一、概述

生物學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的學(xué)科，對(duì)它的研究經(jīng)歷了從現(xiàn)象到本質(zhì)、從定性到定量的發(fā)展過程。在高中階段，實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生掌握生物學(xué)問題的研究思路和方法，落實(shí)學(xué)科核心素養(yǎng)具有重要作用?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》明確提出“在重視定性實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，也應(yīng)重視定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)”。目前，高中生物學(xué)教材中的實(shí)驗(yàn)多為定性實(shí)驗(yàn)，定量實(shí)驗(yàn)較少，而一些生物學(xué)規(guī)律的揭示必須依靠定量實(shí)驗(yàn)才能實(shí)現(xiàn)，例如酶活性受溫度影響的曲線等，受檢測(cè)手段等條件限制很難進(jìn)行定量研究。

傳感器作為一種檢測(cè)裝置，它能將感受到的信息轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)或者以其他信號(hào)形式輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的準(zhǔn)確測(cè)量，同時(shí)還具有處理、記錄、控制等功能，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于許多研究與生產(chǎn)領(lǐng)域。在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，師生可以借助傳感器實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，減小實(shí)驗(yàn)誤差。現(xiàn)在許多中學(xué)的實(shí)驗(yàn)室都配備了適合高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的傳感器，如溫度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、氧氣傳感器等。它們不僅能用來精準(zhǔn)測(cè)量并呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，而且能為實(shí)驗(yàn)課堂注入新的活力。將傳感器用于高中生物學(xué)某些實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，可彌補(bǔ)利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法難以實(shí)現(xiàn)定量、測(cè)量不準(zhǔn)確或耗時(shí)長(zhǎng)等不足，在改進(jìn)、創(chuàng)新及拓展實(shí)驗(yàn)方面具有重要作用。同時(shí)，還可以有效地促進(jìn)教師專業(yè)發(fā)展。

二、促進(jìn)實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新

在研究人員及廣大教師的探索下，高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)不斷優(yōu)化。傳感器作為實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新利器，有助于教學(xué)創(chuàng)新，助力學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展。

（一）轉(zhuǎn)定性為定量

教師可以借助傳感器突破測(cè)量方法的限制，將教材中經(jīng)典的定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槎繉?shí)驗(yàn)。例如，筆者對(duì)人教版高中生物教材必修1第5章第1節(jié)中的“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實(shí)驗(yàn)做了優(yōu)化。比較HO在常溫、90 ℃、FeCl溶液和肝臟研磨液的條件下產(chǎn)生氣泡多少、帶火星衛(wèi)生香復(fù)燃情況來定性判斷，得出相應(yīng)結(jié)論，這是教材上給出的方法。教師指導(dǎo)學(xué)生借助壓力傳感器可實(shí)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)的定量檢測(cè)。具體的做法如下：用壓力傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)容器內(nèi)因氧氣生成造成的壓強(qiáng)變化，利用單位時(shí)間形成的壓強(qiáng)差或達(dá)到相同壓強(qiáng)所需的時(shí)間作為因變量，將定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槎繉?shí)驗(yàn)^[1]。此實(shí)驗(yàn)也可利用氧氣傳感器完成。此外，人教版教材中還有一些實(shí)驗(yàn)，也可以利用傳感器實(shí)現(xiàn)從定性到定量的轉(zhuǎn)變（見表1）。

（二）縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)

傳感器具有采集數(shù)據(jù)靈敏、快速等特點(diǎn)，用其可顯著減少獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的時(shí)間，這就直接解決有些實(shí)驗(yàn)無法在當(dāng)堂呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的難題。例如，高中生物教材必修1第5章第4節(jié)中的“探究光照強(qiáng)度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”實(shí)驗(yàn)中筆者就巧妙縮短了時(shí)長(zhǎng)。師生參考教材上給出的“圓葉法”，將觀察圓形小葉片浮起的數(shù)量作為因變量也能操作，但對(duì)這個(gè)定量實(shí)驗(yàn)來講，獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果需要較長(zhǎng)時(shí)間，利用該方法幾乎不可能在課堂上呈現(xiàn)從操作到記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果的全過程，一般采用課前錄像、課中播放的方式呈現(xiàn)，造成實(shí)驗(yàn)并不“實(shí)”。

借助氧氣或二氧化碳傳感器可有效解決以上問題。具體的做法如下：利用傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量容器幾分鐘內(nèi)O或CO濃度的變化，計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)O或CO濃度的變化量，即凈光合作用速率。除此之外，對(duì)光合作用的其他相關(guān)實(shí)驗(yàn)及探究酵母菌細(xì)胞呼吸方式的實(shí)驗(yàn)（見表2），都可以借助傳感器來縮短時(shí)間，當(dāng)堂展示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

應(yīng)用借助傳感器可以節(jié)省大量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間，教師可以利用節(jié)省的時(shí)間引導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)多樣化的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，為提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與創(chuàng)新能力搭建平臺(tái)。

（三）優(yōu)化結(jié)果的獲取與呈現(xiàn)

與傳統(tǒng)對(duì)定量實(shí)驗(yàn)結(jié)果的獲取與統(tǒng)計(jì)相比，傳感器在數(shù)據(jù)的獲取與統(tǒng)計(jì)上也有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：①傳感器獲取的信息經(jīng)過數(shù)據(jù)采集器收集后，可以直接通過軟件進(jìn)行處理，不必人工讀取或記錄數(shù)據(jù)，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集的自動(dòng)化;②具備超強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，不額外花費(fèi)時(shí)間就可以根據(jù)需要將實(shí)驗(yàn)結(jié)果以表格、曲線或圖像等形式直觀展現(xiàn)出來，便于學(xué)生進(jìn)行分析與討論;③它可以實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，得到連續(xù)變化的數(shù)據(jù)，可依需要進(jìn)行劃分，支持某些實(shí)驗(yàn)的階段性分析。例如操作高中生物教材必修3第1章第2節(jié)中的“模擬生物體維持pH的穩(wěn)定”實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過pH傳感器可以再現(xiàn)緩沖液維持pH穩(wěn)定的過程。相比利用pH試紙或pH計(jì)得到滯后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)而言，傳感器更能真實(shí)呈現(xiàn)生物學(xué)事實(shí)。

（四）助力實(shí)驗(yàn)拓展

傳感器靈敏度高，能夠檢測(cè)微弱信號(hào)并捕捉信號(hào)的微小變化和瞬間變化，因此可以大大增加實(shí)驗(yàn)可研究范圍的深度、廣度^[2]。例如，可以借助氧氣和二氧化碳傳感器開展“探究種子發(fā)芽初期的細(xì)胞呼吸類型”實(shí)驗(yàn)活動(dòng);利用光照強(qiáng)度傳感器與氧氣傳感器開展“探究某種植物的光飽和點(diǎn)與光補(bǔ)償點(diǎn)”活動(dòng);借助氧氣和二氧化碳傳感器開展“探究某種植物的CO飽和點(diǎn)與CO補(bǔ)償點(diǎn)”活動(dòng);利用電導(dǎo)率傳感器探究“細(xì)胞大小與物質(zhì)運(yùn)輸?shù)年P(guān)系”;利用pH傳感器開展“探究不同水果的酸堿度”活動(dòng)。傳感器的獨(dú)特應(yīng)用打開了教師與學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)拓展的視角，突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的局限性。將來一定有更多此類的拓展實(shí)施出現(xiàn)在高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂。

在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用傳感器，在縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間、增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)效果的基礎(chǔ)上，教師可以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的可行性，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，給學(xué)生更多參與實(shí)驗(yàn)動(dòng)手、動(dòng)腦的機(jī)會(huì)，這有助于發(fā)展學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

三、促進(jìn)教師專業(yè)能力的提升

（一）在應(yīng)用新技術(shù)的過程中提升專業(yè)能力

科技的發(fā)展與應(yīng)用影響生物學(xué)領(lǐng)域研究方式的變化，也影響著高中生的學(xué)習(xí)方式。人們始終不能忘記，教師是學(xué)生學(xué)習(xí)的引導(dǎo)者。引導(dǎo)者應(yīng)該與時(shí)俱進(jìn)，在掌握新技術(shù)方面先行一步。

一直以來，實(shí)驗(yàn)教學(xué)都是中學(xué)生物學(xué)教學(xué)的難點(diǎn)。調(diào)查顯示，一些學(xué)校實(shí)施高中新課程效果并不理想，有一多半高中學(xué)校平均每個(gè)必修模塊才做兩次實(shí)驗(yàn)，探究活動(dòng)更少;有的實(shí)驗(yàn)開出率為0，如低溫誘導(dǎo)植物染色體的加倍;開展實(shí)驗(yàn)、探究的效果也未必好^[3]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn)，并不在于教師完不成實(shí)驗(yàn)，而在于要帶領(lǐng)全班學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)。在運(yùn)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段改進(jìn)實(shí)驗(yàn)方面，很多教師在努力，但是效果卻不理想。在新的技術(shù)手段不斷發(fā)展之際，教師應(yīng)該保持開放態(tài)度，將一切有利于課堂教學(xué)，有利于實(shí)驗(yàn)技術(shù)提高的新技術(shù)融入教學(xué)中。傳感器早就在醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，在中學(xué)課堂教學(xué)中應(yīng)用較晚，范圍還不夠大。當(dāng)傳感器進(jìn)入高中生物實(shí)驗(yàn)室，生物教師和實(shí)驗(yàn)員首先必須了解它們的使用方法、適用范圍等，并思考如何利用這些實(shí)驗(yàn)設(shè)備提高實(shí)驗(yàn)課堂的時(shí)效性，完成以往難以開展的某些重要實(shí)驗(yàn)。在嘗試應(yīng)用新技術(shù)的過程中，教師在專業(yè)上也將實(shí)現(xiàn)提升。從這個(gè)意義上講，教師作為教育工作者也在踐行著聯(lián)合國(guó)教科文組織的倡議——教育應(yīng)該讓人學(xué)會(huì)改變。

（二）在實(shí)踐中體驗(yàn)科學(xué)技術(shù)與教育、技術(shù)與社會(huì)的交叉融合

在生物學(xué)課程中，教師早就在滲透STS（科學(xué)·技術(shù)·社會(huì)）關(guān)系的教育，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注科學(xué)技術(shù)之間、科學(xué)技術(shù)與社會(huì)之間的復(fù)雜互動(dòng)關(guān)系。實(shí)際上，在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用傳感器再次反映了科學(xué)技術(shù)之間的促進(jìn)作用。傳感器應(yīng)用于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，教師在學(xué)習(xí)新技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，也在實(shí)踐中體驗(yàn)科學(xué)技術(shù)與教育、技術(shù)與社會(huì)的融合。

（三）在教學(xué)中提升跨學(xué)科整合能力

當(dāng)今，越來越多的有識(shí)之士在提倡跨學(xué)科整合。傳感器應(yīng)用于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，是跨學(xué)科實(shí)踐的案例。在應(yīng)用傳感器測(cè)量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的同時(shí)，物理量、化學(xué)變化與生命現(xiàn)象的研究，是交織在一起的——在解決問題情境中提升素養(yǎng)。這對(duì)于生物學(xué)教師開展跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，也有很好的啟迪。

筆者欣喜地發(fā)現(xiàn)，有教師利用傳感器設(shè)計(jì)出用于探究影響細(xì)胞呼吸及光合作用因素的實(shí)驗(yàn)儀器——“植物呼吸、光合作用探究?jī)x”，并結(jié)合現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用傳感器監(jiān)測(cè)箱內(nèi)的溫度、濕度、光強(qiáng)等，及時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)整^[4]。筆者相信，這些肯鉆研的教師也一定會(huì)影響身邊的同行和所教的學(xué)生。

筆者期待，越來越多的教師應(yīng)用傳感器開展生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，不僅是為了將生物實(shí)驗(yàn)完成得更好，而且是在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用新技術(shù)，在應(yīng)用新技術(shù)的過程中，做個(gè)有心人，更好地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的育人價(jià)值。從育人的角度看，不僅育學(xué)生，而且提升自身專業(yè)素養(yǎng)。

目前，傳感器的性能還在不斷提高。傳感器在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用還需要教師不斷嘗試和完善。筆者期待，教師整合傳感器的優(yōu)點(diǎn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)，在引導(dǎo)學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的過程中，總結(jié)出新經(jīng)驗(yàn)、新方法。

參考文獻(xiàn)

[1] 王興泉.在“比較H2O2在不同條件下的分解”實(shí)驗(yàn)改進(jìn)中的傳感器應(yīng)用[J].中學(xué)生物學(xué)，2014（5）：50-51.

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[3] 譚永平.生物學(xué)課程哲學(xué)[M].杭州：浙江教育出版社，2020.

[4] 何東慧.植物呼吸、光合作用探究?jī)x[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備， 2019（10）：42-49.

（作者王瓊霞、劉曉昕系北京教育學(xué)院石景山分院教研員）