DIS在高中生物學(xué)實驗中的應(yīng)用初探分析研究 教育教學(xué)專業(yè)

DIS在高中生物學(xué)實驗中的應(yīng)用初探摘要本文以“探究不同pH值對過氧化氫酶活性的影響”實驗為例，介紹了DISLab的基本組成，并詳細(xì)闡述了運用DIS實驗有四大優(yōu)點：數(shù)據(jù)采集迅速；數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確；曲線擬合合理；探究性學(xué)習(xí)充分。旨在倡導(dǎo)DIS模式下的探究性學(xué)習(xí)。關(guān)鍵詞DISDISLab傳感器數(shù)據(jù)采集器探究性學(xué)習(xí)為進一步配合和推動中小學(xué)理科新課程的改革進程，教育部2006年7月發(fā)布的《中小學(xué)理科實驗室裝備規(guī)范》中第一次將“計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DIS：Digital

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System）”列入儀器裝備標(biāo)準(zhǔn)中。兩年多來，有條件的中小學(xué)已經(jīng)開始對本校的理科實驗室進行了改造，紛紛建立了數(shù)字化信息系統(tǒng)理科實驗室（以下簡稱DISLab）。1.DISLab介紹DISLab是現(xiàn)代信息技術(shù)、教育技術(shù)、教育觀點和教學(xué)方法相結(jié)合的創(chuàng)新，簡單點說就是借助電腦來進行實驗的方法，整個系統(tǒng)是由傳感器，數(shù)據(jù)采集器，計算機，應(yīng)用軟件四部分組成（如右圖）。1.1傳感器——接受信號傳感器是一種能接受外界的物理信號、化學(xué)信號或生物信號并能把他們轉(zhuǎn)換為電信號，隨后再傳到數(shù)據(jù)采集器。傳感器種類很多，可以測量多種變量。在高中生物實驗中常用的有溫度傳感器、pH傳感器、溶解氧傳感器、二氧化碳傳感器等。1.2數(shù)據(jù)采集器——轉(zhuǎn)換信號數(shù)據(jù)采集器是連接傳感器和計算機的橋梁，是整個系統(tǒng)的核心部件，其主要功能是將傳感器采集的電信號（一種模擬信號）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后再將這些數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C1.3計算機——處理信號應(yīng)用在DISLab計算機系統(tǒng)要求不高，目前市場上的一般配置即可滿足實驗需要。1.4應(yīng)用軟件——呈現(xiàn)信息DISLab的軟件系統(tǒng)是一個包含了教學(xué)所需功能的數(shù)據(jù)收集分析軟件，它運行于Windows環(huán)境下，可支持幾十種傳感器，數(shù)據(jù)分析功能強大，如曲線圖，數(shù)據(jù)表，統(tǒng)計，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，曲線擬合等。通過應(yīng)用軟件對相應(yīng)數(shù)據(jù)的處理，可以得到直觀、準(zhǔn)確的圖、表或其他呈現(xiàn)形式。2.DIS在高中生物實驗中的應(yīng)用筆者以“探究不同pH值對過氧化氫酶活性的影響”為例，來講解DIS在生物實驗中的應(yīng)用過程探究目的：探究不同pH值對酶活性的影響實驗原理：不同pH值對酶活性的影響可通過酶催化過氧化氫水解時單位時間內(nèi)的O2生成量來衡量。實驗儀器：量筒；試管；大燒杯；水果刀；試管架；10ml移液管；鹽酸溶液；NaOH溶液；蒸餾水；3%H2O2；新鮮土豆；計算機；USB連接線；O2傳感器；傳感器連接線；數(shù)據(jù)采集器界面準(zhǔn)備單機運行操作平臺——裝載實驗?zāi)０?、?shù)據(jù)采集器與軟件的連接，實驗主要操作流程：（1）在四只大燒杯中依次配PH=3，5，7，9的溶液，并進行標(biāo)號A、B、C、D；（2）將四個相同大小的小土豆條依次放入標(biāo)號的大燒杯中，浸沒后并靜置2min；（3）A號土豆條加入對應(yīng)量筒中，立即對上O2傳感器。單擊實驗開始按鈕，開始測量過氧化氫被催化分解的氧氣量，測量時間10秒，單擊完成。計算機自動記錄O2生成量的實驗數(shù)據(jù)；（4）以相同的方法測量其它pH下過氧化氫在酶催化下10秒內(nèi)的氧氣釋放量；（5）計算機自動記錄4組實驗數(shù)據(jù)后，自動擬合并繪制pH與酶活性曲線圖，如下圖所示（6）分析實驗結(jié)果，完成實驗報告pH對酶活性的影響曲線（用氧氣釋放量代表催化活性）不同pH對酶活性的影響曲線（用氧氣釋放量代表催化活性）不同pH對酶活性的影響3.DISLab教學(xué)的優(yōu)點筆者通過實踐，發(fā)現(xiàn)DIS實驗的各項指標(biāo)都要優(yōu)于傳統(tǒng)實驗。其中，實驗準(zhǔn)備時間從原先占全過程的49%減少為40%，數(shù)據(jù)處理時間從45%降為3%，而學(xué)生的探索時間則從6%大幅度增加到57%3.1數(shù)據(jù)采集迅速傳統(tǒng)實驗中，若要定量的測量H2O2分解產(chǎn)生O2量，你可以采用化學(xué)上用量筒排水法收集并計量體積，但費時費力。而在DISLab中，有了O2傳感器，它能瞬間、較短時間內(nèi)記錄O2生成量，省時省力。3.2數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確傳統(tǒng)實驗一般是定性的實驗，只做3組數(shù)據(jù)（酸、中性、堿各一組）進行實驗分析，若梯度PH值過多，實驗現(xiàn)象對比不明顯，如設(shè)置PH=6和PH=7時，產(chǎn)生的氣泡（O2量）肉眼無法準(zhǔn)確判斷。而在DISLab中，有了數(shù)據(jù)采集器，它能定量的記錄單位時間內(nèi)產(chǎn)生O2量，反應(yīng)出酶活性的高低。3.3曲線擬合合理傳統(tǒng)實驗在實驗時要在表格中記錄數(shù)據(jù)，測量完畢后，還需自己畫圖來處理數(shù)據(jù)，在以往教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生所繪曲線千姿百態(tài)，誤差較大。而在DISLab中，計算機中的應(yīng)用軟件可以在瞬間對數(shù)據(jù)處理完畢，立刻就能得到合理的擬合曲線，誤差極小，效果理想。以上均是DISLab硬件和軟件自帶的優(yōu)勢，我們在實驗中，可以利用這些優(yōu)勢，充分進行探究性學(xué)習(xí)。3.4探究性學(xué)習(xí)充分在日常的課堂教學(xué)中，筆者總感覺探究性學(xué)習(xí)難以充分進行，主要是學(xué)生很難在理論知識學(xué)習(xí)中發(fā)現(xiàn)問題。而在DISLab中，一方面它為探究性學(xué)習(xí)提供了充足的時間；另一方面，學(xué)生在自己的實踐中會很容易發(fā)現(xiàn)問題并設(shè)計方案解決它。在此次實驗中，學(xué)生就提出了不少問題：①我們可以設(shè)置更多、梯度更小的PH值，來探究過氧化氫酶的最適PH值。利用DISLab我們能輕松完成。②在研究上一問題時，多組學(xué)生發(fā)現(xiàn)擬合出現(xiàn)的曲線左右兩端曲線與橫軸很接近但無交點，而我們的理論知識告訴我們：過酸、過堿蛋白質(zhì)變性，曲線理應(yīng)與橫軸有交點。提出問題后，全體學(xué)生激烈討論，最后共同提出假設(shè)：“過酸、過堿蛋白質(zhì)變性后，3%H2O2在常溫下會自動分解”，并進行實驗驗證（常溫下，3%H2O2無酸無堿條件下測有無O2生成）③正當(dāng)學(xué)生實施實驗時，一學(xué)生又提出問題：為避免試管空氣中O2對實驗的干擾，先測空試管中O2含量，再測加入試劑后O2含量。此問題一提出，其他學(xué)生也是連連點頭。最后，師生利用DIS共同成功的完成探究性學(xué)習(xí)。筆者通過實踐，也很認(rèn)同有些學(xué)者把DISLab稱為探究性實驗室的說法，因為DIS能夠在有限的時間內(nèi)給學(xué)生更大的探究空間。DISLab融合了現(xiàn)代信息技術(shù)、教育技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種手段的優(yōu)勢，提供一種更為直觀、迅速、準(zhǔn)確的教學(xué)實驗環(huán)境，充分體現(xiàn)面向全體學(xué)生，進行探究性學(xué)習(xí)、提高學(xué)生生物科學(xué)素養(yǎng)的新課程理念。4.DISLab教學(xué)的一點擔(dān)憂如同計算器普及后學(xué)生平時遇到數(shù)學(xué)計算時，總是很熟練的敲鍵，一旦遇到正規(guī)考試，在試卷上就明顯反映出學(xué)生計算能力不足，DISLab教學(xué)設(shè)備確實先進，但實驗中學(xué)生長期如此操作，其生物學(xué)實驗的操作能力，生物繪圖能力必然會下降。這些都與普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）的能力要求相違背。所以筆者認(rèn)為生物實驗中不能一味的DIS實驗，應(yīng)和傳統(tǒng)實驗有機的結(jié)合，合理搭配。DISLab畢竟還是新生事物，怎樣才能更加合理地運用這套實驗設(shè)備從事生物教學(xué)，還有待于廣大教師的不斷摸索和研究。主要參考文獻：[1]中華人民共和國教育部.普通高中生物課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）[M].北京：人民教育出版社,2003.4[2]蔣