基于设计学习模式的DIS生物学创新实验教学尝试

 

姚燕
南京师范大学附属中学秦淮科技高中

摘要：数字化信息系统(DIS)为高中生物学实验教学提供了精准化、可视化的技术支持。基于新课标对拔尖创新人才培养的要求，探讨DIS在高中生物学创新实验中的教学应用。基于设计型学习(DBL)构建“问题驱动—多维探究—数据实证—创新拓展”的教学模式，阐述DIS如何赋能学生高阶思维与科学探究能力的培养。实践表明，DIS能提升学生的实验设计创新性、数据分析深度及科学研究素养，为高中生物学创新人才培养提供实践路径。

《普通高中生物学课程标准(2017年版2025年修订)》(以下称“新课标”)提到“教学过程重实践”,教师在教学中应该提供更多的机会让学生亲自参与和实践，重视信息化环境下的学习，利用数字化实验工具开展探究活动，培养学生数据收集、分析和解读能力。DIS(digital information system)通过传感器、数据采集器与计算机软件的整合，实现实验数据的实时监测与动态分析，以形象直观的数字化、图像化形式呈现出来，为学生的创新实验提供技术支撑。本文结合教学实践，探索DIS在高中生物学创新实验中的应用路径，为学生科学素养培养提供参考。

1 基于DBL模式的DIS生物学实验教学框架

基于设计的学习模式(design—based learning, DBL),是指通过真实情境下知识的整合，解决结构不良的问题，在循环、协作和讨论过程中，让学生展开对学习任务的设计、规划、决策等有意义的学习，从而培养学生的自主学习、合作沟通、设计思维和创造能力。在这种模式中，教师与学生是以合作为基础的探索和设计团队关系。教师在准备阶段设置情境，基于教材实验的局限性提出挑战性问题；设计阶段学生调用已有知识，设计初代方案并采集数据，教师提供理论支架并对设计进行指导；评价阶段组织学生小组展示和互评，基于数据实证进行迭代设计。教师引导学生将不同学科领域的知识进行整合，拓宽学生的思维视野，提升方案的可行性和综合性。学生在实践过程中，对原有设计方案进行修改和完善，不断吸收新知识并培养了创新意识。延伸阶段师生协同探究，拓展认知视野，驱动深度学习，培育拔尖学生的高阶思维。笔者以人教版高中生物学教材必修1中的一个重要实验“探究酵母菌细胞呼吸的方式”为主题，建构基于DBL模式的DIS生物学实验教学框架(图1)。

图1 基于DBL模式的DIS生物学实验教学框架

2 基于DBL模式开展的DIS生物学实验案例

“探究酵母菌细胞呼吸的方式”是人教版高中生物学教材必修1模块第5章第3节“细胞呼吸的原理和应用”一节的探究实践活动。通过该科学探究活动，帮助学生理解核心概念“细胞的生存需要能量和营养物质”,学会科学的方法、技能以及思维方式。然而本实验过程中存在耗时较长，操作复杂，难以控制O₂条件，CO₂检测主观性强，酒精检测不稳定且缺乏定量检测等缺陷。笔者基于DBL模式重新梳理教学思路，带领学生进行实验改进，采用DIS系统，提升实验效果。

2.1 准备阶段

设置情境，问题驱动。不少家庭有自制葡萄酒的习惯，葡萄酒的酿制依赖于酵母菌的细胞呼吸。在密闭容器中加入葡萄汁并加入少量酵母菌，几天后葡萄汁中就会产生气泡，在这个过程中还需要间或拧松瓶盖排气。密闭容器中酵母菌的细胞呼吸方式有无变化呢?请设计实验说明。

2.2 设计阶段

多维探究，初代设计。学生通过交流提出观点，酵母菌在容器中先进行有氧呼吸，O₂消耗殆尽后会进行无氧呼吸。借助传感器设计对照实验进行探究，实时对比酵母菌两种呼吸方式下产物的区别，并运用已学知识预测发酵瓶中CO₂的浓度变化及酒精产生情况。选用100 mL锥形瓶，设置A有氧组(无液体石蜡覆盖)和B无氧组(液体石蜡覆盖),使用CO₂传感器测量两组释放CO₂的含量。分别取两组反应后的酵母菌培养液5 mL,加入两支试管中，用酒精灯加热至沸腾，酒精检测仪检测蒸汽中酒精含量。学生预测A组酵母菌进行有氧呼吸产生的CO₂量较B组酵母菌进行无氧呼吸产生的CO₂量多，只有B组酵母菌无氧呼吸时产生酒精。

2.3 评价阶段

数据实证，迭代设计。

2.3.1 缩短反应时间

DIS实验的突出特点是实时获取数据并生成曲线图。学生通过观察曲线图及分析数据发现：有氧组和无氧组均产生CO₂,同等时间有氧呼吸产生的CO₂速率约为无氧呼吸产生的CO₂速率2倍。通过小组展示、组间互评等环节，学生认同酵母菌既可进行有氧呼吸又可进行无氧呼吸，属于兼性厌氧菌。O₂充足时酵母菌将有机物彻底分解，能释放大量CO₂,缺氧环境时，也能释放少量CO₂。有的小组提出疑问：实验过程中发现两组装置尤其是B无氧组释放CO₂的时间偏长，难以观测结果，是否有办法缩短反应时间增强实验效果?学生讨论后进行实验设计修改：将酵母菌进行提前活化，取干酵母与37°C温水以1∶10混合后，与10%葡萄糖溶液以1∶4的比例配制并加入反应容器。为了避免葡萄糖溶液中微生物的呼吸作用影响，提前对葡萄糖溶液进行高温灭菌。

2.3.2 追踪酒精来源

不过有小组却在酒精检测中收获意外：有氧组和无氧组实验均检测到酒精(有氧组为0.2 g/mL,无氧组为0.9 g/mL,图2)。这与初步预测的实验结果存在偏差，酒精是酵母菌两种呼吸方式都会产生吗?随后，教师向学生呈现有氧呼吸与无氧呼吸的化学式，引导其在此基础上展开深入分析。经过讨论分析，学生做出了解释：这可能是有氧组中部分酵母菌进行无氧呼吸所致。但有学生认为O₂含量值并未到达0,酵母菌不会进行无氧呼吸。显然这是学生对无氧呼吸发生条件的前概念。教师及时指出：在无氧或者缺氧的条件下，细胞可以通过酶的催化作用，把有机物进行不彻底的分解，释放少量能量即在低氧环境细胞也可以进行无氧呼吸。教师进一步提问“实验结论得出是需要有证据来证明的。如何证明有氧装置中也进行了无氧呼吸?”有学生提出将两组装置同时增加O₂传感器监测，这样可以通过对A组O₂消耗量和CO₂产生量来判断，若消耗量和释放量相等，则只有有氧呼吸发生，若释放量大于消耗量则两种呼吸方式均可存在。有学生还提出不改变装置的另一方法：可以将两组的CO₂传感器改为压强传感器，倘若只有有氧呼吸进行，O₂的消耗速度与CO₂的产生速率一样，A组装置压强应该没有改变，B组装置由于不消耗O₂而产生CO₂,则压强变大。学生在对实验结果的讨论、分析和再设计中，对两种呼吸方式的产物有了更加深刻理解，同时也锻炼了科学思维和激发了创新意识。

图2 初代设计装置酵母菌细胞不同条件产生酒精情况

2.3.3 学会数据分析

教师继续引导学生对初代设计实验的曲线数值进行深入挖掘与比较。学生发现实验所测有氧组与无氧组CO₂生成速率比值接近2∶1,小于理论值3∶1。此数值进一步说明实验中有氧组装置中的酵母菌并非只进行有氧呼吸，还发生无氧呼吸，才使CO₂生成速率偏小。不过此时有学生进行了补充：只有消耗等量葡萄糖的前提下，有氧组与无氧组CO₂生成速率比值才为3∶1。倘若有氧呼吸与无氧呼吸利用葡萄糖有差异，则该比值会有所偏离。实验中可以利用血糖仪检测两组葡萄糖利用的情况来证明。

2.3.4 完善迭代设计

教师继续提问：基于以上误差的分析，为探究酵母菌在有氧和无氧条件下的真实产物，应如何修改装置更为合理?学生认为A有氧组应充入足量的O₂,增加由注射器和锥形瓶改装的O₂发生装置，通过H₂O₂与FeCl₃的反应来制备O₂。同时在A有氧组增设磁力搅拌器，增加O₂和酵母菌的接触，B组为了控制无关变量也增设磁力搅拌器(图3)。反应期间保持相同室温。改进后的两组装置测得酵母菌细胞有氧和无氧条件下产生CO₂比例接近3∶1(图4)。此时两组产生酒精情况：有氧组为0 g/mL,无氧组为0.9 g/mL。

图3 迭代设计探究酵母菌细胞在不同条件下呼吸作用实验装置

图4 迭代设计酵母菌细胞有氧呼吸和无氧呼吸条件下产生的二氧化碳量

2.4 延伸阶段

创新拓展，深度学习。在创新实验设计基础上，教师继续拓展提问，引发学生深度思考，问题1:如何判断某一时刻，酵母菌细胞进行何种呼吸?学生认为可以结合O₂消耗量、CO₂释放量和酒精产生量进行对比，若耗氧、无酒精且释放CO₂量/O₂消耗量=1则仅有有氧呼吸；若不耗氧、有酒精、有释放CO₂量则仅有无氧呼吸；若耗氧、有酒精、释放CO₂量>O₂消耗量则两种呼吸并存。问题2:相同时间下，酵母菌在有氧和无氧环境中的葡萄糖消耗量是否相同?学生提出可以用血糖仪分别比较两种呼吸条件下的葡萄糖消耗量，若无氧组葡萄糖消耗量(初始-剩余)大于有氧组，则验证“无氧呼吸因能量效率低，需消耗更多葡萄糖以维持细胞代谢”的逻辑。问题3:不同培养环境因素如温度或者pH值对酵母菌呼吸速率有怎样的影响?学生设计将实验装置放在不同的水浴温度下或者选用不同pH值葡萄糖培养液，测定CO₂释放量即可。问题4:不同种类的糖与酵母菌呼吸强度有怎样关系?学生回答改变酵母菌培养液如葡萄糖、乳糖、果糖和蔗糖，分别利用CO₂传感器测定酵母菌呼吸释放气体情况。学生和教师共同探究，在不断的设计、讨论、循证和修改中，实现了知识的同化与深化。教学设计的每一个步骤都以学生为实验课堂的主体，让学生亲历科学探究过程，设计制作创新实验装置，提高科学思维，培养了生物学学科核心素养。

3 教学总结和反思

本实验教学中学生不再依赖书本结论或教师演示，而是自主设计实验，通过传感器获取数据，在分析数据波动中发现问题、调整方案，最终建构对“酵母菌细胞呼吸方式”的深层理解。这种过程契合建构主义对“主动知识建构”的要求，通过DIS突破传统实验的定性观察局限，在定量数据的对比、质疑中深化对生物学概念的批判性认知。

高中生物学创新实验常涉及多维度变量分析，需要跨学科工具支持，而DIS正是STEM(科学、技术、工程、数学)整合的典型载体。DIS采集的定量数据为生物学规律提供科学实证支持；传感器的选择、数据采集器的操作、软件的数据分析功能，直接锻炼学生的技术应用能力；学有余力的学生需要设计实验装置将传感器与实验对象精准结合，体现工程设计思维；通过软件对数据进行建模，培养定量分析能力。本实验教学框架融入STEM理念，带领学生运用多学科知识，改良实验试剂及装置，培养了学生的创新能力。

本节实验教学基于DBL构建“问题驱动—多维探究—数据实证—创新拓展”教学模式，充分发挥学生主体地位，增强学生的自主探索、协作沟通、设计思考与创造能力。在实验设计方面增加了酵母菌的活化和磁力搅拌器，缩短了实验时长。利用注射器增设制氧装置，充分掌控有氧条件且安全、简单、易操作。通过橡胶管和气球连接传感器，增强了气体采集的气密性。利用气体传感器、酒精检测仪和血糖仪等数字化采集系统，使定性实验走向定量实验探索。实践表明，DIS能提升学生的实验设计创新性、数据分析深度及科学研究素养，为高中生物学创新人才培养提供实践路径。

来源：姚燕.基于设计学习模式的DIS生物学创新实验教学尝试[J].生物学教学,2026,51(04):58-61.