基于數(shù)字化科學實驗的校本課程建設(shè)

王渙文

為了加快教育信息化目標的實施進程，探索一條利用信息技術(shù)創(chuàng)新課程的新路子，上海市洋涇—菊園實驗學校選擇了九年一貫制科學實驗課程，開展了實驗教學改革的探索。為什么要選擇實驗教學？因為實驗教學是中小學實施科學實驗課程目標的重要組成部分，它對于培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，提升學生的自主探究能力、動手操作能力、觀察分析能力、數(shù)據(jù)處理能力等有著重要的意義。但是，學校現(xiàn)有的科學實驗室信息化、數(shù)字化、智能化程度較低，實驗教學基本上僅能滿足“觀察”和“驗證”的需要，不能真正滿足培養(yǎng)學生想象力、創(chuàng)造力和實踐能力的需要。所以，學校選擇科學實驗課程，開展了基于數(shù)字化實驗的九年一貫制科學實驗校本課程建設(shè)的研究。

學校數(shù)字化實驗裝備

學校數(shù)字化實驗系統(tǒng)是由理科實驗室和信息技術(shù)、傳感器技術(shù)相融合而成。它分為理科實驗裝置、傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機應用軟件四部分。它是一種能夠定量采集數(shù)據(jù)，并以圖表的形式清晰、明確地呈現(xiàn)出來的新型實驗技術(shù)手段。

（1）理科實驗裝置。理科實驗裝置用于學生的科學實驗教學。

（2）傳感器。傳感器負責理科實驗裝置實驗量的采集，形成模擬電信號。

（3）數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器負責把傳感器的模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并與計算機進行通信。

（4）計算機及應用軟件。計算機及應用軟件負責數(shù)據(jù)信號的顯示、處理與分析等。

與傳統(tǒng)實驗相比，數(shù)字化實驗有如下特點。

（1）直觀、實時。數(shù)字化實驗可以實時動態(tài)地呈現(xiàn)實驗過程的變化，可根據(jù)實驗需要，將實驗數(shù)據(jù)以圖表或曲線的形式呈現(xiàn)，學生能夠清晰、直觀地觀察到實驗的變化，提高其分析問題、解釋現(xiàn)象、找出規(guī)律、得出結(jié)論的能力，從而為學生開展科學探究提供技術(shù)支撐。

（2）便攜、綠色。數(shù)字化實驗儀器的體積一般都比較小，便于攜帶和操作，使用時不受時間、地點的限制，能夠滿足學生對于學習和生活中的科學問題的探究欲，彌補了傳統(tǒng)實驗的不足。數(shù)字化實驗一般藥品用量少，滿足可測量、能顯示相關(guān)變量的數(shù)字和曲線即可。

（3）綜合、兼容。在數(shù)字化實驗中，根據(jù)要求可以連接多個傳感器，并可以同時對不同的數(shù)據(jù)進行分析。也可以連接TI圖形計算器、樂高單片機等智能控制終端，實現(xiàn)實驗變量的更精細化控制，學生可以從多個角度綜合地了解科學實驗，從而極大地拓展了課程內(nèi)容，有利于各學科之間的融會貫通。

基于數(shù)字化實驗的校本課程建設(shè)

有了數(shù)字化實驗室還必須要有與之配套的課程。學校按照科學實驗課程設(shè)置要求，從實驗教學目標、實驗教學內(nèi)容、實驗教學方式和實驗教學資源等多個層面、多個角度、多個途徑開展了科學實驗校本課程建設(shè)。

1.數(shù)字化實驗校本課程的基本框架

根據(jù)九年一貫制學校的特點，學校打破學科之間的界限，將九年間各學科的實驗教學進行了梳理和分類，將科學實驗校本課程設(shè)置（表1）為啟心、啟智、啟新、啟航四個學段。

2.數(shù)字化實驗校本課程的特點

（1）關(guān)注學科交叉融合，培養(yǎng)學生綜合能力。學科交叉是不同學科之間相互交叉、融合。它強調(diào)知識跨學科，學習場景多元，教學綜合化、實踐化、活動化，課程回歸生活、回歸社會、回歸自然。學科交叉融合是未來科學發(fā)展的必然趨勢，是加速科技創(chuàng)新的重要驅(qū)動力。

學校數(shù)字化實驗校本課程針對不同學段的實驗教學目的，關(guān)注學科交叉融合，體現(xiàn)出育人為本、素養(yǎng)為核、情境為場、問題為綱、技術(shù)為翼等價值取向和發(fā)展趨勢。通過課程實施引導學生跨學科發(fā)展和提高，培養(yǎng)學生的綜合素養(yǎng)。

（2）重視實驗資源整合，提高實驗教學效益。學校數(shù)字化實驗校本課程充分運用理科實驗室資源，通過直接利用、改造利用、共建共用等形式，保障實驗資源對實驗教學的支持和服務(wù)。同時通過與高校、高新企業(yè)、科普基地、科普扶智等合作項目，整合校內(nèi)外實驗教學資源，拓寬實驗教學邊界。

學校數(shù)字化實驗校本課程積極開展基于數(shù)字化實驗的觀察、觀測、模擬、體驗、設(shè)計、編程、制作、加工、飼養(yǎng)、種植、參觀、調(diào)查等科學實驗教學活動，讓學生體驗基于信息技術(shù)和傳感器技術(shù)的創(chuàng)新實驗課堂，切實增強實驗教學的趣味性和吸引力，提高實驗教學的質(zhì)量和效果。

（3）開放實驗教學管理，發(fā)揮學生主體作用?？茖W實驗教學的主體是學生，為真正發(fā)揮學生主體作用，學校數(shù)字化實驗室管理變封閉管理為開放管理，讓學生自主、自由地開展科學實驗。

為此，學校數(shù)字化實驗校本課程開發(fā)了開放式管理平臺。該平臺有“裝備查詢”“項目申報”“項目成員”“裝備借用”“成果展示”五大模塊。學生可以在平臺上查詢數(shù)字化實驗室實驗器材、器材功能和使用方法。然后，根據(jù)需要提出項目申請。經(jīng)過項目審核團隊批準的實驗項目組同學可以在項目實施期間刷臉進出數(shù)字化實驗室，掃碼借用實驗裝備。完成項目研究后在平臺上提交實驗報告。

數(shù)字化實驗校本課程的實施成效

隨著數(shù)字化實驗校本課程的深化實施，信息技術(shù)、傳感器技術(shù)與課程融合的優(yōu)勢越來越強，實驗教學方法改革的成效越來越大。

1.通過數(shù)字化實驗解決課時矛盾

科學實驗中好多實驗項目需要學生長時間觀測和記錄事物發(fā)生的變化。傳統(tǒng)實驗教學中教師為完成教學任務(wù)，往往縮短學生觀測事物變化的時間，直接提供事物變化前后的數(shù)據(jù)或結(jié)果。這樣的實驗，學生缺乏完整的探究體驗，科學實驗的興趣受到抑制，實踐動手的能力得不到提高。

數(shù)字化實驗應用信息技術(shù)能完整記錄、保存、分析、再現(xiàn)事物變化的數(shù)據(jù)。應用這些數(shù)據(jù)，能合理地縮短實驗教學時間，有效解決課時矛盾。

如“探究綠色植物光合作用的條件”實驗項目，需要對綠色植物暗處理3天后進行強光照射，再用水浴加熱后的酒精溶解葉綠素，過程復雜、耗時較長，可能會因加熱不當造成實驗失敗。項目組老師應用TI（Texas Instruments）數(shù)字信號處理及模擬技術(shù)和圖形計算器技術(shù)建立了智能溫室。通過信息技術(shù)及時有效地探測綠色植物光合作用和呼吸作用過程中二氧化碳、氧氣、水分、溫度、光照度的變化。同時將實驗現(xiàn)象顯性化，以圖表和圖像的形式呈現(xiàn)出來。實驗教學中，學生通過分析系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)，理解光合作用、呼吸作用的條件和反應原理，取得了較好的實驗教學效益。

2.通過數(shù)字化實驗豐富學習體驗

數(shù)字化實驗能改變學生機械地照著書本做實驗的局面，讓學生以數(shù)字化實驗裝備為工具，開展創(chuàng)新性、綜合性、開發(fā)性的實驗活動。數(shù)字化實驗教學能充分發(fā)揮學生的主體作用，通過對程序指令、數(shù)據(jù)、圖形等的處理和分析，增進對科學現(xiàn)象和原理本質(zhì)的認識，提高分析問題、解決問題的方法和能力，最大限度地豐富學生的學習體驗。

如“基于傳感器的氣壓與噴泉實驗”項目，教師指導學生利用Vernier壓強傳感器、TI圖形計算器、TI創(chuàng)新者系統(tǒng)等數(shù)字化技術(shù)對“氨氣噴泉實驗”“化學燈塔實驗”中壓強的變化進行實時監(jiān)測，實驗方案留出了學生學習的空間，鼓勵學生創(chuàng)造性地應用數(shù)字化實驗裝備。教學中好多學生在數(shù)據(jù)輸出設(shè)計上體現(xiàn)了創(chuàng)造性和趣味性，當實驗中壓強為98千帕時，背景燈自動打開;當壓強為90千帕時，花朵自動打開。整個實驗過程，將氨氣的水溶性、氨水呈堿性、化學振蕩反應、智能控制技術(shù)集于一體，實驗效果明顯，學生的實驗體驗得到了豐富。

3.通過數(shù)字化實驗轉(zhuǎn)變學習方式

學校數(shù)字化實驗室對學生實行開放管理后，極大地調(diào)動了學生自主學習、自主探究的積極性。學生們根據(jù)自己的興趣、愛好和特長，積極尋找學習和生活中的問題，然后設(shè)計成科學實驗項目，向?qū)W校數(shù)字化實驗團隊申報，經(jīng)過學校審核批準就能自主開展數(shù)字化實驗。

一年來，學校共收到了近百份包含自然、生活、科學等方面的探究實驗申報書，絕大部分的申報得到了數(shù)字化實驗審核團隊的認可。數(shù)字化實驗促進了學生學習方式的轉(zhuǎn)變。

例如，在教師的指導下，學生們開展了“防紫外線玻璃真的防紫外線嗎”項目的探究。學生們在數(shù)字化實驗室上網(wǎng)查詢了什么是紫外線，知道了日常生活中太陽光對人體皮膚的傷害主要來自于紫外線A（即UVA）與紫外線B（即UVB）。但適量的日曬，UVB能幫助人體合成維生素D，對身體有益。

學生們設(shè)計了實驗方案：實驗地點選在學校教師停車場內(nèi)，時間定在晴朗天氣的中午，分別選一輛有防紫外線玻璃和一輛沒有防紫外線玻璃且車窗沒有貼膜的小汽車做檢測樣本。

經(jīng)過數(shù)據(jù)比對，學生們得出實驗結(jié)果：防紫外線玻璃能有效阻擋UVA和UVB，普通玻璃對于UVA有部分阻擋作用，但能有效阻擋絕大部分的UVB。

通過實驗，學生了解了防紫外線玻璃確實能防紫外線，同時也額外收獲了隔著玻璃曬太陽不能補充維生素D的知識。

綜上所述，將信息技術(shù)、傳感器技術(shù)和科學實驗課程融合，開展基于數(shù)字化實驗的九年一貫制科學實驗校本課程的教學活動，是創(chuàng)新實驗課教學方式，培養(yǎng)學生想象力，激發(fā)學生求知欲，提升學生實踐能力和創(chuàng)新能力的有效途徑。

作者單位：上海市洋涇—菊園實驗學校