利用数字实验促进学生生物科学素养的培养_光合作用论文

运用数字化实验促进学生生物科学素养的培养，本文主要内容关键词为：素养论文,促进学生论文,生物科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。

      国际上普遍将科学素养概括为三个缺一不可的组成部分：对于科学知识达到基本的了解程度，对于科学的研究过程和方法达到基本的了解程度，对于科学技术对社会和个人所产生的影响达到基本的了解程度。

      一、生物科学素养的内容

      作为义务教育初中阶段的生物学科教师，笔者认为培养学生的科学素养还应结合学科特点和时代发展的特色。因此，初中生物教学学生科学素养培养还应包括以下内容。

      1.专业素养

      既掌握义务教育初中阶段应获得的生物体的层次结构、生命活动、生物与环境、生物进化、生物技术等基本事实、基本原理和规律，对生物学的整体画面有一个大致的了解，为今后的专业选择与适应社会生活奠定必要的基础。

      2.思维素养

      思维素养包括：逻辑思维，即发现问题、提出假设、制订计划、收集证据、得出结论、表达交流的能力；形象思维，除尊重生物实物直观教学外，还应鼓励学生保持直觉、灵感等，而创新思维正是这两者的有机结合。思维素养的培养还应强调个体的独立性，同时要培养学生利用信息化工具或合作手段整合资源，学会信息选择、加工与交流。

      3.人文素养

      即对学习生物学保持好奇心（兴趣），尊重生物学基本事实和规律，能学以致用，能利用所学知识解释自然现象，促进自我身心健康，帮助他人，为今后服务社会奠定必要基础。

      二、传统实验教学与数字化实验教学的比较

      传统教学主要指讲授式教学，它的优点在于信息传递量大，多年来传统教学都保持着对初中生物学体系的关注，比较有利于学生掌握初中生物学知识的框架结构。传统教学有利于学生专业素养培养，但是传统教学因目标指向单一（应试），教师灌输，学生被动接受、机械模仿，甚至生物学必须有的各种实验验证也由图文或动画代替，这显然不利于学生的逻辑思维、信息判断、兴趣保持、合作交流、尊重事实等品质的形成。因此，传统教学不利于学生思维和人文素养的培养。

      初中生物包含大量的实验教学，应该要让学生体验“发现问题→提出假设→设计与实施实验→得出结论→推广应用”的科学研究办法和思维习惯。然而，教材实验内容皆为模仿验证实验，以体验为主，而对学生自主创造性思维的培养是缺失的。

      数字实验是指在数字化实验环境下的开放性补充教材实验，其主要目的是引导学生从模仿验证实验向自主研究实验方向发展，培养学生的逻辑与创新思维能力。因此，数字实验是初中生物科学素养培养的有力补充

      三、开发和应用初中生物数字实验辅助培养学生生物科学素养举例

      1.改进教材实验，提高学生专业素养

      案例1：呼吸作用吸入氧，放出二氧化碳。

      在生物学人教版七年级上册中，关于呼吸作用的实验分别使用燃烧的方法来证明萌发的种子吸入氧，用石灰水变浑浊证明呼吸作用放出二氧化碳（下页图1、图2）。

      

      

      实验成功的几率不大，因为要让燃烧的蜡烛熄灭，氧气的浓度要下降到一定的量，而在短时间内是无法实现的，而二氧化碳的增多更是无法直接体现。如果用数字传感器来设计这个实验，所呈现的实验结果直观、明了。根据现有的材料，学生重新设计了该实验的方案。

      （1）实验目的。测量种子萌发过程中气体的变化。

      （2）实验原理。种子在萌发过程中，呼吸作用强，吸入氧，放出二氧化碳，用氧气传感器和二氧化碳传感器测定这两种气体的含量变化。

      （3）数字化设备。aMier和Addestation软件，氧气传感器，二氧化碳传感器，计算机。

      （4）实验简要步骤。一定数量的绿豆种子（图3）→用冷水浸泡一昼夜→将绿豆放入塑料瓶中一昼夜，萌发（图4）→瓶口塞上六路连通器，用氧气传感器和二氧化碳传感器同时测量瓶内氧气和二氧化碳的含量（图5）→计算机记录数据（图6）。

      

      （5）温馨提示。实验前要将氧气传感器插入氧气放大器上预热15min以上，二氧化碳传感器提前连接计算机，只有当指示灯变绿时才可测量。

      从图6中可以看出，在种子萌发的过程中，瓶内的氧气减少了，二氧化碳增加了，该实验用曲线的走向直观地反映了变化的过程，有利于学生对问题的理解。

      2.补充印证教材实验，培养学生思维素养

      案例2：二氧化碳浓度对光合作用速率的影响。

      光合作用是人教版初一生物教材的重要内容，学生需要掌握的内容有以下几点：一是绿叶在光下制造有机物；二是光合作用利用二氧化碳作为原料；三是光合作用还能产生氧气。这3个结论都是通过实验来完成的。学生能很好地接受。但是在做课本第126页练习题时，学生提出了疑惑，书本的题目是这样说的，“右图是某农场温室大棚中增加二氧化碳浓度的一种仪器，大棚中安装这种仪器的目的是什么？原理又是什么？”[1]，教师要回答这个问题并不难，但回答完问题后，有学生提出：“根据本题的原理，我们还可以得出一个结论：二氧化碳的浓度会影响光合作用的速率。”学生能提出问题，作为教师应当很高兴，这个推论正确吗？最好的证明就是实验，如果运用常规器材，测量不同二氧化碳浓度情况下光合作用放出氧气的多少，就很难得出实验结果。因为试管中收集到的氧气的多少，如果没有专门的测量工具，是无法进行比较的，而数字传感器正好弥补了这个缺陷，使复杂的问题变得非常容易。

      （1）实验目的。探讨不同浓度的二氧化碳如何影响光合作用的速率。

      （2）实验原理。二氧化碳是光合作用的原料，氧气是光合作用的产物，理论上二氧化碳浓度越高，光合作用越强，放出的氧气就越多。

      碳酸氢根离子不稳定，在水中极易分解成二氧化碳和水。水草使用碳酸氢根离子作为二氧化碳的来源进行光合作用，产生氧气，并且将氧气收集在密封的试管内，使用气压传感器测量压力的变化率来验证氧气的多少，从而了解二氧化碳浓度对光合作用速率的影响。

      （3）数字化设备。Addestation软件、气压传感器、计算机。

      （4）实验简要步骤。设计3组实验，将等量的水草放入碳酸氢钠浓度分别为0%，2%，4%的水溶液中，打开Addestation软件，进行“数据采集器连接计算机→气压传感器连接实验试管→灯照→10min收集数据→线性回归→用表格记录数据”（表1）的操作。

      

      通过数据分析，可得出结论：二氧化碳不仅是光合作用的原料，而且会影响光合作用的速率。将看不见的变化用数字的形式表现出来，是数字探究的最大优势。

      3.进行知识拓展，培养学生人文素养

      案例3：全脂牛奶跟低脂牛奶的区别。

      “儿童、青少年以及伤病员为什么需要多吃一些奶、蛋、鱼、肉等食物呢？因为这些食物中含有丰富的蛋白质”。牛奶除了拥有优质的蛋白质外，还可以补充钙。市场上的牛奶有全脂、低脂等品种，由于全脂牛奶的口感更好一些，因此有些青少年在明知自己体重超标的情况下仍选择全脂牛奶，他们的理由是：虽说食品的包装上提供的资料不同，但有可能根本没有区别。它们的脂肪含量有区别吗？如何让学生选择适合自己健康的牛奶呢？笔者借助数字仪器，设计实验，证明二者之间的区别。

      （1）实验目的。探讨全脂牛奶和低脂牛奶中脂肪含量的区别。

      （2）实验原理。脂肪酵素可以将脂肪分解成脂肪酸和甘油，脂肪酸的出现会降低溶液的pH，用pH传感器测定溶液pH的变化，根据变化来判断哪种牛奶的脂肪含量更高。

      （3）数字化设备。Addestation软件、pH传感器、计算机。

      （4）实验简要步骤。分别将20mL的全脂牛奶和低脂牛奶加入A烧杯和B烧杯中→将A，B烧杯放入37C的恒温水浴锅中→在两只烧杯中分别加入4mL脂肪分解酶→10min后记录数据（图7）。

      

      从图7数据分析来看，在脂肪酶的作用下，全脂牛奶的pH下降更明显，这说明全脂牛奶的脂肪含量更高。因此，牛奶也是导致儿童肥胖的一个重要原因。明智地选择牛奶品种，有利于身体的健康。

      （5）温馨提示。酶正常活动时对温度的要求很高，因为在实验过程中一定要全程保持37C。

      四、数字化实验的教学优势

      （1）培养学生的专业素养，对教材生物专业知识点进行很好地验证与巩固。

      （2）实验设计的原理体现了不同知识点之间的逻辑关系，实验的过程反复体现“问题—假设—对照实验—结论—交流”的科学探究过程，有利于学生逻辑思维能力的培养。

      （3）通过传感器和数字软件的处理，实验结果能非常直观地反映在计算机上，有利于学生形象思维的培养。

      （4）有些实验为学生自主创新改编的实验，能通过实验证实学生提出的假设，这是学生自主创新的新起点。

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