《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》明确指出：“实验教学是促成学生达成生物学学科核心素养的重要支撑，生物学教师应加强和完善实验教学。并建议教师给学生提供机会学习生物学研究中的测量方法，实事求是地记录、整理和分析实验数据，定量表述实验结果等。”
［1］“模拟生物体维持pH的稳定”实验是人教版高中生物学选择性必修1的内容，教材要求利用pH计或pH试纸测量与比较自来水、缓冲液和肝匀浆等材料在加入酸或碱后的pH变化情况，从而推测生物体维持pH稳定的机制。目前传感器已经成为生物学实验室的一种常见装置，教师借助传感器开展“模拟生物体维持pH的稳定”的实验教学，可优化实验环节，实现实验数据的精准测量、实时快速获取和直观呈现，从而促进实验教学的创新与发展。
1 实验教学目标
（1） 学会使用传感器，包括利用数据采集器采集实验数据及借助软件处理实验数据。
（2） 设计并开展实验活动，借此探究生物体维持pH稳定的原理，掌握模拟实验的思路和方法，提升学生的探究能力及动手实践能力。
（3） 比较自来水、磷酸缓冲液和生物材料在滴加酸或碱溶液之后的pH变化情况，认识不同生物材料缓冲能力的差异，体会生物体可维持自身内环境pH的相对稳定，落实稳态与平衡观。
（4） 能够依据生物体维持pH相对稳定的原理，阐明机体通过不同器官、系统协调并统一维持内环境的稳态，感悟生命系统的调节机制，参与社会议题的讨论。
2 实验教学过程
2.1 教学准备
（1） 实验仪器：pH传感器、滴数传感器、滴定管、数据采集器、安装Logger Pro软件的计算机、铁架台、榨汁机、纱布、烧杯（50 mL）、量筒（50 mL）、护目镜、防护手套等。
（2） 实验材料及试剂：鲜肝、新鲜蛋清、新鲜马铃薯、磷酸缓冲液（pH为7.0）、自来水、0.1 mol/L的HCl溶液、0.1 mol/L的NaOH溶液、蒸馏水。
（3） 肝匀浆、蛋清液及马铃薯匀浆的制备。①肝匀浆：去除鲜肝中的脂肪和结缔组织，将其称重后切块并放入榨汁机中，加入4倍质量的蒸馏水充分研磨，用3~4层纱布过滤（注：肝冷冻后再化冻使用，更易研磨）；②制备蛋清液：取一定体积蛋清液，向其中加入4倍体积的蒸馏水，混匀；③马铃薯匀浆：马铃薯去皮后切块，将一定质量的马铃薯块放入榨汁机中，再加入4倍质量的蒸馏水打成匀浆，用3~4层纱布过滤一遍（注：马铃薯研磨液易氧化呈现褐色，但不影响实验结果）；④注意事项：肝匀浆、蛋清液和马铃薯匀浆需现用现制备，以避免被微生物污染而影响实验效果。
2.2 导入环节
教师出示罗伯特编著的曾经风靡全球的畅销书《pH奇迹》及他推行的酸碱体质理论：“一切疾病的诱因都是酸性体质，而改善酸性体质的唯一办法是碱性饮食。”
人体内环境的pH在正常情况下为7.35~7.45，呈现弱碱性，引导学生尝试分析：①“酸性体质”的说法是否具有科学性，其与疾病的发生是否存在因果关系？②摄入碱性食物或酸性食物是否能改变机体的内环境pH？启发学生利用实验探究碱性或酸性物质对生物体内环境pH的影响，从而对社会议题作出理性解释。
2.3 设计实验环节
在实验室条件下，难以对人体内环境的pH进行实时检测而获得解决上述问题的直接实验证据。教师提示学生可根据实验室提供的肝匀浆、蛋清液和马铃薯匀浆等生物材料模拟生物体的内环境，并据此进行体外模拟实验，即设计探究碱性或酸性物质对生物体内环境pH的影响的实验方案。
学生设计的实验方案：向生物材料中加入不同体积的HCl溶液或NaOH溶液，利用pH试纸检测pH，记录并比较pH的变化；选择自来水作为空白对照物、磷酸缓冲液作为阳性对照物。在具体情境中完成实验设计，促进学生掌握实验设计的基本范式，关注自变量及因变量、自变量的控制方法、因变量的检测手段、对照组的设置等，以提升学生的科学探究能力。
教师展示pH传感器，先介绍其可精确测量样液的pH变化情况，具有灵敏度高、操作便捷、实验数据可实时记录，并以曲线形式直观呈现等优点，再引导学生尝试利用pH传感器检测该实验的因变量。由于该实验自变量为滴加不同体积酸或碱，最理想的实验结果曲线为滴加酸或碱的“体积-样液pH”曲线，而借助pH传感器得到的曲线为“时间-样液pH”曲线，这就需要人为地将时间与滴加酸或碱的体积对应起来，即在实验过程中匀速添加酸或碱，而这对操作的准确性要求高，容易产生偏差。教师展示滴数传感器，讲解其可精准控制加入HCl溶液或NaOH溶液的体积，与pH传感器配合使用，可以获得理想的曲线，呈现的实验结果很好地解决了上述问题（
表1）。教师指导学生依据实验器材，不断地调整、改进并完善已有的实验方案。
设计实验的教学环节不仅有助于学生深刻理解实验原理，提升实验探究能力，而且有助于学生明确传感器可改进实验的检测方式，简化实验操作、提升实验的精确性，领会科学技术与生物学科相互融合、相互促进的理念。
2.4 连接实验装置
教师指导学生4人一组连接pH传感器、滴数传感器、数据采集器和计算机等。先将滴数传感器固定在铁架台下端，配套的滴定管固定在铁架台上端，滴定管的滴头位于滴数传感器感应部位（凹槽处）上方约1 cm处，再将pH传感器插入滴数传感器的圆形孔洞中；将烧杯（盛有自来水、磷酸缓冲液或生物材料）置于pH传感器的下方，并使pH传感器的探头浸没到液面之下；最后用连接线将pH传感器、滴数传感器与数据采集器及计算机相连。
2.5 实验操作
（1） 校准pH。
向烧杯中加入20 mL磷酸缓冲液（pH为7.0），将pH传感器的探头置于磷酸缓冲液的液面之下，利用Logger Pro软件将pH调整为7.0。
（2） 调节滴定速率。
向滴定管中加入适量0.1 mol/L的HCl溶液，打开滴定管的开关（下侧旋钮），用空烧杯接住滴落的溶液；通过滴速旋钮（上侧旋钮）将滴速调节为约10滴/min，以保证两滴之间的时间间隔足够将液滴与烧杯中的待测样液充分混匀；调节完毕后，关闭滴定管的开关，并不再触碰滴速旋钮，以便在整个实验过程中维持滴速的稳定。
（3） 采集数据。
①另取一只小烧杯，向其中加入25 mL制备完成的肝匀浆，再将烧杯放置在pH传感器下方，并将传感器的探头置于肝匀浆液面之下，打开计算机上的Logger Pro软件，点击数据采集按钮，等待数秒至数据稳定。②打开滴定管的开关，使HCl溶液按照之前设定的滴速滴落到烧杯中，用手轻轻晃动烧杯，使滴落的HCl溶液快速、充分溶解。③当滴落的HCl溶液累计约2 mL时，先关闭滴定管的开关，再关闭软件中的数据采集按钮，就完成了利用肝匀浆模拟生物体内环境实验的数据采集。④用蒸馏水冲洗pH传感器的探头，并用吸水纸轻轻擦拭后复位；将烧杯中的样液更换为马铃薯匀浆，点击软件中的“保存最近试验数据”按钮，以保留肝匀浆的实验记录，然后打开滴定管的开关，并继续采集土豆匀浆的实验数据。⑤将④中的样液依次更换为蛋清液、自来水、磷酸缓冲液，重复其余操作，完成所有样液的实验数据采集。
将滴定管清洗完毕后，向其中加入适量的0.1 mol/L的NaOH溶液。重复步骤①~⑤，完成滴加不同体积NaOH溶液后所有样液pH变化的数据采集。
2.6 结果与分析
（1） 实验结果。
经上述操作，软件的数据处理功能能够自动将5种生物材料的实验数据生成“体积-pH”变化曲线（
图1，
图2），且记录在同一坐标系中，该坐标系的横坐标为滴加HCl溶液或NaOH溶液的体积，纵坐标为样液的pH。每种生物材料对应的pH会以一种颜色或形状的点表示出来，且每种样品所对应点形成的曲线能直观显示实验结果。
滴加0.1 mol/LHCl溶液的实验结果显示，5种溶液的pH下降值（具体数值标注在括号内）从小到大依次为：磷酸缓冲液（0.25）、马铃薯匀浆（0.70）、肝匀浆（1.43）、蛋清液（3.11）、自来水（5.17）。滴加0.1 mol/L NaOH溶液的实验结果显示，5种溶液的pH上升值从小到大依次为：磷酸缓冲液（0.47）、肝匀浆（0.64）、马铃薯匀浆（1.22）、蛋清液（1.45）和自来水（3.82）。
（2） 结果分析及结论。
实验中滴加一定量的HCl或NaOH溶液前后，磷酸缓冲液的pH未出现显著降低或升高，自来水的pH则出现较为显著地降低或升高，出现这种现象的原因是磷酸缓冲液中含有NaH2PO4/Na2HPO4，其中NaH2PO4呈弱酸性，当加入少量NaOH时，可以中和OH-，使pH保持相对稳定；Na2HPO4呈弱碱性，当加入少量HCl时，可以中和H+，使pH保持相对稳定。而自来水中没有类似的缓冲物质，导致加入HCl或NaOH溶液后pH出现较大的变化。与自来水相比，生物组织匀浆——马铃薯匀浆、鲜肝匀浆、蛋清液的pH变化更类似于缓冲液，原因是生物体内环境中含有缓冲对HCO3-/H2CO3、HPO42-/H2PO4-等，它们均能对酸和碱起缓冲作用。
利用传感器开展“模拟生物体维持pH的稳定”实验，其实验结果可重复性强，且多组实验数据可实现自动整合，基于这些证据，学生容易内化形成生物材料可维持pH稳定的生物学事实。在实验操作过程中，不同小组的数据可能略有差异，但自变量与因变量之间的关系却存在共同的趋势，确有必要时，可以带领学生分析实验数据的差异来源，借此提升学生的批判性思维能力。
2.7 小结
依据该模拟实验的结论，教师再一次引导学生对罗伯特提出的“酸碱体质理论”进行评价。最后展示新闻报道：2018年11月初，美国圣地亚哥法庭宣判罗伯特赔偿一名癌症患者1亿余美元，随着判决的生效，他和他的酸碱体质理论走下神坛。这一实验探究活动让学生进一步体会到生物学知识和理论需要通过实验证据证实或证伪，唤醒学生运用学科的知识和方法积极参与社会事务的讨论，坚持不盲从、不迷信，最终落实社会责任。
3 实验创新感悟
传统的利用pH试纸或pH计进行“模拟生物体维持pH的稳定”实验，需要学生测量并记录每滴加5滴HCl溶液或NaOH溶液后生物学材料所对应的pH，容易导致以下问题：①学生测量和读取数据时无法确保数据的准确性，易产生较大的实验误差；②获取实验数据的过程耗时长，可能无法在一课时内完成对5种待测样液的pH测定；③需要将实验数据输入Excel表格，经处理后才能获得相应曲线，需占用一定时间。
将传感器应用于该实验中，为学生营造全新的实验平台，不仅实现了实验数据的精准测量，而且借助配套软件可实现实验数据的连续记录与实时统计、实验结果以曲线形式直观呈现，提升了实验操作的高效性，确保了实验结果的精确性。借助传感器的实验教学，学生体验全新的实验测量方法，领悟了数字化信息技术与学科之间相互融合与相互促进的意义，促进学生不断深入思考。在实验教学过程中，学生积极参与设计并改进实验方案，应用软件分析实验结果并得出结论等环节，提升了创新能力、信息加工能力等，使得教学效果显著提升。
4 结语
实验教学是体现生物学课程特色的一种重要教学形式，传感器等信息技术手段的使用实现了信息技术与生物学实验的整合，优化了实验操作，改进了实验教学，使学生在实验教学中能掌握必要的实验技能，并高效得出实验结论，完成相关概念的内化。笔者建议，广大教师在实验教学的实践中应适时利用传感器开展实验创新，以便传感器为实验教学的发展注入新的活力。
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