張彩雯 李懿 楊春東

摘 ?要 中學(xué)理化生數(shù)字化實驗系統(tǒng)能有效改進實驗教學(xué)方式方法，提升實驗教學(xué)效率和質(zhì)量。對中學(xué)理化生數(shù)字化實驗系統(tǒng)及系統(tǒng)在課標(biāo)、教材、配置標(biāo)準中的應(yīng)用情況進行介紹，研究分析理化生數(shù)字化實驗在實踐應(yīng)用中的優(yōu)勢，并給出數(shù)字化實驗室建設(shè)及裝備配備建議。

關(guān)鍵詞 理化生數(shù)字化實驗系統(tǒng);數(shù)字化實驗室;實驗教學(xué);核心素養(yǎng)

中圖分類號：G482 ? ?文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）19-0004-07

0 ?前言

2019年11月，教育部發(fā)布《關(guān)于加強和改進中小學(xué)實驗教學(xué)的意見》，對加強和改進實驗教學(xué)提出新要求，明確提出“拓展創(chuàng)新，不斷將科技前沿知識和最新技術(shù)成果融入實驗教學(xué)，豐富內(nèi)容，改進方式”，同時強調(diào)“促進傳統(tǒng)實驗教學(xué)與現(xiàn)代新興科技有機融合，切實增強實驗教學(xué)的趣味性和吸引力，提高實驗教學(xué)質(zhì)量和效果”。數(shù)字化實驗系統(tǒng)作為現(xiàn)代科技的研發(fā)成果，在理科實驗教學(xué)中應(yīng)用廣泛，能有效改進實驗教學(xué)方式方法、增強實驗教學(xué)效果，為推動實驗教學(xué)現(xiàn)代化、高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支撐。

1 ?數(shù)字化實驗系統(tǒng)的概念

數(shù)字化實驗系統(tǒng)以傳感器技術(shù)和高速數(shù)字電路技術(shù)為基礎(chǔ)，由數(shù)據(jù)采集器、系列傳感器、配套實驗器材及教學(xué)軟件構(gòu)成，在傳統(tǒng)實驗?zāi)Ｐ突A(chǔ)上，以計算機（或其他具備計算機功能的手持設(shè)備）為終端，實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的自動采集、快速傳輸、精確計算、多模呈現(xiàn)，實現(xiàn)中學(xué)理科實驗教學(xué)與信息技術(shù)的有機融合。運用數(shù)字化實驗系統(tǒng)，既能完成教材要求的數(shù)字化物理、化學(xué)、生物等各學(xué)科實驗，又能完成傳統(tǒng)實驗教學(xué)中無法完成或效果不理想的實驗，實現(xiàn)課程學(xué)習(xí)方式的多樣化，強化學(xué)生自主探究的能力，成為實驗教學(xué)重要的方法和手段。

2 ?課標(biāo)、教材、配置標(biāo)準中數(shù)字化實驗系統(tǒng)的應(yīng)用情況

2.1 ?課程標(biāo)準對數(shù)字化實驗系統(tǒng)的要求

《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準（2011年版）》對數(shù)字化實驗系統(tǒng)明確提出：“數(shù)字化實驗室在中學(xué)物理實驗中的應(yīng)用越來越廣泛，有條件的學(xué)?？梢岳眠@類儀器做一些用傳統(tǒng)儀器不易做或不能做的實驗”。

《普通高中物理課程標(biāo)準（2017年版 2020年修訂）》也明確提出：“建議有條件的地區(qū)為學(xué)校專門創(chuàng)建數(shù)字化實驗室，或引進教師演示用的數(shù)字實驗系統(tǒng)。學(xué)校要重視引導(dǎo)教師研究數(shù)字實驗系統(tǒng)對傳統(tǒng)實驗的改進方法，研究數(shù)字實驗系統(tǒng)的教學(xué)方式，促進教學(xué)手段與方式的現(xiàn)代化”。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準（2017年版 2020年修訂）》指出：“化學(xué)教材應(yīng)精心設(shè)計學(xué)生必做實驗，適當(dāng)增加微型實驗、家庭小實驗、數(shù)字化實驗、定量實驗和創(chuàng)新實踐活動等”。

課程標(biāo)準不僅對數(shù)字化實驗系統(tǒng)提出明確的裝備和實用建議，而且指出數(shù)字化實驗的作用在于“做一些傳統(tǒng)儀器不易做或不能做的實驗”。從本質(zhì)上講，數(shù)字化實驗并不能替代傳統(tǒng)實驗，而是通過將先進的科學(xué)技術(shù)與傳統(tǒng)實驗相結(jié)合，從而提供一種更為先進的實驗手段和實驗方式，以優(yōu)化改進原有實驗或完成一些原本不能完成的實驗。

2.2 ?教材應(yīng)用案例

以人教版初中物理教科書為例，教材中應(yīng)用數(shù)字化實驗案例如表1所示，教材選用案例如圖1所示。這些實驗案例統(tǒng)一歸類為擴展性實驗，一方面向教師和學(xué)生展示新的實驗手段，鼓勵學(xué)校引入新技術(shù)、新裝備，提升實驗教學(xué)水平;另一方面考慮到不同地區(qū)的教育現(xiàn)狀有差異，并不強制所有學(xué)校去完成相關(guān)實驗，真正做到理念先導(dǎo)、技術(shù)優(yōu)先、適度推進、兼顧各地。

2.3 ?配置標(biāo)準

教育部2010年發(fā)布的JY/T 0406—2010《高中理科教學(xué)儀器配備標(biāo)準》中已提到計算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)，以傳感器作為數(shù)據(jù)采集手段，與傳統(tǒng)實驗儀器設(shè)備配合使用;2019年發(fā)布的JY/T 0619—2019《初中物理教學(xué)裝備配置標(biāo)準》、JY/T 0620—2019《初中化學(xué)教學(xué)裝備配置標(biāo)準》、JY/T 0621—2019《初中生物教學(xué)裝備配置標(biāo)準》中對數(shù)字化實驗系統(tǒng)則做了更為細致的配備要求，如圖2、圖3、圖4所示。

物理配置標(biāo)準將數(shù)字化實驗系統(tǒng)定義為實驗室基礎(chǔ)器材，鼓勵學(xué)校和師生將其作為常用儀器設(shè)備使用，提高使用效率;化學(xué)和生物配置標(biāo)準將數(shù)字化實驗系統(tǒng)定義為數(shù)字化探究實驗，培養(yǎng)學(xué)生動手實踐和自主探究能力。

規(guī)格、品名、教學(xué)性能要求和技術(shù)指標(biāo)要求都以實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)和滿足實驗需求為依據(jù)，科學(xué)設(shè)定各項參數(shù)。配備數(shù)量為1～13個或1～9個，兼顧教師演示實驗和學(xué)生分組實驗。配備要求為“選配”，充分考慮不同區(qū)域、不同學(xué)校的具體需求?！皩嵺`活動建議”一欄重點列舉了拓展實驗和探究性實驗要求，對教學(xué)活動目標(biāo)進行了明確的說明，為教師開展數(shù)字化實驗提供了科學(xué)參考。

3 ?數(shù)字化實驗的優(yōu)勢

3.1 ?提升實驗教學(xué)質(zhì)量和效率

3.1.1 ?數(shù)據(jù)精準穩(wěn)定，實驗效果更明顯 ?傳感器相對于傳統(tǒng)儀器測量更方便、更準確。特別是對于中學(xué)理化生需要定量研究的規(guī)律，數(shù)字化實驗往往比傳統(tǒng)實驗更精準穩(wěn)定，實驗效果更明顯。

如高中物理“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗，探究加速度a和質(zhì)量m成反比關(guān)系，傳統(tǒng)實驗使用打點計時器，教師很難將誤差控制在5%以內(nèi)，學(xué)生動手的分組實驗失敗率更高。借助數(shù)字化器材，可以將誤差控制在3%以內(nèi)。圖5為動力學(xué)系統(tǒng)實驗器所做出的實驗數(shù)據(jù)圖像，可以明顯看出a和1/m呈正比關(guān)系，五個數(shù)據(jù)點基本在一條直線上，且擬合線很接近原點。這樣的數(shù)據(jù)結(jié)果更具有說服力，令學(xué)生印象深刻。

3.1.2 ?測量方式多樣，有更多的探究空間 ?傳感器還可以測量一些傳統(tǒng)實驗儀器設(shè)備無法直接測量的量，比如光照強度、磁場強度和方向、氣體濃度、離子濃度等。在數(shù)字化實驗教學(xué)中會有更多的設(shè)計和組合方式，完成一些傳統(tǒng)實驗儀器無法完成的實驗，獲取傳統(tǒng)實驗無法直接獲取的數(shù)據(jù)，為開展科學(xué)探究提供更為優(yōu)質(zhì)的工具和方法。

以初中生物七年級“光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣”以及人教版高中生物必修1“能量之源——光與光合作用”等章節(jié)為例，雖然書中提到光合作用的概念，但學(xué)生很難理解其過程和原理，教師需要花費較長的時間，通過說實驗等間接檢驗方式，讓學(xué)生理解光合作用。而數(shù)字化實驗運用O2和CO2傳感器，可直接測量兩種氣體的濃度隨時間變化的關(guān)系，在軟件圖像上直接觀察到光合作用過程中二氧化碳和氧氣的變化趨勢，讓學(xué)生更直觀地理解光合作用的原料和產(chǎn)物。實驗設(shè)備及實驗數(shù)據(jù)如圖6所示。

3.1.3 ?數(shù)據(jù)處理便捷，提高實驗教學(xué)效率 ?數(shù)字化實驗儀器相較于傳統(tǒng)實驗儀器，具有高速測量、記錄、軟件計算等優(yōu)勢，配套軟件可以輕松地將實驗數(shù)據(jù)以曲線、數(shù)字、儀表等形式呈現(xiàn)，大大縮短實驗操作時間和數(shù)據(jù)計算、繪圖時間。

如用打點計時器驗證機械能守恒實驗，教師操作并且計算出一組數(shù)據(jù)需要約五分鐘，完成三組數(shù)據(jù)則需要約15分鐘。如果由學(xué)生進行分組實驗，并由教師對學(xué)生分組進行指導(dǎo)，則需要更多的時間。教師如要在一節(jié)課上由實驗代入并講解知識點，再簡單進行習(xí)題鞏固，很難按時完成教學(xué)任務(wù);如果使用數(shù)字化實驗儀器設(shè)備，本實驗只需要三分鐘即可測量得到九組數(shù)據(jù)，并由軟件完成計算和繪圖，且非常穩(wěn)定，便于更好地完成教學(xué)任務(wù)。

3.1.4 ?數(shù)據(jù)便于呈現(xiàn)，為教學(xué)提供便利 ?通過傳感器，可以直接將實驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息。一方面通過配套軟件和電子數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，輕松實現(xiàn)對實驗數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸和呈現(xiàn)，配合交互式一體機、交互式白板等設(shè)備，可以動態(tài)演示整個實驗過程，使課堂展現(xiàn)更直觀便捷;另一方面，實驗數(shù)據(jù)的數(shù)字化便于對實驗教學(xué)進行記錄和評價。

3.2 ?促進學(xué)生綜合能力的提升

3.2.1 ?器材新穎，更容易激發(fā)學(xué)生興趣 ?數(shù)字化實驗器材相對普通教具更新穎，從核心技術(shù)、外觀外形上更加符合當(dāng)下的材料、工藝和技術(shù)。另一方面，以數(shù)字化實驗系統(tǒng)為技術(shù)支撐，通過創(chuàng)設(shè)學(xué)生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考的數(shù)字化實驗室[1]，更容易激發(fā)起學(xué)生的興趣，引導(dǎo)學(xué)生進行自主學(xué)習(xí)和探究。

3.2.2 ?數(shù)據(jù)精確，有利于更科學(xué)地探究規(guī)律 ?標(biāo)準的探究，要求在基本理論知識的基礎(chǔ)上，假設(shè)物理量之間的關(guān)系，然后用實驗來驗證、修正或否定假設(shè)。相對現(xiàn)象和純驗證實驗，這種情況下對實驗器的精度要求就更高。

如“探究功與速度的關(guān)系”實驗，在一維運動中，給初速度為0的物體做功，功W和速度v2成正比關(guān)系;但是作為探究實驗，需要得到多組W和v的數(shù)據(jù)，對比分析W和、v、v2、v3之間的關(guān)系。如果使用傳統(tǒng)的打點計時器很難得出同樣的結(jié)果，而且實際操作后，發(fā)現(xiàn)很難判斷W和v、v2、v3之間誰更像正比關(guān)系。這種情況下，數(shù)字化實驗可以快速準確地得出數(shù)據(jù)及規(guī)律，更具說服力，實驗結(jié)果如圖7所示。

3.2.3 ?體現(xiàn)時代需求，有利于培養(yǎng)學(xué)生的信息化素養(yǎng)和能力 ?傳感器作為現(xiàn)代科技發(fā)展所必需的基礎(chǔ)性元器件，不僅在日常生活中應(yīng)用廣泛，在人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等高精尖技術(shù)中也必不可少。將傳感器技術(shù)與實驗教學(xué)相結(jié)合，體現(xiàn)了教學(xué)與生活生產(chǎn)、現(xiàn)代社會及科技發(fā)展的聯(lián)系，反映了當(dāng)代科技發(fā)展的成果和科學(xué)思想，有助于培養(yǎng)學(xué)生的信息化素養(yǎng)和能力。同時，數(shù)字化實驗為科學(xué)探究提供更為先進的工具和方式，幫助學(xué)生更輕松地理解科學(xué)本質(zhì)，增強科學(xué)探究能力和解決實際問題的能力。

4 ?對理化生數(shù)字化實驗室建設(shè)及裝備配備的幾點建議

鑒于課程標(biāo)準和教材對數(shù)字化實驗提出的要求，以及數(shù)字化實驗系統(tǒng)本身所具有的教學(xué)優(yōu)勢，建議有條件的學(xué)校建設(shè)獨立的理化生數(shù)字化實驗室，并注重對實驗室內(nèi)涵的建設(shè)，用數(shù)字化技術(shù)促進實驗教學(xué)和育人方式變革，滿足新時代對實驗教學(xué)高質(zhì)量發(fā)展的新要求。具體提出以下幾點建議。

4.1 ?應(yīng)體現(xiàn)學(xué)科核心素養(yǎng)要求

理化生數(shù)字化實驗室建設(shè)應(yīng)充分適應(yīng)新時代改革和發(fā)展的新要求，滿足當(dāng)前和未來培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和核心素養(yǎng)的新需要。數(shù)字化實驗系統(tǒng)作為一種先進的工具，是對原有教學(xué)的有效補充，不能一味地求新、求變而脫離課標(biāo)和教學(xué)實際。在建設(shè)時只有把握住對學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)這一原則，才能充分發(fā)揮實驗教學(xué)的育人作用。這就要求在對數(shù)字化實驗室進行裝備配置時考慮：必須配備哪些儀器設(shè)備以達到課標(biāo)和教材中對數(shù)字化實驗的要求？應(yīng)配備哪些數(shù)字化儀器設(shè)備以優(yōu)化原有實驗效果、提升實驗效率？可以配備哪些數(shù)字化儀器設(shè)備以滿足教師和學(xué)生開展探究性實驗的需求？

4.2 ?應(yīng)體現(xiàn)實踐育人的理念

數(shù)字化實驗作為實驗教學(xué)的一種新形式、新方法，應(yīng)充分體現(xiàn)實驗教學(xué)實踐育人的功能，在實驗教學(xué)中推動學(xué)生開展項目化、問題式、合作式學(xué)習(xí)，通過新穎有趣的數(shù)字化實驗儀器設(shè)備激發(fā)學(xué)生自主探究的興趣和愛好，提升學(xué)生觀察能力、實踐操作能力、創(chuàng)造性思維能力和團隊合作能力，實現(xiàn)對學(xué)生創(chuàng)新精神、科學(xué)素養(yǎng)和意志品質(zhì)的培養(yǎng)。

為充分滿足教師教學(xué)方法的多樣性和學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)，在對數(shù)字化實驗室進行裝備配置時應(yīng)充分考慮不同學(xué)校、不同師生對數(shù)字化儀器設(shè)備種類、數(shù)量和規(guī)格型號的不同需求，“以人為本”開展實驗室裝備建設(shè)和管理工作，最大限度地發(fā)揮數(shù)字化實驗室實踐育人的功能。

4.3 ?應(yīng)注重傳統(tǒng)教學(xué)與數(shù)字化實驗有機融合

要正確認識數(shù)字化實驗在教育教學(xué)中的功能與作用，并充分考慮學(xué)生、師資、管理機制等因素的影響，科學(xué)地開展數(shù)字化實驗教學(xué)，促進傳統(tǒng)教學(xué)與數(shù)字化實驗有機融合。要鼓勵教師利用數(shù)字化實驗創(chuàng)新實驗教學(xué)方式，豐富教學(xué)內(nèi)容，增強實驗教學(xué)趣味性，不斷提高實驗教學(xué)的效率和質(zhì)量;要完善實驗室管理體制機制，向?qū)W生開放實驗室，鼓勵學(xué)生利用課余時間開展實驗探究;要科學(xué)設(shè)計實驗活動，利用數(shù)字化實驗設(shè)備便于攜帶、操作簡單的特點，鼓勵學(xué)生開展校外的、與生活實踐緊密聯(lián)系的探究活動。此外，可以定期舉辦相關(guān)數(shù)字化實驗比賽，以賽促學(xué)、以賽促用。

4.4 ?開展數(shù)字化實驗相關(guān)培訓(xùn)

為深化數(shù)字化實驗室在教學(xué)中的應(yīng)用，建議對學(xué)校教師開展相關(guān)培訓(xùn)，旨在提高參培教師對教育教學(xué)新思想、新理念、新技術(shù)、新方法的認識，能科學(xué)應(yīng)用創(chuàng)新實驗室開展教學(xué)活動，提升實驗教學(xué)能力，同時發(fā)揮示范引領(lǐng)作用，整體提升學(xué)校實驗教學(xué)水平。培訓(xùn)可以采取專家理論指導(dǎo)、教師說課分享和實操培訓(xùn)相結(jié)合的方式開展。通過以上培訓(xùn)，打破師資因素對數(shù)字化實驗教學(xué)的束縛，充分釋放數(shù)字化實驗教學(xué)的活力。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標(biāo)準（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2020.