DIS在高中生物学实验中的应用初探分析研究 教育教学专业

DIS在高中生物学实验中的应用初探摘要本文以“探究不同pH值对过氧化氢酶活性的影响”实验为例，介绍了DISLab的基本组成，并详细阐述了运用DIS实验有四大优点：数据采集迅速；数据分析准确；曲线拟合合理；探究性学习充分。旨在倡导DIS模式下的探究性学习。关键词DISDISLab传感器数据采集器探究性学习为进一步配合和推动中小学理科新课程的改革进程，教育部2006年7月发布的《中小学理科实验室装备规范》中第一次将“计算机数据采集系统（DIS：Digital

Information

System）”列入仪器装备标准中。两年多来，有条件的中小学已经开始对本校的理科实验室进行了改造，纷纷建立了数字化信息系统理科实验室（以下简称DISLab）。1.DISLab介绍DISLab是现代信息技术、教育技术、教育观点和教学方法相结合的创新，简单点说就是借助电脑来进行实验的方法，整个系统是由传感器，数据采集器，计算机，应用软件四部分组成（如右图）。1.1传感器——接受信号传感器是一种能接受外界的物理信号、化学信号或生物信号并能把他们转换为电信号，随后再传到数据采集器。传感器种类很多，可以测量多种变量。在高中生物实验中常用的有温度传感器、pH传感器、溶解氧传感器、二氧化碳传感器等。1.2数据采集器——转换信号数据采集器是连接传感器和计算机的桥梁，是整个系统的核心部件，其主要功能是将传感器采集的电信号（一种模拟信号）转换为数字信号，然后再将这些数字信号传输到计算机1.3计算机——处理信号应用在DISLab计算机系统要求不高，目前市场上的一般配置即可满足实验需要。1.4应用软件——呈现信息DISLab的软件系统是一个包含了教学所需功能的数据收集分析软件，它运行于Windows环境下，可支持几十种传感器，数据分析功能强大，如曲线图，数据表，统计，数据转换，曲线拟合等。通过应用软件对相应数据的处理，可以得到直观、准确的图、表或其他呈现形式。2.DIS在高中生物实验中的应用笔者以“探究不同pH值对过氧化氢酶活性的影响”为例，来讲解DIS在生物实验中的应用过程探究目的：探究不同pH值对酶活性的影响实验原理：不同pH值对酶活性的影响可通过酶催化过氧化氢水解时单位时间内的O2生成量来衡量。实验仪器：量筒；试管；大烧杯；水果刀；试管架；10ml移液管；盐酸溶液；NaOH溶液；蒸馏水；3%H2O2；新鲜土豆；计算机；USB连接线；O2传感器；传感器连接线；数据采集器界面准备单机运行操作平台——装载实验模板、数据采集器与软件的连接，实验主要操作流程：（1）在四只大烧杯中依次配PH=3，5，7，9的溶液，并进行标号A、B、C、D；（2）将四个相同大小的小土豆条依次放入标号的大烧杯中，浸没后并静置2min；（3）A号土豆条加入对应量筒中，立即对上O2传感器。单击实验开始按钮，开始测量过氧化氢被催化分解的氧气量，测量时间10秒，单击完成。计算机自动记录O2生成量的实验数据；（4）以相同的方法测量其它pH下过氧化氢在酶催化下10秒内的氧气释放量；（5）计算机自动记录4组实验数据后，自动拟合并绘制pH与酶活性曲线图，如下图所示（6）分析实验结果，完成实验报告pH对酶活性的影响曲线（用氧气释放量代表催化活性）不同pH对酶活性的影响曲线（用氧气释放量代表催化活性）不同pH对酶活性的影响3.DISLab教学的优点笔者通过实践，发现DIS实验的各项指标都要优于传统实验。其中，实验准备时间从原先占全过程的49%减少为40%，数据处理时间从45%降为3%，而学生的探索时间则从6%大幅度增加到57%3.1数据采集迅速传统实验中，若要定量的测量H2O2分解产生O2量，你可以采用化学上用量筒排水法收集并计量体积，但费时费力。而在DISLab中，有了O2传感器，它能瞬间、较短时间内记录O2生成量，省时省力。3.2数据分析准确传统实验一般是定性的实验，只做3组数据（酸、中性、碱各一组）进行实验分析，若梯度PH值过多，实验现象对比不明显，如设置PH=6和PH=7时，产生的气泡（O2量）肉眼无法准确判断。而在DISLab中，有了数据采集器，它能定量的记录单位时间内产生O2量，反应出酶活性的高低。3.3曲线拟合合理传统实验在实验时要在表格中记录数据，测量完毕后，还需自己画图来处理数据，在以往教学中，笔者发现学生所绘曲线千姿百态，误差较大。而在DISLab中，计算机中的应用软件可以在瞬间对数据处理完毕，立刻就能得到合理的拟合曲线，误差极小，效果理想。以上均是DISLab硬件和软件自带的优势，我们在实验中，可以利用这些优势，充分进行探究性学习。3.4探究性学习充分在日常的课堂教学中，笔者总感觉探究性学习难以充分进行，主要是学生很难在理论知识学习中发现问题。而在DISLab中，一方面它为探究性学习提供了充足的时间；另一方面，学生在自己的实践中会很容易发现问题并设计方案解决它。在此次实验中，学生就提出了不少问题：①我们可以设置更多、梯度更小的PH值，来探究过氧化氢酶的最适PH值。利用DISLab我们能轻松完成。②在研究上一问题时，多组学生发现拟合出现的曲线左右两端曲线与横轴很接近但无交点，而我们的理论知识告诉我们：过酸、过碱蛋白质变性，曲线理应与横轴有交点。提出问题后，全体学生激烈讨论，最后共同提出假设：“过酸、过碱蛋白质变性后，3%H2O2在常温下会自动分解”，并进行实验验证（常温下，3%H2O2无酸无碱条件下测有无O2生成）③正当学生实施实验时，一学生又提出问题：为避免试管空气中O2对实验的干扰，先测空试管中O2含量，再测加入试剂后O2含量。此问题一提出，其他学生也是连连点头。最后，师生利用DIS共同成功的完成探究性学习。笔者通过实践，也很认同有些学者把DISLab称为探究性实验室的说法，因为DIS能够在有限的时间内给学生更大的探究空间。DISLab融合了现代信息技术、教育技术、网络技术等多种手段的优势，提供一种更为直观、迅速、准确的教学实验环境，充分体现面向全体学生，进行探究性学习、提高学生生物科学素养的新课程理念。4.DISLab教学的一点担忧如同计算器普及后学生平时遇到数学计算时，总是很熟练的敲键，一旦遇到正规考试，在试卷上就明显反映出学生计算能力不足，DISLab教学设备确实先进，但实验中学生长期如此操作，其生物学实验的操作能力，生物绘图能力必然会下降。这些都与普通高中生物课程标准（实验）的能力要求相违背。所以笔者认为生物实验中不能一味的DIS实验，应和传统实验有机的结合，合理搭配。DISLab毕竟还是新生事物，怎样才能更加合理地运用这套实验设备从事生物教学，还有待于广大教师的不断摸索和研究。主要参考文献：[1]中华人民共和国教育部.普通高中生物课程标准（实验）[M].北京：人民教育出版社,2003.4[2]蒋