【摘 要】在教育信息化不斷推進的背景下，數(shù)字化技術在生物實驗教學中的應用展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。本文通過具體案例的闡述，深入剖析了數(shù)字化技術在生物實驗教學中的諸多優(yōu)點。同時，結合對學生的訪談反饋，對數(shù)字化技術在實驗教學中的實際效果進行全面而客觀的評估。

【關鍵詞】數(shù)字化技術；生物實驗教學；評價

【中圖分類號】G434 【文獻標志碼】A

【論文編號】1671-7384（2024）09-084-03

生物實驗在培養(yǎng)學生科學探究能力、實踐操作能力以及科學邏輯思維能力等方面具有舉足輕重的地位。數(shù)字化技術，憑借其獨特的優(yōu)勢，為生物實驗教學帶來了顯著的效果。具體而言，數(shù)字化技術的引入有助于簡化實驗操作的復雜步驟，通過計算機的高效運算實現(xiàn)對實驗數(shù)據(jù)的快速收集與處理，從而大幅縮減實驗所需時間，讓學生有機會能夠進行更深入的分析與探討。同時，實驗數(shù)據(jù)會以直觀的圖像形式在計算機屏幕上實時展示，以便學生能夠直觀地觀察和理解實驗過程與結果[1]，相較于傳統(tǒng)冗長的數(shù)據(jù)記錄，這種方式更能提升學生的圖表解讀與分析能力。更重要的是，數(shù)字化技術還有助于將諸多定性實驗轉化為定量實驗，從而進一步增強學生的科學素養(yǎng)。數(shù)字化技術在生物實驗教學中的運用，無疑為提升學生的科學素養(yǎng)提供了有力支持。

概念界定

數(shù)字化技術，就是通過計算機、網(wǎng)絡和其他現(xiàn)代電子設備進行信息處理、存儲、傳輸和應用的先進技術手段。這些技術將現(xiàn)實世界中的各種信息轉化為計算機可以理解和處理的數(shù)字形式，從而實現(xiàn)信息的快速、高效、精確處理[2]。

數(shù)字化技術在生物實驗教學中的應用，是指將現(xiàn)代數(shù)字技術與生物實驗教學相結合，利用數(shù)字化設備、軟件及系統(tǒng)，對生物實驗過程進行實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、分析處理及可視化展示，從而提升實驗教學的效果，幫助學生更深入地理解和掌握生物學知識。

數(shù)字化技術在生物實驗教學中應用的優(yōu)勢

1.讓生物實驗教學更高效和準確

數(shù)字化技術可以通過自動化、智能化的設備對實驗過程進行精確控制，并通過數(shù)據(jù)分析和可視化技術展示實驗結果，大大提高了實驗教學的效率和準確性。

如“使用高倍顯微鏡觀察幾種細胞”的實驗，其目標為：一是掌握臨時裝片的制作方法；二是熟悉利用高倍顯微鏡觀察細胞，并分析不同細胞之間的異同點。在傳統(tǒng)的實驗環(huán)境下，使用高倍顯微鏡時，需手動調整反光鏡方向以獲取光源，以及手動調整粗細準焦螺旋以獲取清晰物像，一旦觀察到物像，僅觀察者本人可見，同組其他成員及教師均無法同時觀看，這在一定程度上防礙了學生之間的交流，也增加了教師對學生觀察結果的指導難度。當需要將觀察到的圖像保存或展示給其他組學生時，傳統(tǒng)顯微鏡無法滿足這一需求，這在某種程度上影響了教學效果和學生的學習體驗。

隨著數(shù)字化技術的應用，傳統(tǒng)的光學顯微鏡已被數(shù)碼顯微鏡所替代。數(shù)碼顯微鏡頂部配備圖像捕捉裝置，能夠實時收集顯微鏡視野下的圖像，并通過計算機顯示器展示給觀察者及其他人員。這種技術的引入不僅便于學生間的交流，也可以實現(xiàn)將觀察到的圖像保存下來并提交給教師作為作業(yè)素材。同時，教師能夠實時查看所有學生的觀察結果，從而及時提供指導和反饋。對于表現(xiàn)優(yōu)秀的實驗組，教師可直接將其圖像在大屏幕上展示，作為優(yōu)秀作業(yè)的范例。

實驗結束后，教師和學生可對捕捉到的多種細胞的圖像進行匯總和比較，有助于實現(xiàn)教學目標——分析不同細胞的異同點。此外，這些圖像資料可長期保存，為今后的教學工作提供豐富的素材。相較于過去通過互聯(lián)網(wǎng)搜索細胞圖像以獲取教學素材的方式，現(xiàn)今利用數(shù)碼顯微鏡所獲取的圖像更貼合實際教學需求。這種改變不僅提升了教學的準確性，也增強了學生對細胞結構和功能的直觀理解，為教學質量的提升奠定了堅實基礎。

本實驗充分展示了數(shù)字化技術在生物實驗教學中的優(yōu)勢。無論是學生的實驗操作、教師的指導，還是對實驗結果的評價和資料的保存，數(shù)碼顯Zrb+i8OAh5YXyKMEC/nMEZGpyp2gP+PBf01dmb8pdkk=微鏡都顯著提高了便捷性。類似“使用高倍顯微鏡觀察幾種細胞”的實驗，以及涉及細胞觀察的其他實驗，如“觀察DNA和RNA在細胞中的分布”“體驗制備細胞膜的方法”“用高倍顯微鏡觀察葉綠體和線粒體”“植物細胞的吸水和失水”以及“觀察根尖組織細胞的有絲分裂”等，均可借助數(shù)碼顯微鏡實現(xiàn)更高效的教學和學習體驗[3]。特別是在“體驗制備細胞膜的方法”實驗中，數(shù)碼顯微鏡能夠捕捉并實時展示紅細胞吸水后細胞膨脹至破裂的連續(xù)過程，有助于學生更直觀地理解這一生物學現(xiàn)象。

2.豐富生物實驗教學的方式與手段

通過數(shù)字化平臺，教師可以輕松獲取和分享各種教學資源，如實驗視頻、教學課件等，豐富了教學內容和形式[4]。同時，學生也可以利用數(shù)字化工具進行自主學習和探究，如通過模擬實驗軟件進行實驗操作練習，或利用數(shù)據(jù)分析工具對實驗結果進行深入分析，培養(yǎng)學生的自主學習能力和創(chuàng)新精神。

以“探究影響酶活性的因素”實驗為例，學生在進行該實驗時需自主提出假設，并通過實驗手段進行驗證。教材提供了兩個假設方向，即溫度對酶活性的影響以及PH對酶活性的影響。鑒于溫度和PH是理化性質中常見的測量指標，在傳統(tǒng)實驗室環(huán)境下，我們可以利用溫度計以及PH試紙和對應的數(shù)值表進行相應的測量工作。在忽略對溫度和PH值測量精確度要求的前提下，實驗能夠順利進行，并得出相應的實驗結論，從而初步確定酶活性的最適溫度和最適PH的大致范圍。

然而，若學生有進一步的研究需求，如希望精確探究淀粉酶的最適溫度或過氧化氫酶的最適PH，則必須依賴更為精確的測量儀器。此時，數(shù)字化技術的優(yōu)勢便凸顯出來，利用傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機等先進設備，能夠實現(xiàn)更為精準的測量。通過這種方式，能夠將最適溫度和最適PH的范圍從大致的估計轉變?yōu)榫唧w的數(shù)值，從而大大提升實驗的科學性。這充分展現(xiàn)了數(shù)字化技術的顯著優(yōu)勢[5]。

3.實現(xiàn)生物實驗由定性上升到定量分析

數(shù)字化技術的引入，使得生物實驗得以從傳統(tǒng)的定性分析邁向更為精確的定量分析，為生物學研究帶來了革命性的變革[6]。在之前的生物實驗中，往往依賴于實驗者的觀察和經驗來判斷實驗結果，這種方式雖然具有一定的參考價值，但難以避免主觀性和誤差的存在。隨著數(shù)字化技術的不斷發(fā)展，可以借助先進的儀器設備和數(shù)據(jù)分析軟件，對生物實驗中的各項參數(shù)進行精確的測量和計算，從而實現(xiàn)對實驗結果的定量描述。

在“探究影響酶活性的因素”實驗中，教材在最后部分設置了一個深入的探究議題：在不同溫度或PH條件下，酶活性之間的差異究竟如何？同時，教材建議進行定量實驗，如通過測量達到相同實驗結果所需的時間進行比較。然而，在傳統(tǒng)實驗室環(huán)境下，準確判斷何時達到同一實驗結果存在顯著困難。例如，要評估過氧化氫酶在不同PH條件下的酶活性差異，需要觀察從過氧化氫開始反應到完全分解，即無氧氣再產生的整個過程中所需的時間。

雖然時間的測量相對簡單，但確定反應完全結束，即不再產生氣泡的精確時間節(jié)點，卻頗具挑戰(zhàn)性。在反應接近完成時，由于可能出現(xiàn)微小的氣泡，使得確定實驗結束的具體時刻變得困難。此外，不同學生對氣泡消失的理解可能存在差異，從而導致實驗結果無法達成一致。

為了解決這一問題，可以采用更為先進的數(shù)字化技術。通過將試管連接壓強傳感器，學生可以實時觀察計算機顯示器上顯示的壓強變化。當壓強不再增加時，即表示反應已完全結束。通過這種方法，可以精確地比較不同PH值條件下酶活性的差異，從而將原本只能進行定性分析的實驗轉化為定量比較的實驗。

這一改進充分體現(xiàn)了數(shù)字化技術在定量測量方面的優(yōu)勢。對于傳統(tǒng)實驗室難以處理的復雜探究項目，數(shù)字化技術的應用讓教學更具靈活性[7]。

4.培養(yǎng)學生的科學探究能力

通過應用數(shù)字化技術工具，能夠為學生提供更為豐富、直觀和深入的學習體驗，從而有效提升他們的科學思維和探究能力。在數(shù)字化實驗教學中，學生需要運用所學知識和技能進行實驗操作和分析，不僅能鍛煉他們的實驗技能，還能培養(yǎng)他們的科學探究能力。

例如，在“探究酵母菌細胞呼吸方式”的實驗中，一部分學生認為在無氧呼吸過程中，酵母菌細胞需要在完全無氧的環(huán)境中才能進行，而對于有氧呼吸，他們則認為只需在氧氣存在的條件下才可發(fā)生。然而，經過傳感器精確采集的實驗數(shù)據(jù)，計算機自動繪制成的實驗曲線與學生的預期存在顯著的偏差。這時學生們通過結合呼吸作用化學式對實驗曲線進行了全面而細致的分析。經過深入分析，學生們最終得出了科學的結論：無氧呼吸的發(fā)生并非絕對依賴于無氧環(huán)境，實際上，在低氧狀態(tài)下同樣可以發(fā)生；而有氧呼吸則必須在氧氣充足的情況下才能進行。這一過程體現(xiàn)了學生嚴謹?shù)目茖W態(tài)度與積極主動的科學探究精神。

數(shù)字化技術應用于生物實驗教學實踐的評估與分析

1.訪談對象

經過一學期的教學實踐，我們針對某中學高一年級引入數(shù)字化技術開展實驗教學的情況進行了抽樣訪談。為確保訪談的廣泛性和代表性，我們采取隨機抽樣的方式，從每個班級中邀請三名學生參與。最終，共有21名學生接受了此次訪談。

2.訪談結果與分析

（1）學生對數(shù)字化實驗教學模式的看法。在訪談過程中，當問到關于將數(shù)字化技術應用于實驗教學的喜好程度時，學生們紛紛表示，他們傾向于這種數(shù)字化的教學形式。在這種教學模式下，他們展現(xiàn)了更為突出的獨立學習能力，同時也更愿意積極主動地進行交流分享，學生對生物學實驗的興趣得到了顯著增強。學生們進一步提到，通過這種數(shù)字化的實驗教學方式所培養(yǎng)的探究習慣，有助于他們更深入地學習并理解生物學知識。總體而言，大部分學生對將數(shù)字化技術應用于實驗教學表示出濃厚的興趣與認可，這充分說明數(shù)字化實驗教學模式的優(yōu)越性。

（2）學生對生物實驗課的喜愛程度。通過對訪談記錄的分析可以看到，學生們對生物實驗課的喜愛程度較以前有了顯著的提升。這一變化得益于數(shù)字化技術在實驗教學中的廣泛應用，使得實驗更具趣味性，學生們更加積極地參與到實驗內容的學習。學生們的學習態(tài)度變得更加積極，展現(xiàn)出了強烈的主動性和積極性?？傮w而言，大部分學生對生物實驗課的喜愛度均有所增強，這充分證明了數(shù)字化技術在提升實驗教學效果方面的積極作用。

（3）學生解答生物實驗試題的能力。在訪談中，學生們被問及是否感覺解答生物實驗試題變得更為容易時，多數(shù)學生均表示他們的解題能力有所提升。大部分學生認為，相較于以往，現(xiàn)在大家在解答這類試題時更加游刃有余。這一積極的變化主要歸功于數(shù)字化技術的運用，使得實驗原理能夠更為直觀具體地呈現(xiàn)在學生面前，對知識點的理解更加容易，說明了數(shù)字化技術在實驗教學中應用可以提升學生學習生物學的效果。

數(shù)字化技術的應用為生物實驗教學注入了鮮明的時代特征。通過其獨特的實時數(shù)據(jù)采集與圖像顯示功能，數(shù)字化技術成功將微觀過程實現(xiàn)可視化，從而使學生能夠更直觀地觀察實驗反應過程。在生物實驗教學中引入數(shù)字化技術，不僅豐富了生物實驗研究的內涵，更提升了實驗教學的質量。

培養(yǎng)學生的科學探究能力是提升其核心素養(yǎng)的關鍵環(huán)節(jié)。數(shù)字化技術的運用為學生開展探究性活動提供了技術支撐，使學生能夠親身體驗真實的探究過程，進一步加深對科學知識的理解與掌握。這不僅有助于激發(fā)學生的學習興趣，更符合當前新課程改革的教育理念，為培養(yǎng)具備創(chuàng)新精神和實踐能力的優(yōu)秀人才奠定了堅實基礎。

注：本文系福建省教育科學“十四五”規(guī)劃2023年“研究共同體”專項課題“人工智能技術在教育評價中的應用研究”（立項批號：Fjygzx23-099）研究成果

參考文獻

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