中學理化生數字化實驗系統及數字化實驗室建設研究

張彩雯 李懿 楊春東

摘 ?要 中學理化生數字化實驗系統能有效改進實驗教學方式方法，提升實驗教學效率和質量。對中學理化生數字化實驗系統及系統在課標、教材、配置標準中的應用情況進行介紹，研究分析理化生數字化實驗在實踐應用中的優勢，并給出數字化實驗室建設及裝備配備建議。

關鍵詞 理化生數字化實驗系統;數字化實驗室;實驗教學;核心素養

中圖分類號：G482 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2021）19-0004-07

0 ?前言

2019年11月，教育部發布《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》，對加強和改進實驗教學提出新要求，明確提出“拓展創新，不斷將科技前沿知識和最新技術成果融入實驗教學，豐富內容，改進方式”，同時強調“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”。數字化實驗系統作為現代科技的研發成果，在理科實驗教學中應用廣泛，能有效改進實驗教學方式方法、增強實驗教學效果，為推動實驗教學現代化、高質量發展提供技術支撐。

1 ?數字化實驗系統的概念

數字化實驗系統以傳感器技術和高速數字電路技術為基礎，由數據采集器、系列傳感器、配套實驗器材及教學軟件構成，在傳統實驗模型基礎上，以計算機（或其他具備計算機功能的手持設備）為終端，實現實驗數據的自動采集、快速傳輸、精確計算、多模呈現，實現中學理科實驗教學與信息技術的有機融合。運用數字化實驗系統，既能完成教材要求的數字化物理、化學、生物等各學科實驗，又能完成傳統實驗教學中無法完成或效果不理想的實驗，實現課程學習方式的多樣化，強化學生自主探究的能力，成為實驗教學重要的方法和手段。

2 ?課標、教材、配置標準中數字化實驗系統的應用情況

2.1 ?課程標準對數字化實驗系統的要求

《義務教育物理課程標準（2011年版）》對數字化實驗系統明確提出：“數字化實驗室在中學物理實驗中的應用越來越廣泛，有條件的學校可以利用這類儀器做一些用傳統儀器不易做或不能做的實驗”。

《普通高中物理課程標準（2017年版 2020年修訂）》也明確提出：“建議有條件的地區為學校專門創建數字化實驗室，或引進教師演示用的數字實驗系統。學校要重視引導教師研究數字實驗系統對傳統實驗的改進方法，研究數字實驗系統的教學方式，促進教學手段與方式的現代化”。

《普通高中化學課程標準（2017年版 2020年修訂）》指出：“化學教材應精心設計學生必做實驗，適當增加微型實驗、家庭小實驗、數字化實驗、定量實驗和創新實踐活動等”。

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

2.2 ?教材應用案例

以人教版初中物理教科書為例，教材中應用數字化實驗案例如表1所示，教材選用案例如圖1所示。這些實驗案例統一歸類為擴展性實驗，一方面向教師和學生展示新的實驗手段，鼓勵學校引入新技術、新裝備，提升實驗教學水平;另一方面考慮到不同地區的教育現狀有差異，并不強制所有學校去完成相關實驗，真正做到理念先導、技術優先、適度推進、兼顧各地。

2.3 ?配置標準

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

物理配置標準將數字化實驗系統定義為實驗室基礎器材，鼓勵學校和師生將其作為常用儀器設備使用，提高使用效率;化學和生物配置標準將數字化實驗系統定義為數字化探究實驗，培養學生動手實踐和自主探究能力。

規格、品名、教學性能要求和技術指標要求都以實現教學目標和滿足實驗需求為依據，科學設定各項參數。配備數量為1～13個或1～9個，兼顧教師演示實驗和學生分組實驗。配備要求為“選配”，充分考慮不同區域、不同學校的具體需求。“實踐活動建議”一欄重點列舉了拓展實驗和探究性實驗要求，對教學活動目標進行了明確的說明，為教師開展數字化實驗提供了科學參考。

3 ?數字化實驗的優勢

3.1 ?提升實驗教學質量和效率

3.1.1 ?數據精準穩定，實驗效果更明顯 ?傳感器相對于傳統儀器測量更方便、更準確。特別是對于中學理化生需要定量研究的規律，數字化實驗往往比傳統實驗更精準穩定，實驗效果更明顯。

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

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實驗儀器設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。在數字化實驗教學中會有更多的設計和組合方式，完成一些傳統實驗儀器無法完成的實驗，獲取傳統實驗無法直接獲取的數據，為開展科學探究提供更為優質的工具和方法。

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”等章節為例，雖然書中提到光合作用的概念，但學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，讓學生理解光合作用。而數字化實驗運用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，讓學生更直觀地理解光合作用的原料和產物。實驗設備及實驗數據如圖6所示。

3.1.3 ?數據處理便捷，提高實驗教學效率 ?數字化實驗儀器相較于傳統實驗儀器，具有高速測量、記錄、軟件計算等優勢，配套軟件可以輕松地將實驗數據以曲線、數字、儀表等形式呈現，大大縮短實驗操作時間和數據計算、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據需要約五分鐘，完成三組數據則需要約15分鐘。如果由學生進行分組實驗，并由教師對學生分組進行指導，則需要更多的時間。教師如要在一節課上由實驗代入并講解知識點，再簡單進行習題鞏固，很難按時完成教學任務;如果使用數字化實驗儀器設備，本實驗只需要三分鐘即可測量得到九組數據，并由軟件完成計算和繪圖，且非常穩定，便于更好地完成教學任務。

3.1.4 ?數據便于呈現，為教學提供便利 ?通過傳感器，可以直接將實驗數據轉化為數字信息。一方面通過配套軟件和電子數據傳輸設備，輕松實現對實驗數據的實時采集、傳輸和呈現，配合交互式一體機、交互式白板等設備，可以動態演示整個實驗過程，使課堂展現更直觀便捷;另一方面，實驗數據的數字化便于對實驗教學進行記錄和評價。

3.2 ?促進學生綜合能力的提升

3.2.1 ?器材新穎，更容易激發學生興趣 ?數字化實驗器材相對普通教具更新穎，從核心技術、外觀外形上更加符合當下的材料、工藝和技術。另一方面，以數字化實驗系統為技術支撐，通過創設學生積極參與、樂于探究、善于實驗、勤于思考的數字化實驗室[1]，更容易激發起學生的興趣，引導學生進行自主學習和探究。

3.2.2 ?數據精確，有利于更科學地探究規律 ?標準的探究，要求在基本理論知識的基礎上，假設物理量之間的關系，然后用實驗來驗證、修正或否定假設。相對現象和純驗證實驗，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成正比關系;但是作為探究實驗，需要得到多組W和v的數據，對比分析W和、v、v2、v3之間的關系。如果使用傳統的打點計時器很難得出同樣的結果，而且實際操作后，發現很難判斷W和v、v2、v3之間誰更像正比關系。這種情況下，數字化實驗可以快速準確地得出數據及規律，更具說服力，實驗結果如圖7所示。

3.2.3 ?體現時代需求，有利于培養學生的信息化素養和能力 ?傳感器作為現代科技發展所必需的基礎性元器件，不僅在日常生活中應用廣泛，在人工智能、大數據、物聯網等高精尖技術中也必不可少。將傳感器技術與實驗教學相結合，體現了教學與生活生產、現代社會及科技發展的聯系，反映了當代科技發展的成果和科學思想，有助于培養學生的信息化素養和能力。同時，數字化實驗為科學探究提供更為先進的工具和方式，幫助學生更輕松地理解科學本質，增強科學探究能力和解決實際問題的能力。

4 ?對理化生數字化實驗室建設及裝備配備的幾點建議

鑒于課程標準和教材對數字化實驗提出的要求，以及數字化實驗系統本身所具有的教學優勢，建議有條件的學校建設獨立的理化生數字化實驗室，并注重對實驗室內涵的建設，用數字化技術促進實驗教學和育人方式變革，滿足新時代對實驗教學高質量發展的新要求。具體提出以下幾點建議。

4.1 ?應體現學科核心素養要求

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

4.2 ?應體現實踐育人的理念

數字化實驗作為實驗教學的一種新形式、新方法，應充分體現實驗教學實踐育人的功能，在實驗教學中推動學生開展項目化、問題式、合作式學習，通過新穎有趣的數字化實驗儀器設備激發學生自主探究的興趣和愛好，提升學生觀察能力、實踐操作能力、創造性思維能力和團隊合作能力，實現對學生創新精神、科學素養和意志品質的培養。

為充分滿足教師教學方法的多樣性和學生的個性化學習，在對數字化實驗室進行裝備配置時應充分考慮不同學校、不同師生對數字化儀器設備種類、數量和規格型號的不同需求，“以人為本”開展實驗室裝備建設和管理工作，最大限度地發揮數字化實驗室實踐育人的功能。

4.3 ?應注重傳統教學與數字化實驗有機融合

要正確認識數字化實驗在教育教學中的功能與作用，并充分考慮學生、師資、管理機制等因素的影響，科學地開展數字化實驗教學，促進傳統教學與數字化實驗有機融合。要鼓勵教師利用數字化實驗創新實驗教學方式，豐富教學內容，增強實驗教學趣味性，不斷提高實驗教學的效率和質量;要完善實驗室管理體制機制，向學生開放實驗室，鼓勵學生利用課余時間開展實驗探究;要科學設計實驗活動，利用數字化實驗設備便于攜帶、操作簡單的特點，鼓勵學生開展校外的、與生活實踐緊密聯系的探究活動。此外，可以定期舉辦相關數字化實驗比賽，以賽促學、以賽促用。

4.4 ?開展數字化實驗相關培訓

為深化數字化實驗室在教學中的應用，建議對學校教師開展相關培訓，旨在提高參培教師對教育教學新思想、新理念、新技術、新方法的認識，能科學應用創新實驗室開展教學活動，提升實驗教學能力，同時發揮示范引領作用，整體提升學校實驗教學水平。培訓可以采取專家理論指導、教師說課分享和實操培訓相結合的方式開展。通過以上培訓，打破師資因素對數字化實驗教學的束縛，充分釋放數字化實驗教學的活力。

參考文獻

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