DIS技术在高中生物学实验教学中的应用分析

商 勇

（深圳市盐田区教育科学研究院 广东深圳 518000）

新课改强调学生的创新精神、实践能力以及学科素养，这是社会发展对人才培养的需求。现阶段最重要的时代特征是信息技术的应用。教育部《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》指出推进信息技术与教学融合，利用信息技术开展启发式、探究式、讨论式、参与式教学，探索建立以学习者为中心的教学新模式，提高信息化教学水平；《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称《课程标准》）也提出，学校和教师应特别重视信息化环境下的学习，关注信息技术资源的开发和利用，促进人才培养模式转变，着力发展学生核心素养。在这样的课程改革和社会发展背景下，以探究性为主要特点的现代化教学技术手段DIS应用于实验教学是必然趋势。

1 生物学实验教学现状

生物学是一门实验学科，实验教学是生物学教学中的重要组成部分。目前的生物学实验教学还有待完善，如实验对于培养学生的科学思维和科学探究能力有重要作用，也是学生形成生物学概念，总结生物学规律的重要途径。教师在观念上不够重视，由于纸笔考试的导向更多侧重于知识教学，忽略了实验操作技能的培养；开设实验课程的学校也多是以演示实验为主，学生参与度不高；学校实验课的课时安排不足，生物实验室的建设发展也存在一定差异。导致这些现象的原因可能在于实验操作的考核体系有待进一步完善，有的学校并未将实验操作考试纳入期末考试，更多只是安排学生参加毕业前的学业水平理论测试。

随着新课改的逐步推进，实验教学的改革也必然会成为一个关键环节，《课程标准》指出，组织以探究为特点的主动学习是落实生物学学科核心素养的关键，生物学实验就是探究活动的重要组成部分。

2 DIS与生物学实验教学

2.1 DIS概述

DIS（Digital Information System）全称“数字化信息实验系统”。它是一种将信息技术和教学方法相结合的教学工具，主要由传感器、数据采集器、计算机以及相应的特定软件四部分所构成。传感器可以将光、热、电、力、温度、水分、压强等信号实时传输到数据采集中心，并由其转换为可以被计算机软件识别的数字信号。此时，计算机执行相应命令，以数据、图形、表格等形式展现实验数据，并可以根据实验者要求进一步进行数据的统计、分析等后续处理。

2.2 DIS与实验教学的融合

DIS实验的研发是现代信息技术在实验教学领域应用的突出案例。由于不同实验学科发展的特点不同，目前在高中实验学科中，物理DIS实验操作的研发已相对较为成熟，而生物DIS实验尚有待加强。传统实验能否转换为DIS实验很重要的一点在于是否有合适的传感器将实验现象或实验结果传输到数据采集器中。生物学科DIS实验的发展也是基于物理或者化学学科方面已有的传感器来开发。目前的传感器大都是和电流、电压、温度、pH、压强、颜色等有关，故市场上可用的传感器种类有限是造成生物DIS实验发展尚不成熟的主要原因之一。

目前也有多个将DIS技术用于生物学实验的成功案例。例如，“探究不同pH对过氧化氢酶活性的影响”实验中，为了探究了4个不同pH条件下土豆中的过氧化氢酶对于H2O2分解的影响，可通过O2传感器探测出单位时间O2释放的多少来反映出过氧化氢酶活性受pH影响的变化，并在数据采集器和计算机的协助下得到拟合曲线。整个实验装置含有DIS的所有组分：传感器、数据采集器、计算机和应用软件。学生通过协调装置以及合理设置实验，能够高效地完成实验操作并得到预期实验结果。高中阶段的探究类实验只要能够将所要观察到的现象通过直接或者间接的转换使其能够被适合的传感器采集到，都可以进行DIS实验的开发，如影响酶活性的条件、探究酵母菌的呼吸方式、环境因素对光合作用的影响、细胞大小与物质运输的关系等，都可以采用DIS的方式完成，以达到实验观察的实时性与高效性，有效提升实验效率。

2.3 DIS与实验操作考试

目前针对生物学实验操作的考试主要以纸笔测试形式，考查学生的理论知识水平以及对实验步骤等的记忆，也有一些关于实验设计的思维性考查，但总的来说都未能很好地反映学生的实际动手操作能力。这主要是考虑到实验操作考试需要耗费较多的人力物力和时间，监考教师的评判也具有一定的主观性。DIS技术应用于实验教学可以将实验升级为实时智能化的实验操作考试系统。学生实验前，教师预先在软件中设定标准和容错范围，根据不同操作步骤的权重赋予一定分值；学生实验时，传感器检测学生的实验操作步骤和呈现结果；在操作完成后，由系统根据既定的分值设定进行评分。例如，在探究植物细胞失水的DIS实验中，学生完成显微镜对光、临时装片制作、引流等实验步骤，并上传实验结果，系统可以自动评分。

生物实验操作考核体系的建立是一个全面的过程，它不是纯粹理论知识的再现，而是一种实验技能、学科素养和逻辑思维的综合。考核方式的转变会更进一步推动生物实验教学方式的改革。虽然这种DIS实验操作考核模式还处于初期，不过它既考虑到实验结果，又兼顾实验过程，对于培养学生的科学素养更为有益。另外，和传统实验监考相比，它具有统一、高效、实时的特点，为开发生物实验操作考试提供一个新的思路。

3 DIS实验与传统实验的比较

传统实验是根据《课程标准》的要求以及教学课时安排完成的，对于培养学生的动手操作能力和生物学科思维具有重要作用，也是将来学生开展生物类探究实验的基础。DIS实验是基于传统实验，通过各种传感器以及计算机的分析处理提升实验效率，并没有忽视实验操作，而是在一些现象观察、数据收集等方面缩短了本应花费的时间。例如，观察产生氧气的量，可以通过气泡、带火星卫生香的复燃等方式获得，也可以直接通过氧气传感器来得到较为精确的数据，并形成可视化的曲线规律。类似这样对传统实验的优化和升级，可以让学生更多的回归对实验本身设计的思考。

除了信号的实时传递、数据的自动化采集、实验效率的提升等优势特点外，DIS在实验教学的价值还体现在对学生思维能力的培养上。传统实验中的实验器材和相关用品都是由实验员在课前准备完毕，学生进入实验室后更多的是根据课本上的实验步骤来逐一完成，而DIS的实验方式要求学生在实验操作上首先要明白相关理论基础，同时也要熟悉每个环节在整个实验中的作用，并能够合理有效的构建出可达到预期结果的实验模式。这既是一种创新，也培养和锻炼了学生分析问题、思考问题的能力。

DIS实验有助于开展实验探究。传统实验由于考虑到实验效果等因素，在实验材料和实验器材的使用方面有一定规范要求，DIS实验由于传感器的通用性，可以方便地进行不同实验材料的比较和拓展。例如，将DIS应用于光合作用相关的实验中，除了可以实时探究光合作用中二氧化碳和氧气的含量变化，还可以比较不同植物的光合作用产量差异，能够进一步引导学生对不同植物光合作用的特点进行分析，有助于培养学生的实验探究能力。但不是所有传统实验都可以开发为对应的DIS实验，如观察细胞形态、观察有丝分裂和减数分裂等实验，其所展示的是静态的生物学现象，不适宜开发为DIS实验；而当观察结果本身就是实验教学的目标时，该实验也不适宜开发为DIS实验。

4 结语

当代信息技术的发展对基础教育改革具有一定推动作用，DIS技术与实验操作的结合也必将带来生物学实验教学方式的变革。DIS实验是在传统实验基础上的延伸和拓展，有利于激发学生学习兴趣、培养学生的探究能力和创新精神，也有助于促进传统课堂中培养学生单一知识性思维向多元化能力发展的转变。基于科技公司开发的规模化数字实验室也将进一步促进DIS技术在生物学实验操作中的应用，如朗威®DISLab数字化信息实验系统开发的生物传感器已经进入实验课的教学实践。随着新课改的推进，教师也应转变教学方法，注重专业知识和信息技能的全面发展，不断尝试和探索DIS在生物学实验教学中的应用，以更好地提升学生生物学核心素养。