能力的培养。

关键词：生物教学;探究实验;数字化实验

一、现状分析

新一轮的高中生物课程标准提出要提高学生的生物科学素养尤其是发展学生的科学探究能力。但实验课程作为科学探究的重要载体目前存在诸多问题 [1 ]。探究性实验教学因为传感器技术的数字化实验系统走进实验室从而得到发展。笔者运用数字化实验系统对探究性实验“探究酵母菌细胞呼吸的方式”进行优化，弥补传统教学中该实验耗时长、实验装置存在一定的局限性，造成在实际教学中开设率极低的现象，必须要探索新的方法 [2 ]。

基于传感器技术的数字化实验系统是由计算机及配套软件、传感器、数据采集器三部分构成。传感器是通过测量生物实验的实验数据然后转换为数字信号传送到数据采集器，而数据采集器是将来自传感器的数据进行采集并传送到计算机。配套软件能以多种形式将测得的数据显示出来。“探究酵母菌细胞呼吸的方式”是人教版高中生物中的探究实验，通过酵母菌细胞呼吸方式的探究不仅让学生为后面的学习打下了基础，还能培养学生根据相关的科学原理举一反三地联系实际的能力 [3 ]。

二、数字化实验教学流程

学生已经学习了酵母菌在有氧和无氧条件下都能生存，知道酵母菌能使葡萄糖发酵产生酒精，但不清楚这一过程是在有氧条件下还是无氧条件下进行的。在传统实验中实验装置烦琐而且进行酵母菌培养时耗时8～10h，极大地限制了教学活动的开展，给教学带来了困难。但通过数字化传感器设备设计实验可以帮助学生理解其本质：培养液中的酵母菌细胞利用溶解氧进行有氧呼吸，氧气用完之后就会进行无氧呼吸而且可以通过溶解氧传感器来监测氧气浓度。由于能够在课堂时间内完成实验就可以及时进行课堂反馈，实验前准备溶解氧传感器和数据采集器，通过USB线与计算机相连进行存储和分析，点击通用软件，打开传感器开关，屏幕显示传感器与软件连接成功 [4 ]。将一定浓度的葡萄糖溶液和一定量的活性干酵母依次加入锥形瓶中，放入磁转子。将溶解氧传感器插入锥形瓶内调节探头高度最后将密闭好的锥形瓶放在磁力搅拌器上匀速搅拌。在软件中自行设置相应参数点击开始，软件界面就会出现实时数据和实时曲线，待数据稳定后点击保存。

三、评价

生物教学活动的重要内容是实验，教师在教学过程中充当指导者并给学生提供一定的帮助，在探究过程中使学生能有一个明确的方向。笔者发现在高中生物实验教学中运用数字化实验可以在较短的时间内完成大量的数据处理并随时获得实验数据，直观地得出实验结论。运用传感器技术与传统实验相整合，以实时数据和曲线的形式直观地呈现酵母细胞的呼吸方式，使学生摆脱了烦琐的计算和手工作图工作，从而有更多的时间用于探究实验的设计、分析、验证和修改。通过对软件参数的设置，可以完整地记录下整个实验过程，而且多种传感器可同时接入一个数据采集器进行同步采样、分析 [5 ]。在实验中，学生不仅可以从物质与能量的角度形成新的生命观念，而且能基于实验数据进行进一步探讨、阐释生命现象及規律，从而发展科学思维;最后分析得到的细胞呼吸的两种方式有助于指导生产实践，从而培养学生的社会责任感。今后在实际教学活动中以传统实验为载体，创设具体的生活情景，让学生主动发现问题、研究问题从而解决问题，并利用数字化实验设备进行探究，获取相应的知识和能力 [6 ]。

新课改倡导培养学生基本能力的同时，注重培养学生的科学探究能力，信息技术特别是基于传感器技术的数字化实验系统为此提供了新的契机。学生接触新的信息技术手段，与社会发展接轨，有利于学生的全面发展 [7 ]。在这种环境的推动下，随着信息技术的发展，数字化实验系统进入中学理科教学是必然趋势。

参考文献：

[1]王飞.高中生物探究性实验教学的现状与反思[J].天津师范大学学报，2019（2）.

[2]韩晓.高中生物实验的改进和拓展[J].中学生物教学，2015（3）.

[3]曹春华.“探究酵母菌细胞呼吸的方式”实验改进与实施[J].福建基础教育研究，2010，8（5）：15.

[4]喻金龙.高中物理DIS实验基础与拓展研究[D].上海：上海师范大学，2011.

[5]张云，林颖韬.高中生物实验技术与教学[M].厦门：厦门大学出版社，2015.

[6]李惠新.对基于实验探究的生物课堂教学的几点反思[J].教学月刊：中学版（教学参考），2014（11）.

[7]张风.基于传感器技术的数字化实验在高中生物实验教学的应用研究[D].呼和浩特：内蒙古师范大学，2016.