摘要：本文以“探究環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度的影響”實(shí)驗(yàn)為例，將多種現(xiàn)代信息化和數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)過程，對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行創(chuàng)新性改進(jìn)。結(jié)合3D打印技術(shù)自制實(shí)驗(yàn)教具“多功能光照培養(yǎng)箱”，利用手機(jī)APP“藍(lán)牙調(diào)光器”精準(zhǔn)調(diào)節(jié)光源，連接O2傳感器實(shí)時檢測O2產(chǎn)生速率，并通過分組實(shí)驗(yàn)、任務(wù)驅(qū)動、成果分享等活動展示實(shí)驗(yàn)流程，積極探索在信息技術(shù)背景下的高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改進(jìn)和優(yōu)化模式，為高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和培養(yǎng)創(chuàng)型人才提供新的思路。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)；生物學(xué)實(shí)驗(yàn)；融合創(chuàng)新；多功能光照培養(yǎng)箱

文章編號：1003-7586（2024）05-0052-03 中圖分類號：G63391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中指出，充分利用以“互聯(lián)網(wǎng)+”為代表的教育信息技術(shù)，開啟動態(tài)的數(shù)字化生物學(xué)課堂教學(xué)。教育部在2018年印發(fā)的《教育信息化20行動計(jì)劃》中指出，要著手提高學(xué)生信息技術(shù)能力，將信息技術(shù)素養(yǎng)納入綜合素質(zhì)的評價中。聚集信息技術(shù)與生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合路徑，提升實(shí)驗(yàn)課堂理論教學(xué)的視覺化，使生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂能夠滿足現(xiàn)代教育的發(fā)展需求，為高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革提供了新的方向。

“探究環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度的影響”是人教版普通高中教科書《生物學(xué)·必修1·分子與細(xì)胞》第5章第4節(jié)“能量之源——光與光合作用”中的“探究·實(shí)踐”部分的實(shí)驗(yàn)。光合作用的過程是微觀、復(fù)雜的，光合作用強(qiáng)度的測定是定性的，通過信息化技術(shù)手段來輔助本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，讓微觀實(shí)驗(yàn)可視化、定性實(shí)驗(yàn)定量化、復(fù)雜實(shí)驗(yàn)簡單化。

1信息技術(shù)的融合思路

1.13D打印技術(shù)的引入

3D打印技術(shù)在航空航天、工業(yè)制造等諸多領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，隨著其迅速發(fā)展，近年來也慢慢滲透到高中生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置的制作過程中。與傳統(tǒng)制作教具的方法相比，3D打印技術(shù)具有省時、省材、省力的優(yōu)點(diǎn)，特別是在推廣性和復(fù)制性方面具有無可比擬的優(yōu)勢。

在“探究環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度的影響”的實(shí)驗(yàn)中，需要設(shè)定一個獨(dú)立的、黑暗的、可多組對照的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，一方面需要避免環(huán)境中其他光源的干擾，另一方面還要同時設(shè)置多組對照實(shí)驗(yàn)?；谝陨闲枨螅诩埳侠L制出“多功能光照培養(yǎng)箱”的基本結(jié)構(gòu)圖，然后在電腦上利用軟件“3D one”構(gòu)建3D立體模型，選擇不透光的樹脂作為打印材料，根據(jù)立體模型開啟3D打印過程，從而將無形的電子建模轉(zhuǎn)化為有形的實(shí)物模型。在軟件中根據(jù)需求自由設(shè)置箱體各邊長參數(shù)，再利用3D打印機(jī)制作出“多功能培養(yǎng)箱”?！岸喙δ芘囵B(yǎng)箱”的3D立體設(shè)計(jì)圖及打印出的實(shí)物如圖1所示。

1.2手機(jī)APP“藍(lán)牙調(diào)光器”的使用

“多功能光照培養(yǎng)箱”中的光源是由24個無極調(diào)光的LED智能燈組成，光源均可由手機(jī)APP“藍(lán)牙調(diào)光器”進(jìn)行智能調(diào)節(jié)，通過手機(jī)APP可調(diào)節(jié)培養(yǎng)箱中的光照強(qiáng)度、光照頻率，光質(zhì)等自變量。LED智能燈的調(diào)節(jié)范圍為0～10 klx，手機(jī)APP“藍(lán)牙調(diào)光器”可通過設(shè)置亮度比例自由調(diào)整每一組的光照強(qiáng)，并實(shí)現(xiàn)一鍵調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度、光照與黑暗的交替頻率等功能。手機(jī)APP“藍(lán)牙調(diào)光器”操作簡單，界面清晰，使得實(shí)驗(yàn)自變量的控制過程更具科學(xué)性、嚴(yán)謹(jǐn)性、信息化。手機(jī)APP“藍(lán)牙調(diào)光器”調(diào)節(jié)光照強(qiáng)度的操作界面如圖2所示。

1.3O2傳感器的使用

本實(shí)驗(yàn)的因變量是光合作用的強(qiáng)度，可通過檢測光合作用產(chǎn)生O2的速率來判斷。以O(shè)2傳感器為主體的“手持技術(shù)”的引人為精確測量實(shí)驗(yàn)結(jié)果提供了技術(shù)支持。O2傳感器的探頭連接光合瓶口，其另一端直接連接電腦端，實(shí)時監(jiān)測光合作用產(chǎn)生O2的速率，快速收集和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并生成直觀形象的曲線圖。在電腦屏幕上呈現(xiàn)出的曲線圖直觀簡潔，科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，讓微觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果變得可視化。O1傳感器的使用如圖3所示。

2實(shí)驗(yàn)操作過程

2.1實(shí)驗(yàn)材料的選擇

預(yù)實(shí)驗(yàn)選用綠蘿、菠菜等多種生活中常見的綠色植物作為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行探究。最終選擇綠蘿葉片作為正式實(shí)驗(yàn)的材料，綠蘿的優(yōu)點(diǎn)為：①無需打孔和抽氣，避免葉綠體的破壞；②綠蘿葉肉細(xì)胞葉綠體多，光合作用強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象明顯；③綠蘿能凈化空氣，有很高的生活實(shí)踐價值。本實(shí)驗(yàn)稱取長勢相同的綠蘿葉片5g，分別置于6個體積為300 mL的光合瓶中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.2自變量的設(shè)置

通過“多功能光照培養(yǎng)箱”探究多種環(huán)境因素對光合作用產(chǎn)生的影響。通過手機(jī)APP“藍(lán)牙調(diào)光器”調(diào)節(jié)燈帶的功率或顏色來調(diào)節(jié)“光照強(qiáng)度”或“光質(zhì)”；通過設(shè)置光照與黑暗交替的頻率來調(diào)節(jié)“光照頻率”；通過用不同溫度的水進(jìn)行水浴保溫來調(diào)節(jié)“溫度”；通過配制不同濃度的NaHCO3溶液來調(diào)節(jié)“CO2濃度”。

將學(xué)生分成5個小組，每組分配不同的探究主題，同時探究5種環(huán)境因素對光合作用速率的影響，從而節(jié)省實(shí)驗(yàn)時間，提高課堂效率。以“探究光照強(qiáng)度對光合作用速率的影響”為例，通過手機(jī)APP“藍(lán)牙調(diào)光器”等梯度地設(shè)置6組光照強(qiáng)度，每個光合瓶中盛放的均為250 mL、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5％的NaHCO3溶液，溫度均設(shè)置在25℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

2.3因變量的檢測

本實(shí)驗(yàn)的因變量是光合作用的強(qiáng)度，通常采用O2產(chǎn)生的速率來作為因變量的檢測指標(biāo)，而本實(shí)驗(yàn)選用O2傳感器來測定O2產(chǎn)生的速率。將O2傳感器的探頭插入裝有綠蘿葉片的光合瓶中，利用手持技術(shù)自動對O2產(chǎn)生量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過電腦端實(shí)時地處理數(shù)據(jù)并同步產(chǎn)生坐標(biāo)曲線圖，從而將實(shí)驗(yàn)結(jié)果直觀形象地展示出來。

2.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析

以“探究光照強(qiáng)度對光合作用速率的影響”為例，通過O2傳感器得到的不同光照強(qiáng)度下氧氣釋放量的曲線圖（見圖4），氧氣釋放速率曲線圖（見圖5）。

由以上曲線圖可知，當(dāng)光照強(qiáng)度在3-7 klx的范圍內(nèi)，隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)，氧氣釋放的速率持續(xù)加快；當(dāng)光照強(qiáng)度約為7 klx時，氧氣釋放的速率趨于穩(wěn)定。

3實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性分析

3.1信息化技術(shù)的融八

實(shí)驗(yàn)融合了3D打印技術(shù)、信息化調(diào)控技術(shù)、O2傳感器等多種信息技術(shù)，讓生物學(xué)課堂實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)動態(tài)的數(shù)字化教學(xué)，讓現(xiàn)代的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程不斷地適應(yīng)時代發(fā)展的需求，從而達(dá)到培養(yǎng)出創(chuàng)新型人才的目的。

3.2便攜性和安全性

實(shí)驗(yàn)中用到的“多功能光照培養(yǎng)箱”由樹脂材料打印而成，經(jīng)久耐磨，攜帶方便；培養(yǎng)箱上的轉(zhuǎn)接頭將220V的高壓電轉(zhuǎn)換成5V的低壓電，極大地增強(qiáng)了裝置的安全性。實(shí)驗(yàn)所需電源通過USB接口連接充電寶即可，整套器材解除了對實(shí)驗(yàn)室的依賴，大大增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)探究的靈活性。

3.3實(shí)用性和可推廣性

利用“多功能光照培養(yǎng)箱”可以探究光照強(qiáng)度、光照頻率、光的顏色、CO2濃度、溫度等多種環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度的影響，做到了一箱多用，具有非常強(qiáng)的實(shí)用性。此外，由于“多功能光照培養(yǎng)箱”是利用軟件構(gòu)建的3D立體模型，使用3D打印機(jī)即可實(shí)現(xiàn)一鍵打印，具有較強(qiáng)的可復(fù)制性和推廣性。

4總結(jié)與討論

本實(shí)驗(yàn)通過巧妙地融合如3D打印技術(shù)、手機(jī)APP調(diào)控系統(tǒng)及O2傳感器等信息化技術(shù)，不僅實(shí)現(xiàn)了生物學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂的數(shù)字化、動態(tài)化轉(zhuǎn)型，還顯著提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)代化水平，使其更加貼近時代發(fā)展的需求。這種創(chuàng)新性的教學(xué)模式不僅豐富了教學(xué)手段，更激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力，為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

在便攜性和安全性方面，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的“多功能光照培養(yǎng)箱”展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。采用樹脂材料制作的箱體，不僅耐磨耐用，還極大提升了設(shè)備的便攜性，使得實(shí)驗(yàn)不再受限于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境，真正實(shí)現(xiàn)了隨時隨地的學(xué)習(xí)與探究。同時，通過轉(zhuǎn)接頭將高壓電轉(zhuǎn)換為低壓電，以及使用USB接口連接充電寶供電的設(shè)計(jì)，不僅簡化了操作流程，還極大地增強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)過程的安全性，為師生提供了更加安心的實(shí)驗(yàn)環(huán)境。

此外，實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的“多功能光照培養(yǎng)箱”在實(shí)用性和可推廣性方面同樣表現(xiàn)出色。該培養(yǎng)箱能夠靈活探究多種環(huán)境因素對光合作用強(qiáng)度的影響，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)功能的高度集成和多樣化，為生物學(xué)教學(xué)提供了強(qiáng)有力的工具支持。更重要的是，其基于軟件構(gòu)建的3D立體模型及一鍵打印功能，使得設(shè)備的復(fù)制與推廣變得簡單快捷，有望在未來廣泛應(yīng)用于各類生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及科研活動中，進(jìn)一步推動教育資源的均衡發(fā)展與共享。

綜上所述，本實(shí)驗(yàn)在信息化技術(shù)的融入、便攜性與安全性設(shè)計(jì)以及實(shí)用性和可推廣性等方面均展現(xiàn)出了顯著的創(chuàng)新性，不僅為生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了新的思路和方法，也為培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力的新時代人才提供了有力保障。未來，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用，相信這種創(chuàng)薪性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式將在更廣泛的領(lǐng)域得到推廣和應(yīng)用。