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  • DIS在高中生物学实验中的应用初探
  • 作者:唐晓春 来源: 时间:2009-7-28 20:29:45 阅读次 【
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        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   DIS   DISLab   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20067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(DISDigital 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

    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=6PH=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] 蒋永贵、吴俊明  新课程背景下的数字化实验室及其在中学理科教学中的应用       [J]中国电化教育 2006.11  

     

    [3]史能    数字化实验室在教学实验中的应用    [J] 中国科技信息2007.8

     

    [4]李红印  关于数字化教学实验系统的一点思考  [J]中国现代教育装备2007.8

     

    唐晓春(2001.8参加工作. E-mail:chuncome@163.com

    发表于《生物学通报》2008.8

      注:源文件下载 DIS在高中生物学实验中的应用初探(南京唐晓春).doc

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