大数据应用于高中生物学实验教学的实践

2020-06-11刘瑞琴

福建基础教育研究 2020年5期

刘瑞琴

摘要针对高中生物学实验教学现状及存在的问题，充分利用大数据的优势，优化实验材料与实验装置，提供预习及实验教学方案，并适时精准评价学生实验。大数据平台系统建设、实验模型及标准、数据多样性等方面尚待进一步改进与完善。

关键词大数据;高中生物学;实验教学;学生实验

生物学实验是高中生物学课程的重要特点及基本的教学形式。近年来大数据广泛应用于各个行业与领域。生物学实验教学有必要开展大数据的应用探索，解决高中生物学实验教学存在的问题，促进实验原理分析、实验方案设计、实验结果分析与评价等实验教学有效开展，践行“核心素养为宗旨”“教学过程重实践”等高中生物学课程基本理念，培养学生的科学探究能力与实践能力。

一、高中生物学实验教学的现状及问题当前高中生物学实验教学普遍存在学校与教师对生物学实验教学价值认识不足，实验设施不完善，实验教学方式及其评价方式不科学，学生实验兴趣不高、实验操作水平亟待提高等现象。

（一）部分实验取材尚不合理

实验取材对高中生物学实验成败具有至关重要的作用。人民教育出版社2007年版《高中生物》教科书（下文简称教科书）中的部分实验取材存在不合理现象。例如，“检测生物组织中糖、脂肪和蛋白质”实验材料是苹果或梨匀浆、马铃薯等，由于实验材料较固定和单一，使得该实验探究性不强，不利于激发学生的实验热情。而“探究光照强弱对光合作用强度影响”实验，教科书要求使用打孔器制备实验材料小圆形叶片，且该实验方式较复杂、难度较大，一般高中学生无法完成。

（二）实验时间相对不足

教科书中有的实验需要较长时间才能完成。例如，“培养液中酵母菌种群数量的变化”实验需要每天固定某一个时段进行酵母菌计数，且需要连续计数至少七天，耗时太长，不符合教学实际。此外，教科书中还有一部分探究性实验如“环境因素对光合作用强度的影响”，这是一个较大的探究实验课题，需要分为 “光照强度对光合作用的影响”“光质对光合作用的影响”等若干小课题进行探究，因缺乏足够的课时而无法全面开展。

（三）实验操作缺乏科学评价教师对学生实验评价方式较为单一，一般是以实验报告来评价学生的实验操作情况，终结性评价占比过高，形成性评价不足，忽视了对学生的具体操作情况、学习态度、学习方法的评价和反馈，造成学生不重视分析实验结果和改进实验方案等。例如，“使用高倍显微镜观察几种细胞”实验，仅以学生在实验报告册中所绘制的细胞结构简图来评价实验情况，无法评价学生是否正确使用显微镜。又如“检测生物组织中糖、脂肪和蛋白质”实验，教师主要通过学生记录的实验现象来评价其实验操作情况，无法评价学生是否准确添加组织样液、斐林试剂和双缩脲试剂等实验操作过程。

二、大数据在高中生物学实验教学中的应用 2015年国务院启动的“公共服务大数据工程”明确提出要建设教育大数据，推动大数据在教育领域的应用，是教育发展的现实需求和未来趋势。大数据（big data）是指无法在一定时间范围内用常规软件工具进行捕捉、管理和处理的数据集合。大数据具有数据海量存在、高速变化、表现多样、价值巨大及真实有效等五大特征。^[¹^]

（一）优化实验材料与实验装置教师可以利用大数据平台收集的海量的实验资源信息，分析有关实验材料特征、实验所需时间、实验条件难易程度、实验效果等，提供多样化的实验材料，指导学生根据自己的兴趣，选择不同材料进行探究性实验，提高学生参与生物学实验的积极性。^[³^]同时，适时分析、更新与补充学生上传到数据平台的实验结果。例如，“检测生物组织中糖类、脂肪和蛋白质”实验时，根据大数据平台有关各类生物组织中还原糖、脂肪与蛋白质含量比例、颜色、价格、是否易于制成匀浆或薄片等数据，提供豆浆、牛奶、花生浆、西瓜汁等多样的实验材料供学生选择。“探究光照强弱对光合作用强度影响”实验时，利用大数据分析，了解金鱼藻进行光合作用时产生气泡非常明显，可肉眼直接观察，系探究光照强弱对植物光合作用强度影响的极佳实验材料，利于简化实验过程，克服用打孔器制备实验材料小圆形叶片的不便。又如“物质跨膜运输”实验时，通过大数据比较分析不同半透膜的实验效果，发现利用市面上销售的透析袋代替教科书要求的漏斗和玻璃纸，可以简化实验装置，使得学生更容易操作。

（二）提供预习要求及针对性的实验教学方案实验教学的成功与否依赖于学生有效地预习实验知识、明晰实验目标，否则仅依靠有限的课堂实验时间，难以取得理想的实验教学效果。利用大数据平台可以帮助学生预习相关实验原理与方法，并根据学生能力水平优化实验教学设计，提高实验教学有效性与针对性。

例如，血细胞计数板使用方法、计数室的体积及计算酵母菌总数的公式等是“培养液中酵母菌种群数量的变化”实验难点。为了帮助学生顺利完成实验，教师可将课前制作的“血球计数板使用方法及酵母菌计算公式”微课及相关资料发布在大数据平台，供学生登陆学习。通过收集与分析学生在平台上点击数据次数、发布感想、提出疑问等数据，了解学生课前对血细胞计数板使用方法、计数室的体积及酵母菌总数换算公式等预习与掌握情况，为设计适合学生能力水平的实验教学方案奠定基礎。

对于诸如“环境因素对光合作用强度的影响”等需要较长时间才能完成的实验，可以利用智慧校园平台收集、分析学生实验兴趣与需求数据，以及学生掌握有关光合作用强度影响的环境因素知识的数据，设计与实施针对学生不同能力水平的实验教学方案。如允许基础薄弱的学生仅做光照强度强、中、弱三组对照实验，建议基础较好的学生进行多组光照强度对照实验，帮助学生根据自己的能力水平，选择平台上不同方案开展实验，让全体学生都能参与并完成实验，提高实验能力。

大数据平台分析提炼的信息，具有较强的针对性，可有效提升学生的预习效果。同时根据学生能力水平数据，设计与实施不同的实验方案，有助于因材施教，使得全体学生都能在原有的水平上有所提高。

（三）适时精准评价学生实验

大数据平台可以采集学生课堂讨论、实验现象、实验结果及习题完成情况等数据，并根据设定的评价标准进行分析，及时了解、评价学生实验结果与实验过程出现的问题。

例如，开展“培养液中酵母菌种群数量的变化”实验时，借助大数据技术及时了解各组学生的实验进度和实验过程中出现的问题，如血球计数板使用方法是否错误、取培养液计数前试管是否进行轻微震荡等实验操作，指导操作有误的小组及时修正。同时分析各组学生上传的酵母菌计数数据，客观评价各组学生操作能力和学习态度。“使用高倍显微镜观察几种细胞” 实验中，当学生使用低倍镜观察酵母菌、黑藻叶等临时装片时，大数据平台能检测跟踪到学生放置装片、低倍镜观察、高倍镜观察等显微镜操作情况，这样教师能适时了解学生的实验操作情况、实验进度和实验结果，给予提示与指导。再如“检测生物组织中糖、脂肪和蛋白质”实验教学时，教师可利用大数据平台及时掌握学生是否准确添加组织液、双缩脲试剂等实验试剂的用量，以及是否摇匀等实验操作，同时根据学生上传至大数据平台的实验结果，精准分析学生是否符合实验操作要求。

充分利用大数据平台信息反馈的双向性、及时性，改变传统实验报告评价学生实验效果方式的单一、滞后的缺点，实现适时精准评价学生实验。

综上所述，大数据具有优化高中生物学实验材料与实验条件、及时了解学生实验需求与存在问题、使得实验评价合理与精确等优势。同时尚存在不足，有待进一步改进与完善，如平台系统建设有待加强;实验模型及评价标准有待完善;数据多样性有待提高。

参考文献：