一、問題的提出

發(fā)展高中生的生物學學科核心素養(yǎng)，是高中生物學教學的基本任務。實驗教學是促進學生生物學學科核心素養(yǎng)發(fā)展的重要依托。然而，實驗教學一直是高中生物學教學的難點，部分實驗現象難以觀測、量化，影響實驗效果。借助傳感器量化實驗結果，可以有效提高實驗教學的效果。應用傳感器開展生物學教學值得探索。

高中生物學實驗教學中，利用傳感器可實現實驗數據的實時測量、采集和分析。這樣，原來無法定量測量數據，現在可以量化;原來很難觀察的變化，也可以用數字化手段來顯示。數字化實驗裝置一般由傳感器、數據采集器、計算機及相關數據處理軟件構成。被測量的自然量，如O、CO、溫度等，通過傳感器被轉換為電信號，再通過采集器編碼為數字信號，最后通過計算機實驗軟件生成實驗結果（包括數據和圖像等），顯示在大尺寸液晶屏幕供師生觀察和分析。下面，以“探究不同環(huán)境因素對光合作用的影響”教學活動為例，探討如何利用傳感器開展數字化實驗，促進學生學科核心素養(yǎng)發(fā)展。

二、應用傳感器技術開展實驗教學

應用傳感器技術開展實驗教學，目標指向依然是教學實驗與素養(yǎng)提升。在實驗教學時，先要分析實驗的育人價值。

（一）確定實驗目標，關注學科核心素養(yǎng)發(fā)展

課程標準是課堂教學及教學評估的根本依據。“探究不同環(huán)境因素對光合作用的影響”是“概念2 細胞的生存需要能量和營養(yǎng)物質，并通過分裂實現增殖”教學內容，該實驗旨在促進學生生物學學科核心素養(yǎng)的提升，幫助學生理解概念。知識性目標動詞“探究”為應用水平，程序性知識目標為“不同環(huán)境因素對光合作用的影響”，即學生能夠運用光合作用的過程和原理，在新的情境中設計和實施實驗方案，分析結果得出結論，進一步理解光合作用，并分析、解釋農業(yè)生產現象，找出解決問題的方法。

“探究環(huán)境因素對光合作用強度的影響”是人教版《生物學必修1 分子與細胞》第5章“細胞的能量供應和利用”第4節(jié)“光合作用與能量轉化”中“光合作用的原理和應用”部分的“探究·實踐”活動。學生在學習“捕獲光能的色素和結構”以及“光合作用的原理”基礎上，參與探究實驗活動可進一步理解光合作用的原理和過程，提升自身的科學思維、科學探究素養(yǎng)。

基于上述分析，筆者認為該實驗的育人價值既有知識獲取，又有感悟知識形成過程中獲得的素養(yǎng)提升：在實驗過程中，學生利用數字化手段開展實驗獲取量化結果，基于數字證據和邏輯得出結論，分析環(huán)境因素測定值與光合作用表現指標值之間的關系，始終在思考;在分析物質變化、能量變化數值的同時，也在朝著深刻理解物質與能量觀的方向深入。

因此確定實驗目標：（1）根據數字化實驗獲取的量化指標值，解釋光合作用中的物質變化和能量轉換（生命觀念）;（2）嘗試利用傳感器設計探究不同環(huán)境因素對光合作用影響的實驗，分組合作完成實驗（科學探究）;（3）分析影響光合作用的環(huán)境因素以及影響的結果，得出結論（科學思維）;（4）通過對具體農業(yè)生產問題的分析，找到農業(yè)生產中提高農作物產量的具體措施，將理論與實踐聯(lián)系起來（社會責任）。

（二）體驗數字化實驗的過程，發(fā)展核心素養(yǎng)

1.喚起已知，重溫生命觀念

教學起始階段，教師演示下列實驗，讓學生觀察實驗現象并進行總結。

演示活動：分別用生長狀況相同且大小相同的同種植物綠葉A和黃葉B在室溫和一定的光照強度的條件下，通過氧氣傳感器以及數據采集器檢測密閉容器中氧氣濃度的變化;通過二氧化碳傳感器以及數據采集器檢測密閉容器中二氧化碳濃度的變化量。

學生通過顯示屏觀察到的實驗現象是綠葉A組的O濃度減小，CO濃度增大，而黃葉B組的O和CO濃度幾乎不變，從而得出結論“葉綠體在光下進行光合作用產生O并釋放CO”。通過演示，學生更直觀地觀察到實驗現象，進一步理解光合作用物質變化和能量轉化的關系;同時，掌握數字化實驗儀器的使用方法，為后續(xù)探究實驗打下基礎。

2.重構認知，開展科學探究

情境導入：世界糧食計劃署發(fā)布了2020年《全球糧食危機報告》，共有25個國家面臨嚴重饑餓風險。疫情是糧食危機的催化劑。一場“大饑荒”已然席卷全球。提高全球糧食產量是亟待解決的問題。除了改變農作物品質之外，在生產實踐中還可以改變哪些環(huán)境因素提高光合作用強度，從而提高糧食產量。

學生從光照強度、CO濃度、溫度等方面進行闡述，在分組探討自變量、無關變量以及因變量的設置的基礎上，設計實驗方案。

筆者讓學生根據光合作用的原理和過程，推理（分析）影響光合作用強度的因素，并據此設計實驗方案進行探究，提高其學習能力與認知水平。在發(fā)現問題的基礎上，通過探究實驗的實施、觀察、交流，激發(fā)學生對自然現象的好奇心和求知欲，幫助他們掌握科學的思路和方法，提高實踐能力。

探究活動：探究光照強度對光合作用的影響。

學生利用光照強度傳感器，調節(jié)燈光與裝置之間的距離，設置不同光照強度的自變量，借助氧氣傳感器測得單位時間內氧氣濃度變化，從而得出結論“一定的光照強度范圍內，隨著光照強度的增大，光合強度逐漸增大，超過一定的光照強度，光合速率不再變化”。

探究活動：探究CO對光合作用的影響。

學生借助二氧化碳傳感器，利用NaHCO溶液調節(jié)溶液中的CO濃度，發(fā)現在一定的溫度和光照強度下，一定范圍內隨著CO濃度的升高，光合作用強度逐漸升高，超過一定的范圍，光合作用強度下降。同時，筆者引導學生分析原因。

探究活動：探究溫度對光合作用強度的影響。

學生借助溫度傳感器，利用水浴調節(jié)不同裝置內溶液的溫度，發(fā)現在一定的光照強度下，一定的溫度范圍內升溫后，光合作用強度升高，超過一定溫度，隨著溫度升高，光合作用強度下降。

3.分析實驗結果，運用科學思維

實驗結果表明，光照強度、CO濃度和溫度與光合作用強度之間存在相關性。一定范圍內，光合作用與上述影響因素正相關，超過一定范圍后，則無此關系。由此可見，環(huán)境因素的影響，最終都通過作用于內因而起作用。光合作用除了受環(huán)境因素影響外，還受葉綠體利用光的能力、葉片吸收CO能力、相關酶活性影響，它們之間是復雜的關系而不是線性關系。

傳感器獲取的實驗數據，在精確定量方面具有優(yōu)勢。運用傳統(tǒng)實驗方法開展本實驗時，實驗結果難以量化，僅能根據小葉片浮起時間、數量來判斷影響光合作用強度。用傳感器開展本實驗，在實驗結束后，可以比較精確地定量測量（定量的指標更多），這對學生的學習很有幫助，可以更好地理解多個自變量與作為因變量的光合作用強度之間的關系，從而基于這種量化分析更深刻地理解光合作用過程中所表現出來的網絡狀因果關系，對于影響光合作用強度的環(huán)境因素、內因等是“多因一果”的關系也有更深刻的認識。在對實驗數據開展討論的過程中，學生基于自變量變化與因變量變化的分析還有其他發(fā)現：光照強度、CO濃度和溫度上升到一定程度后，光合作用強度不再增加。這對于理解生物學普遍存在的適度、平衡思想也很有益處。

在全班交流時，學生發(fā)現不同組實驗結果數據有差別。筆者引導學生分析不同組測量數據出現差異的原因。學生認為，可能是選擇葉片不夠濃綠，可能是連接傳感器太早，也有可能是容器太小、CO不足、與燈管的距離遠近等原因造成的。這樣，學生既可以反思用傳感器測量時是否按基本要求操作，又能對測量誤差有深刻的感悟。更有意義的是，雖然各組數據不完全相同，但是，各組獲得的自變量、因變量數據之間的關系，卻是有共同趨勢的。當筆者引導全班學生再次分析各組的數據時，學生嘗試透過實驗結果的表象抽取實質，從似乎紛繁無序的數據中尋找規(guī)律，從而對于處理實驗結果、合理得出結論有更深刻理解。討論之后，學生躍躍欲試，想通過實驗進一步探討和研究。

4.情境感知，增強社會責任感

教育的使命是立德樹人，只有將生物學概念及生命觀念應用到社會實踐中才能真正貫徹黨的教育方針，落實立德樹人的根本任務。

筆者提出問題：“在農業(yè)生產中，農民伯伯在大棚中采取哪些措施實現增產？”學生考慮增強大棚中燈光，用白光燈、紅光燈、綠光燈等不同的光源進行照射，但對相同強度的光源，應選擇何種光質，存在分歧，最終通過實驗進行探究。

探究實驗：探究光質對光合作用強度的影響，并解釋原因。

學生借助傳感器設定一定的光照強度，分別采用白光、紅光和綠光進行實驗，結果發(fā)現同等光照強度下紅光照射植物其光合作用最強，綠光效果最差。學生解釋產生這一結果的原因：葉綠體中的色素主要吸收紅光和藍紫光，而對綠光吸收最少。學生原來是通過猜測進行解釋，現在借助傳感器做實驗更容易直接用數據驗證了。

教師進一步引導學生思考選用紅色大棚薄膜是否可以增產，并通過實驗進行探究。

探究實驗：分析大棚薄膜的顏色對光合作用強度的影響，并解釋原因。

學生將白色和紅色的塑料薄膜分別包在實驗裝置外，發(fā)現在較適宜的光照強度下，采用白色薄膜組的O釋放量明顯多于紅色薄膜組，并解釋產生這一現象的原因，即同等強度的光照在經過紅色薄膜時大部分的光（除了紅光）被薄膜吸收了導致光照強度減弱，而白色薄膜幾乎可以使所有的光透過來。學生借助光照強度傳感器對兩種情況進行檢測，證實這種解釋是正確的。

結合實驗數據，教師進一步引導學生關注光合作用在提高農作物產量方面的應用，并強調光合作用的效率不能無限提高，大家要增強節(jié)約糧食的意識。

三、總結

此實驗中，數字化探究實驗有以下優(yōu)點：一是傳感器與計算機連接實時采集數據，實現了數據記錄的連續(xù)性，即實現實驗過程的可視化。二是測得的實驗數據通過圖像或數據變化直接顯示出來，避免了處理實驗數據不準確，騰出更多的時間和精力用于實驗設計、分析，更好地理解概念、掌握規(guī)律，即保障實驗設計的重點化。三是數據采集的智能化。四是數據處理的智能化。

應用傳感器技術開展實驗教學成效顯著：一方面簡化了實驗操作，使實驗更容易開展，結果更明顯;另一方面，可以用“數字”描述原本定性或粗略定量的實驗。這樣的實驗結果，對于學生建立物質與能量觀，理解生物學網絡狀因果關系，了解光合作用原理而建立節(jié)約糧食的意識，都有積極意義。傳感器技術的應用，改變的不只是實驗手段，還有發(fā)展學生學科核心素養(yǎng)的方法。

（作者系山東省榮成市第一中學教師）