数字化技术在生物实验教学中的应用与评价

【摘 要】在教育信息化不断推进的背景下，数字化技术在生物实验教学中的应用展现出显著优势。本文通过具体案例的阐述，深入剖析了数字化技术在生物实验教学中的诸多优点。同时，结合对学生的访谈反馈，对数字化技术在实验教学中的实际效果进行全面而客观的评估。

【关键词】数字化技术；生物实验教学；评价

【中图分类号】G434 【文献标志码】A

【论文编号】1671-7384（2024）09-084-03

生物实验在培养学生科学探究能力、实践操作能力以及科学逻辑思维能力等方面具有举足轻重的地位。数字化技术，凭借其独特的优势，为生物实验教学带来了显著的效果。具体而言，数字化技术的引入有助于简化实验操作的复杂步骤，通过计算机的高效运算实现对实验数据的快速收集与处理，从而大幅缩减实验所需时间，让学生有机会能够进行更深入的分析与探讨。同时，实验数据会以直观的图像形式在计算机屏幕上实时展示，以便学生能够直观地观察和理解实验过程与结果[1]，相较于传统冗长的数据记录，这种方式更能提升学生的图表解读与分析能力。更重要的是，数字化技术还有助于将诸多定性实验转化为定量实验，从而进一步增强学生的科学素养。数字化技术在生物实验教学中的运用，无疑为提升学生的科学素养提供了有力支持。

概念界定

数字化技术，就是通过计算机、网络和其他现代电子设备进行信息处理、存储、传输和应用的先进技术手段。这些技术将现实世界中的各种信息转化为计算机可以理解和处理的数字形式，从而实现信息的快速、高效、精确处理[2]。

数字化技术在生物实验教学中的应用，是指将现代数字技术与生物实验教学相结合，利用数字化设备、软件及系统，对生物实验过程进行实时监测、数据采集、分析处理及可视化展示，从而提升实验教学的效果，帮助学生更深入地理解和掌握生物学知识。

数字化技术在生物实验教学中应用的优势

1.让生物实验教学更高效和准确

数字化技术可以通过自动化、智能化的设备对实验过程进行精确控制，并通过数据分析和可视化技术展示实验结果，大大提高了实验教学的效率和准确性。

如“使用高倍显微镜观察几种细胞”的实验，其目标为：一是掌握临时装片的制作方法；二是熟悉利用高倍显微镜观察细胞，并分析不同细胞之间的异同点。在传统的实验环境下，使用高倍显微镜时，需手动调整反光镜方向以获取光源，以及手动调整粗细准焦螺旋以获取清晰物像，一旦观察到物像，仅观察者本人可见，同组其他成员及教师均无法同时观看，这在一定程度上防碍了学生之间的交流，也增加了教师对学生观察结果的指导难度。当需要将观察到的图像保存或展示给其他组学生时，传统显微镜无法满足这一需求，这在某种程度上影响了教学效果和学生的学习体验。

随着数字化技术的应用，传统的光学显微镜已被数码显微镜所替代。数码显微镜顶部配备图像捕捉装置，能够实时收集显微镜视野下的图像，并通过计算机显示器展示给观察者及其他人员。这种技术的引入不仅便于学生间的交流，也可以实现将观察到的图像保存下来并提交给教师作为作业素材。同时，教师能够实时查看所有学生的观察结果，从而及时提供指导和反馈。对于表现优秀的实验组，教师可直接将其图像在大屏幕上展示，作为优秀作业的范例。

实验结束后，教师和学生可对捕捉到的多种细胞的图像进行汇总和比较，有助于实现教学目标——分析不同细胞的异同点。此外，这些图像资料可长期保存，为今后的教学工作提供丰富的素材。相较于过去通过互联网搜索细胞图像以获取教学素材的方式，现今利用数码显微镜所获取的图像更贴合实际教学需求。这种改变不仅提升了教学的准确性，也增强了学生对细胞结构和功能的直观理解，为教学质量的提升奠定了坚实基础。

本实验充分展示了数字化技术在生物实验教学中的优势。无论是学生的实验操作、教师的指导，还是对实验结果的评价和资料的保存，数码显Zrb+i8OAh5YXyKMEC/nMEZGpyp2gP+PBf01dmb8pdkk=微镜都显著提高了便捷性。类似“使用高倍显微镜观察几种细胞”的实验，以及涉及细胞观察的其他实验，如“观察DNA和RNA在细胞中的分布”“体验制备细胞膜的方法”“用高倍显微镜观察叶绿体和线粒体”“植物细胞的吸水和失水”以及“观察根尖组织细胞的有丝分裂”等，均可借助数码显微镜实现更高效的教学和学习体验[3]。特别是在“体验制备细胞膜的方法”实验中，数码显微镜能够捕捉并实时展示红细胞吸水后细胞膨胀至破裂的连续过程，有助于学生更直观地理解这一生物学现象。

2.丰富生物实验教学的方式与手段

通过数字化平台，教师可以轻松获取和分享各种教学资源，如实验视频、教学课件等，丰富了教学内容和形式[4]。同时，学生也可以利用数字化工具进行自主学习和探究，如通过模拟实验软件进行实验操作练习，或利用数据分析工具对实验结果进行深入分析，培养学生的自主学习能力和创新精神。

以“探究影响酶活性的因素”实验为例，学生在进行该实验时需自主提出假设，并通过实验手段进行验证。教材提供了两个假设方向，即温度对酶活性的影响以及PH对酶活性的影响。鉴于温度和PH是理化性质中常见的测量指标，在传统实验室环境下，我们可以利用温度计以及PH试纸和对应的数值表进行相应的测量工作。在忽略对温度和PH值测量精确度要求的前提下，实验能够顺利进行，并得出相应的实验结论，从而初步确定酶活性的最适温度和最适PH的大致范围。

然而，若学生有进一步的研究需求，如希望精确探究淀粉酶的最适温度或过氧化氢酶的最适PH，则必须依赖更为精确的测量仪器。此时，数字化技术的优势便凸显出来，利用传感器、数据采集器和计算机等先进设备，能够实现更为精准的测量。通过这种方式，能够将最适温度和最适PH的范围从大致的估计转变为具体的数值，从而大大提升实验的科学性。这充分展现了数字化技术的显著优势[5]。

3.实现生物实验由定性上升到定量分析

数字化技术的引入，使得生物实验得以从传统的定性分析迈向更为精确的定量分析，为生物学研究带来了革命性的变革[6]。在之前的生物实验中，往往依赖于实验者的观察和经验来判断实验结果，这种方式虽然具有一定的参考价值，但难以避免主观性和误差的存在。随着数字化技术的不断发展，可以借助先进的仪器设备和数据分析软件，对生物实验中的各项参数进行精确的测量和计算，从而实现对实验结果的定量描述。

在“探究影响酶活性的因素”实验中，教材在最后部分设置了一个深入的探究议题：在不同温度或PH条件下，酶活性之间的差异究竟如何？同时，教材建议进行定量实验，如通过测量达到相同实验结果所需的时间进行比较。然而，在传统实验室环境下，准确判断何时达到同一实验结果存在显著困难。例如，要评估过氧化氢酶在不同PH条件下的酶活性差异，需要观察从过氧化氢开始反应到完全分解，即无氧气再产生的整个过程中所需的时间。

虽然时间的测量相对简单，但确定反应完全结束，即不再产生气泡的精确时间节点，却颇具挑战性。在反应接近完成时，由于可能出现微小的气泡，使得确定实验结束的具体时刻变得困难。此外，不同学生对气泡消失的理解可能存在差异，从而导致实验结果无法达成一致。

为了解决这一问题，可以采用更为先进的数字化技术。通过将试管连接压强传感器，学生可以实时观察计算机显示器上显示的压强变化。当压强不再增加时，即表示反应已完全结束。通过这种方法，可以精确地比较不同PH值条件下酶活性的差异，从而将原本只能进行定性分析的实验转化为定量比较的实验。

这一改进充分体现了数字化技术在定量测量方面的优势。对于传统实验室难以处理的复杂探究项目，数字化技术的应用让教学更具灵活性[7]。

4.培养学生的科学探究能力

通过应用数字化技术工具，能够为学生提供更为丰富、直观和深入的学习体验，从而有效提升他们的科学思维和探究能力。在数字化实验教学中，学生需要运用所学知识和技能进行实验操作和分析，不仅能锻炼他们的实验技能，还能培养他们的科学探究能力。

例如，在“探究酵母菌细胞呼吸方式”的实验中，一部分学生认为在无氧呼吸过程中，酵母菌细胞需要在完全无氧的环境中才能进行，而对于有氧呼吸，他们则认为只需在氧气存在的条件下才可发生。然而，经过传感器精确采集的实验数据，计算机自动绘制成的实验曲线与学生的预期存在显著的偏差。这时学生们通过结合呼吸作用化学式对实验曲线进行了全面而细致的分析。经过深入分析，学生们最终得出了科学的结论：无氧呼吸的发生并非绝对依赖于无氧环境，实际上，在低氧状态下同样可以发生；而有氧呼吸则必须在氧气充足的情况下才能进行。这一过程体现了学生严谨的科学态度与积极主动的科学探究精神。

数字化技术应用于生物实验教学实践的评估与分析

1.访谈对象

经过一学期的教学实践，我们针对某中学高一年级引入数字化技术开展实验教学的情况进行了抽样访谈。为确保访谈的广泛性和代表性，我们采取随机抽样的方式，从每个班级中邀请三名学生参与。最终，共有21名学生接受了此次访谈。

2.访谈结果与分析

（1）学生对数字化实验教学模式的看法。在访谈过程中，当问到关于将数字化技术应用于实验教学的喜好程度时，学生们纷纷表示，他们倾向于这种数字化的教学形式。在这种教学模式下，他们展现了更为突出的独立学习能力，同时也更愿意积极主动地进行交流分享，学生对生物学实验的兴趣得到了显著增强。学生们进一步提到，通过这种数字化的实验教学方式所培养的探究习惯，有助于他们更深入地学习并理解生物学知识。总体而言，大部分学生对将数字化技术应用于实验教学表示出浓厚的兴趣与认可，这充分说明数字化实验教学模式的优越性。

（2）学生对生物实验课的喜爱程度。通过对访谈记录的分析可以看到，学生们对生物实验课的喜爱程度较以前有了显著的提升。这一变化得益于数字化技术在实验教学中的广泛应用，使得实验更具趣味性，学生们更加积极地参与到实验内容的学习。学生们的学习态度变得更加积极，展现出了强烈的主动性和积极性。总体而言，大部分学生对生物实验课的喜爱度均有所增强，这充分证明了数字化技术在提升实验教学效果方面的积极作用。

（3）学生解答生物实验试题的能力。在访谈中，学生们被问及是否感觉解答生物实验试题变得更为容易时，多数学生均表示他们的解题能力有所提升。大部分学生认为，相较于以往，现在大家在解答这类试题时更加游刃有余。这一积极的变化主要归功于数字化技术的运用，使得实验原理能够更为直观具体地呈现在学生面前，对知识点的理解更加容易，说明了数字化技术在实验教学中应用可以提升学生学习生物学的效果。

数字化技术的应用为生物实验教学注入了鲜明的时代特征。通过其独特的实时数据采集与图像显示功能，数字化技术成功将微观过程实现可视化，从而使学生能够更直观地观察实验反应过程。在生物实验教学中引入数字化技术，不仅丰富了生物实验研究的内涵，更提升了实验教学的质量。

培养学生的科学探究能力是提升其核心素养的关键环节。数字化技术的运用为学生开展探究性活动提供了技术支撑，使学生能够亲身体验真实的探究过程，进一步加深对科学知识的理解与掌握。这不仅有助于激发学生的学习兴趣，更符合当前新课程改革的教育理念，为培养具备创新精神和实践能力的优秀人才奠定了坚实基础。

注：本文系福建省教育科学“十四五”规划2023年“研究共同体”专项课题“人工智能技术在教育评价中的应用研究”（立项批号：Fjygzx23-099）研究成果

参考文献

[3] 黄玮. 利用数字化实验技术进行中学生物实验教学[J].中国教育技术装备，2005（11）： 35-38.

[6] 张莉. 传感器在高中生物学实验教学中的应用[J]. 生物学教学，2009，34（6）： 47-49.

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