全面提高中小學實驗教學質量的思考

王鑫

實驗是科學研究的基本方法之一，實驗教學是中小學教育工作中的重要組成部分，對于培養學生的核心素養，提升學生的自主探究能力、動手操作能力、觀察分析能力、數據處理能力等有著重要意義。

正視中小學實驗教學中的問題

為全面了解我國中小學實驗教學現狀并揭示其問題，研究者曾經對全國十省市部分學校進行調研。樣本的選取按照不同地區、城鄉，以及不同類型學校抽取。分別選取了東部（北京市、江蘇省、福建省）、中部（山西省、湖北省、江西省、河南省）和西部（四川省、甘肅省、廣西壯族自治區）10個省（區、市）;在每省（區、市）各抽取城鎮和農村，選取好、中、差的學校各1 所（初二年級和高二年級的2個班級）;采用問卷調查與訪談相結合的調查方法，對學生所在年級的教師進行了訪談。調查表明，在實驗教學方面，有些地區或學校還不同程度地存在著問題。在長期應試教育的環境下，教師已經熟練地掌握了應對實驗題目的方法與技巧，實驗課上只要求學生全面把握教材或考試說明中每個實驗的原理和方法，而有些實驗很少做或基本不做。在課堂上，許多分組實驗，采取全班一起做同一實驗，其實驗數據與實驗結果均可共享，其結果是學生會做與不會做均能過關。在實驗條件方面，有些地區或學校不同程度地存在著實驗室設備陳舊、功能區域布局欠妥、實驗儀器損壞嚴重、實驗基礎材料不足甚至有些實驗藥品過期等較為普遍的現象。在實驗教師隊伍方面，專職實驗教師比較少，相當一部分實驗教師由科任教師兼任，還有一些是臨時人員或者行政人員，實驗教師隊伍結構失衡、素質不齊、待遇偏低等都影響了實驗教學的整體質量。有些地區或學校還不同程度地存在著實驗課程和教材設計等方面的問題。

提高中小學實驗教學質量的思考

針對上述問題，要進一步提高中小學實驗教學的整體質量，就要認真貫徹落實2019年11月20日教育部頒布的《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》（以下簡稱《意見》）。《意見》指出實驗教學是國家課程方案和課程標準規定的重要教學內容，是培養創新人才的重要途徑。

頂層設計實驗課程，構建與課程標準統一的實驗教學體系

實驗教學是中小學必須完成的教學任務。要提高實驗教學質量，培養高素質人才，實驗教學不能只靠教師講，而應充分利用實驗資源，直接開展相關教學。學校要按照實驗教學目的頂層設計實驗課程，構建與課程標準相統一的實驗教學體系。

第一，從實驗教學目的、實驗教學內容、實驗教學方式和實驗教學資源等多個層面、多個角度、多個途徑思考和開展實驗教學課程體系建設。要針對不同學段的實驗教學目的，精心設計實驗教學內容，組織開展好基礎性實驗和拓展性實驗（含探究性實驗、創新性實驗、綜合性實驗等）。實驗教學方式要注重與多學科融合教育、編程教育、創客教育、人工智能教育、社會實踐等有機融合，有條件的地區可以開發地方課程和校本課程。實驗資源的建設，無論是實驗資源的直接利用，還是實驗資源的改造利用，或是實驗資源的共建共用，都要保障實驗資源對實驗教學的支持和服務。

第二，把握實驗教學目的的系統性，實驗教學目的的劃分只是相對概念，不能將它們割裂處理。實驗教學著力提升學生的觀察能力、動手實踐能力、創造性思維能力和團隊合作能力，培育學生的興趣愛好、創新精神、科學素養和意志品質。

第三，實驗資源建設要接受課程開發的統領，立足于實驗教學目的，支撐起實驗教學實踐，服務于實驗教學整體效益。實現教學目的的實驗資源可能存在多種，課程設計時要考慮各種資源的可獲得性、可行性及有效性，避免來者不拒、多多益善，謹防資源干擾實踐的情況出現。

創新實驗教學方式，務虛與務實相結合

實驗是教學活動的一個重要環節，對于許多實踐性較強的學科，如物理、化學、生物等，實驗是學生獲取知識參加實踐的最主要的手段，對于培養學生實際操作能力和解決問題的實踐能力至關重要。而真實實驗存在以下問題：有些學校因實驗儀器和設備短缺導致部分實驗無法在實驗室完成;有些實驗設備價格昂貴，學生不敢大膽做實驗;有些實驗需多次重復實驗，會產生更多耗材費用;在實驗課堂上學生因時間緊而不能充分完成實驗;有些自然物理、化學現象，在真實實驗室不可能完成;有些過于抽象的物理實驗在真實實驗室不能完成;有些實驗過程速度過快，實驗現象一瞬即逝，學生不能清楚仔細地觀察。

基于上述問題，實驗作為檢驗理論正確與否的工具，已不完全處在務實的環境中，創新實驗教學方式，應務虛與務實相結合。《意見》指出，學校“要豐富實驗教學實施形式，綜合運用觀察、觀測、模擬、體驗、設計、編程、制作、加工、飼養、種植、參觀、調查等多種方式，促進傳統實驗教學與現代新興科技有機融合，切實增強實驗教學的趣味性和吸引力，提高實驗教學質量和效果。對于因受時空限制而在現實世界中無法觀察和控制的事物和現象、變化太快或太慢的過程，以及有危險性、破壞性和對環境有危害的實驗，可用增強現實、虛擬現實等技術手段呈現”。

借助大數據時代的數字化手段，仿真實驗、遠程控制實驗、綜合開放實驗等作為新型實驗，已成為當今實驗教學研究的熱點。例如，仿真實驗可以仿真模擬在實驗室難以完成的實驗，彌補學校實驗設備和儀器的不足，有效提高實驗的演示效果。仿真實驗可以仿真抽象的物理、化學實驗，可以多次重復實驗，實驗過程可延緩或隨時暫停。仿真實驗能為學生開展自主研究性學習提供學習環境，學生可利用仿真軟件進行實驗探索研究。與此同時，通過對實驗環境的整體模擬，使未做過這些實驗的學生通過仿真能對實驗從局部到整體建立起直觀、感性的認識。學生通過仿真實驗再做實際實驗能達到胸有成竹。此外，儀器可拆卸、可解剖調整，增強了操作、熟悉儀器功能和使用方法的訓練。仿真儀器實現模塊化，學生可對儀器進行選擇和組合，用不同方法和路徑完成同一實驗目標，培養學生的設計思考能力。通過仿真實驗教學，可以充分體現教學指導思想，培養學生在理解的基礎上通過思考進行操作，克服在實際實驗中出現的盲目操作和“走過場”等現象，使學生切實受益，提高實驗教學質量。目前，中學應用的仿真實驗種類繁多，其中影響較大的有VCM 仿真實驗、CER卓信365仿真實驗、智天下虛擬實驗室仿真實驗和華鈞中學虛擬仿真實驗系統等。

VCM仿真實驗是利用flash 技術開發的最富真實感的實驗，可直接在電腦上在線模擬操作。該仿真實驗是學生自主獲取知識和技能，體驗和了解科學探究的過程和方法，形成和提高創新意識，樹立科學價值觀的活動過程。

CER卓信365仿真實驗是面向中學師生設計的開放式教學平臺，仿真度高，能模擬完成理化學科教材中涉及的各個實驗。操作者可以根據提供的器材，任意搭建實驗，改變各項參數，不管操作正確與否，均可以獲得與實際相似的現象和結果，對錯誤的操作，會提出糾正。是一個真正意義的探究式學習平臺，有助于激發學生的學習興趣，有助于學生創新思維和科研素養的培養。

智天下虛擬實驗室仿真實驗是一款高效理化生學習法。它不僅有高真實度的實驗器材與實驗步驟，模擬與實際操作高貼合度的實驗場景，給學生、教師以身臨其境之感;更有游戲場景界面迎合學生心理，吸引注意力，配以原創試題，杜絕千篇一律;還覆蓋近幾年中高考實驗試題，讓學生切實感受考題難點、思路和技巧，積累豐富實戰經驗，使學生對理化生學習產生濃厚興趣。

華鈞中學虛擬仿真實驗系統是面向中學生設計研發的獨創的場景式教學系統，通過瀏覽器即可使用。不僅能高仿真地互動做各類實驗，而且具備教學導航、教學目標、動手實驗、自動演示、系統測試、真人實驗視頻等各個環節，能讓學生對所做過的實驗過目不忘，教師利用仿真實驗教學效果事半功倍。

加強教學常規監管，將實驗教師培訓列入培訓計劃

實驗教師在學校實驗教學中具有舉足輕重的地位，直接影響學校實驗課程的建設、實施，以及課程改革的深化和教育質量的提升。為了不斷滿足教學所需，政府除了按照共性要求統一配置實驗資源外，提高中小學實驗教學質量，關鍵是實驗教師的教學能力，包括教師對實驗資源的直接利用、改造利用和實驗資源的開發等。

實驗資源的直接利用。可以利用實驗器材演示實驗，也可以在實驗室里開展分組實驗和探究實驗，還可以利用計算機播放音像資料展示實驗過程，或者利用掛圖說明實驗裝置。實驗資源的直接利用，需要學校加強教學常規監管，更需要教師嚴格遵照課程標準要求落實教學任務。

實驗資源的改造利用。一方面，政府統一配置的實驗資源是按照共性要求提供的，而不同學校、不同教師的情況存在差異，學生基礎、教學目標也不同，有必要對實驗資源改造后再利用;另一方面，課程改革的深入推進，不斷催生新的實驗資源，既包括新的內容，也包括新的形態，要使這些實驗資源適應教學一線的需求，也需要進行改造。實驗資源的改造利用可以從內容、形式、結構、組合等幾個方面展開。比如，統一購置的實驗視頻資源，有些內容比較長，一節課不可能全部播放，根據教學任務就可以截取一段，也可以通過截圖抓取相關圖片;有的實驗器材實驗效果不是很明顯，可以通過增加放大裝置滿足課堂環境下的實驗演示教學。實驗資源的改造利用，具有較強的創新性，需要教師發揮自身的聰明才智，找到最適宜的利用方式，解決課堂教學的容量限定和學生可接受的學習之間的矛盾，提高實驗資源的利用效率。

實驗資源的開發。開發實驗資源是提高實驗教學質量的非常重要的一種方式。實踐表明，教師具有較高的實驗資源開發能力，能夠促進學校實驗資源的建設，提升實驗資源的利用效益。

為了提高中小學實驗教師的教學能力，《意見》指出，“各地要對現有相關學科教師實驗教學能力進行分析研判，有針對性地制定培訓方案，納入教師培訓體系，列入‘國培計劃‘省培計劃，確保到2022年前完成教師實驗教學能力全員輪訓。”“各地各校要合理核定教師實驗教學工作量，把教師實驗教學能力、教學水平和教學實績作為相關學科教師職稱評聘、績效獎勵等的重要依據。”“師范院校要按照國家課程標準要求，把實驗教學能力列入師范類相應專業基本培養目標。各地要將實驗教學能力納入相關學科教師資格考試和教師招聘必備素質考查。”教師普遍希望創設寬松的實驗資源開發與利用環境，也希望參加更多的教科研活動以提高實驗資源開發能力。

更新實驗教學觀念，遵循實驗教學特點強化學生實踐操作

傳統的中小學實驗教學局限于師生課堂上的實驗，而大數據時代的實驗教學將線上與線下一并納入實驗教學，打破了傳統實驗教學的觀念，提供了當代實驗教學的一種新的理論構架。傳統的實驗教學教師占據了絕對的教學空間，大數據時代的實驗教學強調課程教學模式的變革，實驗教學為學生創設了親身參與實踐的情境，具有獲知、激趣、求真、循理、育德等教育功能。實驗的功能和探究性學習的特征決定了實驗必然是探究性學習的重要途徑，給學生留下了個性發展的空間。通過學生自主操作實驗，從而掌握物理、化學和生物等學科的知識原理，理解并記憶公式、定律、定理、化學方程式等，從而有效提高學生理化生學習成績。要提高中小學實驗教學質量，實驗教師必須更新教學觀念，積極參與實驗教學教研活動，遵循實驗教學特點強化學生實踐操作。正如《意見》指出，“學校要將實驗教學納入校本教研，積極組織相關學科教師開展實驗教學校本教研活動”。

在實驗教學中，教師要依據《意見》展開相關教學工作，讓學生在實驗過程中能夠體味到學習的樂趣，學習到新知識，全面深化實驗教學的意義。教師要遵循學科特點，豐富內容，改進方式;注重實效，強化學生實踐操作、情境體驗、探索求知、親身感悟和創新創造，著力提升學生的觀察能力、動手實踐能力、創造性思維能力和團隊合作能力，培育學生的興趣愛好、創新精神、科學素養和意志品質。教師要積極推動學生開展研究型、任務型、項目化、問題式、合作式學習。教師要建議學校向學生開放實驗室，方便學生利用課余時間，以獨立或小組合作方式開展實驗探究。