摘要：在初中科學(xué)教學(xué)中，將數(shù)字化實驗引入其中，實現(xiàn)信息技術(shù)與科學(xué)教學(xué)的有機(jī)融合，能夠改變科學(xué)課程的固有教學(xué)觀念，有利于突破教學(xué)重點，推動教學(xué)變革。基于此，本文介紹了數(shù)字化實驗的含義、特點，分析現(xiàn)階段初中科學(xué)教學(xué)中數(shù)字化實驗的應(yīng)用現(xiàn)狀，指出數(shù)字化實驗對于提升課堂教學(xué)效果，實現(xiàn)課堂教學(xué)的提質(zhì)增效，激發(fā)學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)興趣都有著重要意義。最后，就推進(jìn)初中科學(xué)教學(xué)的數(shù)字化實驗提出相應(yīng)的策略，希望為相關(guān)人員提供參考。

關(guān)鍵詞：初中科學(xué)；數(shù)字化實驗；現(xiàn)狀

一、引言

科學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的課程，其中大部分科學(xué)規(guī)律、科學(xué)知識均需要通過實驗演繹。結(jié)合數(shù)字化實驗平臺，能夠方便學(xué)生準(zhǔn)確地觀察實驗現(xiàn)象，也能夠指導(dǎo)學(xué)生更深入透徹地理解科學(xué)規(guī)律[1]。數(shù)字化實驗在初中科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，能夠突破實驗教學(xué)時間、空間的限制，對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，提高學(xué)生的實踐能力，培育學(xué)生的核心素養(yǎng)具有重要意義。

二、數(shù)字化實驗的含義與特點

（一）數(shù)字化實驗的含義

數(shù)字化實驗是信息技術(shù)與傳統(tǒng)實驗方法相結(jié)合的實驗，利用傳感器系統(tǒng)和各種硬件軟件設(shè)備，能夠更好地實現(xiàn)集物理測量、自動控制、數(shù)據(jù)記錄、智能化數(shù)據(jù)分析、結(jié)果展示等多功能于一體。在使用數(shù)字化實驗系統(tǒng)時，配合各類傳感器，能夠靈活檢測、科學(xué)探究實驗的數(shù)據(jù)信息，能夠?qū)嶒炐畔⑥D(zhuǎn)化為數(shù)字形式，并且通過手動或自動的方式，完成對實驗過程、實驗結(jié)果的實時顯示、實時記錄[2]。

（二）數(shù)字化實驗的設(shè)備內(nèi)容

從數(shù)字化實驗設(shè)施構(gòu)建分析，包括傳感器、數(shù)據(jù)采集器、實驗儀器以及計算機(jī)處理系統(tǒng)。其中，傳感器是數(shù)字化實驗的核心部件，傳感器能夠感知各項數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確捕捉被測量物品的特點、規(guī)律，并且能夠轉(zhuǎn)換為可輸出的信號，而數(shù)據(jù)采集器是將傳感器與計算機(jī)連接起來的中間器材[3]。實驗儀器是完成實驗需要用到的器具儀器，而計算機(jī)則能夠起到展示圖形圖表的作用。數(shù)字化實驗是結(jié)合了傳感器計算機(jī)和傳統(tǒng)實驗儀器的實驗形式，體現(xiàn)其對傳統(tǒng)實驗方法的更新與優(yōu)化，能夠以更加嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范的數(shù)據(jù)處理形式，提升實驗效率和實驗質(zhì)量。

（三）數(shù)字化實驗在初中科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用特點

1.直觀呈現(xiàn)實驗過程

在初中科學(xué)教學(xué)中引入數(shù)字化實驗，能夠直觀呈現(xiàn)實驗過程，能夠精準(zhǔn)、全面地反映實驗過程中的變量信息。例如，教師結(jié)合測定土壤浸出液pH值實驗中。教師引入數(shù)字化設(shè)備開展數(shù)字化實驗探索借助數(shù)字技術(shù)，配合pH傳感器檢測功能，能夠精準(zhǔn)記錄pH檢測結(jié)果。與傳統(tǒng)實驗形式相比，數(shù)字化實驗的實驗精度更高，誤差更小，也能大幅度提升實驗結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性和可信性[4]。

2.精準(zhǔn)記錄實驗數(shù)據(jù)

初中生物教學(xué)中，部分實驗由于反應(yīng)變化過于細(xì)微，僅靠肉眼觀測難以精準(zhǔn)捕捉。而結(jié)合數(shù)字化實驗系統(tǒng)，能夠記錄實驗過程中的種種變化，也能夠使實驗過程更具直觀性、立體性。例如，在測量空氣中氧氣含量的科學(xué)實驗中，以往教師大多數(shù)結(jié)合紅磷燃燒法，帶領(lǐng)學(xué)生粗略測出空氣中的氧氣所含的體積分?jǐn)?shù)。但這種實驗方式得出的結(jié)果較粗略，難以檢測室內(nèi)、室外氧氣含量的微弱差別。而引入數(shù)字化實驗系統(tǒng)，結(jié)合DIS氧氣傳感器，能夠精準(zhǔn)捕捉室內(nèi)外氧氣含量的細(xì)微差異，也能夠抓住轉(zhuǎn)瞬即逝的實驗現(xiàn)象。這能夠幫助學(xué)生更全面地捕捉氧氣含量的變化過程，把握氧氣變化的趨勢，依托數(shù)字化實驗系統(tǒng)師生，能夠更全面地了解實驗過程中的關(guān)鍵細(xì)節(jié)，也能夠配合數(shù)字技術(shù)的實時記錄、儲存功能，再現(xiàn)實驗中的瞬態(tài)現(xiàn)象。這能夠更好地提升科學(xué)實驗的直觀性，也能夠幫助學(xué)生加強(qiáng)對科學(xué)現(xiàn)象和科學(xué)規(guī)律的深刻認(rèn)識。

3.智能處理實驗過程

在初中科學(xué)教學(xué)中，實驗教學(xué)能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但考慮部分實驗的安全和穩(wěn)定，在以往教學(xué)中，教師難以帶領(lǐng)學(xué)生完成實操。而借助數(shù)字化實驗則能夠顯著增強(qiáng)觀察效果，能夠提升實驗的全面性，也能夠結(jié)合數(shù)字系統(tǒng)，智能處理實驗過程。例如，教師在帶領(lǐng)學(xué)生完成探究鹽酸與氫氧化鈉的中和反應(yīng)實驗過程中，以往的實驗形式只能依靠pH試紙的顏色變化判斷反應(yīng)中物質(zhì)酸堿度變化，這種檢驗結(jié)果較粗略，學(xué)生對于實驗過程的把握不夠精準(zhǔn)。而借助數(shù)字化實驗依托溫度傳感器和pH傳感器，使學(xué)生能夠更清晰準(zhǔn)確地了解反應(yīng)過程中溶液pH值變化，尤其能夠捕捉各階段的微弱反應(yīng)，能夠提升實驗過程的可視化程度，也能夠進(jìn)一步提升實驗教學(xué)效果[5]。

三、初中科學(xué)教學(xué)中數(shù)字化實驗的現(xiàn)狀

（一）初中科學(xué)教學(xué)中數(shù)字化實驗的優(yōu)點

1.有利于激發(fā)學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)興趣

在當(dāng)前素質(zhì)教育背景下，推進(jìn)數(shù)字化實驗系統(tǒng)在初中科學(xué)課程中的應(yīng)用，能夠更好地提高初中生的探究熱情和實驗積極性。數(shù)字化實驗與初中生的認(rèn)知基礎(chǔ)、學(xué)習(xí)要求相吻合，將其引入進(jìn)科學(xué)教學(xué)中，能夠大幅度提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法處理流程繁瑣，而且部分實驗現(xiàn)象并不明顯，實驗整體可信度不高，造成學(xué)生練習(xí)實驗時，大多數(shù)完全按照教師的指令照搬照套。其間，學(xué)生缺乏獨立思考意識，缺乏創(chuàng)新創(chuàng)造能力。而數(shù)字化實驗則能夠突破這一瓶頸，結(jié)合信息化技術(shù)，使學(xué)生能夠獲取實驗過程中的精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，也能夠使他們歸納總結(jié)出更加真實可信的實驗結(jié)論，對于增強(qiáng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果有著重要意義。

2.有利于促進(jìn)科學(xué)課程提質(zhì)增效

數(shù)字化實驗系統(tǒng)實現(xiàn)了將傳統(tǒng)實驗過程與信息技術(shù)的有機(jī)融合，拓展了實驗教學(xué)的形式和路徑，也突破了實驗教學(xué)的時間及空間限制，意味著教師在課堂教學(xué)中實現(xiàn)“邊講解、邊實驗、邊分析”成為可能。數(shù)字化實驗系統(tǒng)在初中科學(xué)課程中的應(yīng)用，帶動了課程教學(xué)模式的改革，使初中科學(xué)課程從以往教師講解為主的教學(xué)模式，轉(zhuǎn)向師生互動、生生互動、人機(jī)協(xié)作的多主體交流互動模式，進(jìn)一步實現(xiàn)了科學(xué)課程的提質(zhì)增效。

3.有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)學(xué)科素養(yǎng)

依托數(shù)字化實驗系統(tǒng)，使學(xué)生能夠精準(zhǔn)處理實驗信息、快速測量實驗數(shù)據(jù)，能夠使原本在課堂上無法完成的實驗成為可能，豐富了課堂教學(xué)內(nèi)容，拓展了課堂教學(xué)形式，也便于學(xué)生結(jié)合實驗數(shù)據(jù)實驗過程，加強(qiáng)與同伴的互動交流。這有利于鍛煉學(xué)生的實驗素養(yǎng)，提高學(xué)生的綜合應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊精神。

（二）初中科學(xué)教學(xué)中數(shù)字化實驗的不足

雖然數(shù)字化實驗在科學(xué)課程中的應(yīng)用，豐富了科學(xué)教學(xué)手段，拓展了教學(xué)路徑。但在教學(xué)實踐中，教師也要注意平衡課程教學(xué)與數(shù)字化實驗之間的關(guān)系。以往在科學(xué)實驗中，受時間、設(shè)備、學(xué)生基礎(chǔ)、課堂表現(xiàn)等多種因素影響，教師實施科學(xué)實驗的機(jī)會較少。而數(shù)字化實驗系統(tǒng)的引入，則能夠更好地結(jié)合信息技術(shù)，帶領(lǐng)學(xué)生在動手操作、動眼觀察中提高他們的綜合能力，但教師需要注意平衡實驗教學(xué)與理論教學(xué)的內(nèi)容安排。

初中生雖然具備基礎(chǔ)的計算機(jī)操作能力，但操作能力有限。在使用數(shù)字化實驗系統(tǒng)時，教師要做好監(jiān)督監(jiān)管，詳細(xì)介紹實驗裝備和實驗連接中的注意事項，以及計算機(jī)操作的注意事項，要最大程度上確保實驗教學(xué)切實有效。

四、初中科學(xué)教學(xué)中數(shù)字化實驗的實踐策略

（一）應(yīng)用數(shù)字化實驗，提升課堂導(dǎo)入效果

初中科學(xué)課程涉及許多開放性、探究性活動，將科學(xué)教學(xué)與數(shù)字化實驗系統(tǒng)相結(jié)合，能夠提升教學(xué)內(nèi)容的趣味性、豐富性，也能夠進(jìn)一步增強(qiáng)科學(xué)教學(xué)的便捷性。對此，教師需要結(jié)合數(shù)字化實驗，開展趣味的教學(xué)導(dǎo)入，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，能夠使學(xué)生更全面地投入于實踐中。因此，教師要做好準(zhǔn)備工作，優(yōu)化選擇學(xué)科資源，精心挑選實驗材料。此外，教師需要結(jié)合初中科學(xué)課程內(nèi)容選擇與其配套的實驗項目，并且要確保實驗教學(xué)與理論教學(xué)緊密聯(lián)系。通過實驗教學(xué)，幫助學(xué)生鞏固和深化對科學(xué)概念、科學(xué)現(xiàn)象的認(rèn)識，教師可以結(jié)合虛擬實驗室平臺，結(jié)合虛擬實驗室系統(tǒng)的交互性、功能性優(yōu)勢，為學(xué)生介紹包括生物、化學(xué)、物理等多學(xué)科的實驗現(xiàn)象。依托模擬實驗，提升學(xué)生的課堂參與度，提振學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。例如，教師可以在課前結(jié)合數(shù)字化顯微鏡，結(jié)合細(xì)胞標(biāo)本，為學(xué)生展示顯微鏡下的景象。通過調(diào)節(jié)數(shù)字顯微鏡的放大倍數(shù)，使學(xué)生能夠更直觀地觀察植物細(xì)胞的不同狀態(tài)，能夠使學(xué)生快速集中注意力，也能夠使學(xué)生更直觀深刻地感知微觀世界的奇妙，有利于提高學(xué)生的課堂參與度。

（二）應(yīng)用數(shù)字化實驗，細(xì)化實驗操作方法

在初中科學(xué)教學(xué)中引入數(shù)字化實驗設(shè)備，需要教師結(jié)合數(shù)字化教學(xué)要求為學(xué)生講解實驗操作方法。例如，教師可以結(jié)合希沃白板帶領(lǐng)學(xué)生結(jié)合電路實驗，了解電路連接知識，確保在后續(xù)實驗交流中，學(xué)生能夠正常安全地完成電路連接。借助希沃白板，教師可以為學(xué)生展示常見的錯誤類型，通過提前展示錯誤的連接方法和安裝方式，能夠為學(xué)生完成后續(xù)實驗任務(wù)奠定基礎(chǔ)。同時，教師也可以結(jié)合希沃白板從多角度為學(xué)生展示科學(xué)實驗的實驗過程、實驗步驟，配合放大、放慢等操作，學(xué)生能夠更全面地掌握實驗操作方法，也能夠為學(xué)生后續(xù)的高質(zhì)量實驗探索奠定基礎(chǔ)。

（三）應(yīng)用數(shù)字化實驗，打造初中翻轉(zhuǎn)課堂

借助數(shù)字化設(shè)備開展初中科學(xué)實驗教學(xué)，需要教師堅持學(xué)生的主體地位，積極打造翻轉(zhuǎn)課堂。例如，講解浮力時，教師可以在實驗開始前為學(xué)生布置預(yù)習(xí)任務(wù)，要求學(xué)生課前搜集浮力的基礎(chǔ)知識，結(jié)合課前預(yù)習(xí)材料，提前對本節(jié)課有基礎(chǔ)的認(rèn)識。教師可以為學(xué)生開放數(shù)字化實驗平臺，學(xué)生可以在課下結(jié)合虛擬實驗室軟件自行操作船只模型，通過改變船只的形狀、載重量，觀察不同狀態(tài)下浮力的變化。這能夠使學(xué)生更直觀地了解阿基米德原理。期間，學(xué)生也要記錄自己在虛擬實驗室中的觀察數(shù)據(jù)、觀察結(jié)果，這能夠為后續(xù)課堂討論奠定基礎(chǔ)。在課堂教學(xué)上，教師結(jié)合本節(jié)課的教學(xué)重點，帶領(lǐng)學(xué)生共同進(jìn)行實驗展示，然后組織學(xué)生開展互動答疑。對學(xué)生在前期預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)面臨的問題和困惑進(jìn)行集中講解。最后，教師組織學(xué)生結(jié)合數(shù)字化實驗，結(jié)合具體的實驗報告，挑選其中的典型問題進(jìn)行剖析，這能夠讓學(xué)生更直觀了解浮力產(chǎn)生的原因，也能夠感受浮力在生活中的應(yīng)用范圍。同時，教師可以組織學(xué)生以小組為單位開展討論交流，在協(xié)作中解決問題提升能力。

（四）應(yīng)用數(shù)字化實驗，支持跨學(xué)科實驗聯(lián)動

借助數(shù)字化實驗系統(tǒng)教師不僅能夠結(jié)合科學(xué)學(xué)科開實課堂施教學(xué)，還能夠更好地實現(xiàn)跨學(xué)科聯(lián)動。數(shù)字化實驗系統(tǒng)進(jìn)一步融合了傳統(tǒng)實驗的優(yōu)點，能夠更合理地安排實驗，也能實現(xiàn)演示實驗與操作實驗的有機(jī)結(jié)合，實現(xiàn)課內(nèi)實驗與課外拓展的結(jié)合。例如，教師可以結(jié)合虛擬實驗平臺，帶領(lǐng)學(xué)生完成線下實驗中難以開展或者具有一定危險性的實驗。例如，電解水實驗、燃素說實驗等，這些實驗如果在實驗室內(nèi)進(jìn)行則會存在較大的安全隱患，而結(jié)合線上平臺，結(jié)合虛擬實驗室，能夠彌補(bǔ)實體實驗的不足。同時，教師還可以在虛擬環(huán)境中組織學(xué)生實施多種類型的實驗探討，這能夠為初中科學(xué)實驗開辟全新的可能，能夠進(jìn)一步實現(xiàn)跨學(xué)科聯(lián)動，有利于提升實驗教學(xué)的靈活性、安全性，也能夠顯著激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高他們的探究能力。

（五）應(yīng)用數(shù)字化實驗，輔助學(xué)生個性化學(xué)習(xí)

數(shù)字化實驗具有快速且自動測量的優(yōu)勢，能夠縮短實驗過程中的數(shù)據(jù)處理時間，進(jìn)一步提升了初中科學(xué)實驗教學(xué)效率，能夠大幅度節(jié)省課堂時間。因此，教師可以結(jié)合數(shù)字化實驗系統(tǒng)，為學(xué)生提供自主探究、合作交流的平臺。而學(xué)生也可以結(jié)合本節(jié)課的基礎(chǔ)知識，結(jié)合興趣提出他們感興趣的實驗項目，并完成自主練習(xí)，既能夠鍛煉學(xué)生的創(chuàng)新意識，也能夠進(jìn)一步提高學(xué)生的實踐能力，有利于輔助學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)。

五、結(jié)束語

在初中科學(xué)教學(xué)中結(jié)合數(shù)字化實驗，能夠提升學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，能夠更好地改變教學(xué)模式，創(chuàng)新教學(xué)路徑，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性、能動性、創(chuàng)造性，具有重要的應(yīng)用價值。未來，在初中科學(xué)實驗中還要進(jìn)一步引入數(shù)字化實驗設(shè)備，做好普及與推廣，使更多的學(xué)生能夠借助數(shù)字化實驗平臺在思考交流中提升能力、增強(qiáng)本領(lǐng)、生成科學(xué)精神。

作者單位：陳曉嵐 上海市嘉定區(qū)教育學(xué)院

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