初中科學教學中數字化實驗的實踐研究

摘要：在初中科學教學中，將數字化實驗引入其中，實現信息技術與科學教學的有機融合，能夠改變科學課程的固有教學觀念，有利于突破教學重點，推動教學變革。基于此，本文介紹了數字化實驗的含義、特點，分析現階段初中科學教學中數字化實驗的應用現狀，指出數字化實驗對于提升課堂教學效果，實現課堂教學的提質增效，激發學生的科學學習興趣都有著重要意義。最后，就推進初中科學教學的數字化實驗提出相應的策略，希望為相關人員提供參考。

關鍵詞：初中科學；數字化實驗；現狀

一、引言

科學是一門以實驗為基礎的課程，其中大部分科學規律、科學知識均需要通過實驗演繹。結合數字化實驗平臺，能夠方便學生準確地觀察實驗現象，也能夠指導學生更深入透徹地理解科學規律[1]。數字化實驗在初中科學教學中的應用，能夠突破實驗教學時間、空間的限制，對于培養學生的創新意識，提高學生的實踐能力，培育學生的核心素養具有重要意義。

二、數字化實驗的含義與特點

（一）數字化實驗的含義

數字化實驗是信息技術與傳統實驗方法相結合的實驗，利用傳感器系統和各種硬件軟件設備，能夠更好地實現集物理測量、自動控制、數據記錄、智能化數據分析、結果展示等多功能于一體。在使用數字化實驗系統時，配合各類傳感器，能夠靈活檢測、科學探究實驗的數據信息，能夠將實驗信息轉化為數字形式，并且通過手動或自動的方式，完成對實驗過程、實驗結果的實時顯示、實時記錄[2]。

（二）數字化實驗的設備內容

從數字化實驗設施構建分析，包括傳感器、數據采集器、實驗儀器以及計算機處理系統。其中，傳感器是數字化實驗的核心部件，傳感器能夠感知各項數據，能夠準確捕捉被測量物品的特點、規律，并且能夠轉換為可輸出的信號，而數據采集器是將傳感器與計算機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，而計算機則能夠起到展示圖形圖表的作用。數字化實驗是結合了傳感器計算機和傳統實驗儀器的實驗形式，體現其對傳統實驗方法的更新與優化，能夠以更加嚴謹規范的數據處理形式，提升實驗效率和實驗質量。

（三）數字化實驗在初中科學教學中的應用特點

1.直觀呈現實驗過程

在初中科學教學中引入數字化實驗，能夠直觀呈現實驗過程，能夠精準、全面地反映實驗過程中的變量信息。例如，教師結合測定土壤浸出液pH值實驗中。教師引入數字化設備開展數字化實驗探索借助數字技術，配合pH傳感器檢測功能，能夠精準記錄pH檢測結果。與傳統實驗形式相比，數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果的嚴謹性和可信性[4]。

2.精準記錄實驗數據

初中生物教學中，部分實驗由于反應變化過于細微，僅靠肉眼觀測難以精準捕捉。而結合數字化實驗系統，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實驗中，以往教師大多數結合紅磷燃燒法，帶領學生粗略測出空氣中的氧氣所含的體積分數。但這種實驗方式得出的結果較粗略，難以檢測室內、室外氧氣含量的微弱差別。而引入數字化實驗系統，結合DIS氧氣傳感器，能夠精準捕捉室內外氧氣含量的細微差異，也能夠抓住轉瞬即逝的實驗現象。這能夠幫助學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，依托數字化實驗系統師生，能夠更全面地了解實驗過程中的關鍵細節，也能夠配合數字技術的實時記錄、儲存功能，再現實驗中的瞬態現象。這能夠更好地提升科學實驗的直觀性，也能夠幫助學生加強對科學現象和科學規律的深刻認識。

3.智能處理實驗過程

在初中科學教學中，實驗教學能夠提升學生的學習興趣，但考慮部分實驗的安全和穩定，在以往教學中，教師難以帶領學生完成實操。而借助數字化實驗則能夠顯著增強觀察效果，能夠提升實驗的全面性，也能夠結合數字系統，智能處理實驗過程。例如，教師在帶領學生完成探究鹽酸與氫氧化鈉的中和反應實驗過程中，以往的實驗形式只能依靠pH試紙的顏色變化判斷反應中物質酸堿度變化，這種檢驗結果較粗略，學生對于實驗過程的把握不夠精準。而借助數字化實驗依托溫度傳感器和pH傳感器，使學生能夠更清晰準確地了解反應過程中溶液pH值變化，尤其能夠捕捉各階段的微弱反應，能夠提升實驗過程的可視化程度，也能夠進一步提升實驗教學效果[5]。

三、初中科學教學中數字化實驗的現狀

（一）初中科學教學中數字化實驗的優點

1.有利于激發學生的科學學習興趣

在當前素質教育背景下，推進數字化實驗系統在初中科學課程中的應用，能夠更好地提高初中生的探究熱情和實驗積極性。數字化實驗與初中生的認知基礎、學習要求相吻合，將其引入進科學教學中，能夠大幅度提高學生的學習興趣。傳統的實驗教學方法處理流程繁瑣，而且部分實驗現象并不明顯，實驗整體可信度不高，造成學生練習實驗時，大多數完全按照教師的指令照搬照套。其間，學生缺乏獨立思考意識，缺乏創新創造能力。而數字化實驗則能夠突破這一瓶頸，結合信息化技術，使學生能夠獲取實驗過程中的精準數據，也能夠使他們歸納總結出更加真實可信的實驗結論，對于增強學生的科學素養，提高學生的學習效果有著重要意義。

2.有利于促進科學課程提質增效

數字化實驗系統實現了將傳統實驗過程與信息技術的有機融合，拓展了實驗教學的形式和路徑，也突破了實驗教學的時間及空間限制，意味著教師在課堂教學中實現“邊講解、邊實驗、邊分析”成為可能。數字化實驗系統在初中科學課程中的應用，帶動了課程教學模式的改革，使初中科學課程從以往教師講解為主的教學模式，轉向師生互動、生生互動、人機協作的多主體交流互動模式，進一步實現了科學課程的提質增效。

3.有利于培養學生的科學學科素養

依托數字化實驗系統，使學生能夠精準處理實驗信息、快速測量實驗數據，能夠使原本在課堂上無法完成的實驗成為可能，豐富了課堂教學內容，拓展了課堂教學形式，也便于學生結合實驗數據實驗過程，加強與同伴的互動交流。這有利于鍛煉學生的實驗素養，提高學生的綜合應用能力，培養學生的團隊精神。

（二）初中科學教學中數字化實驗的不足

雖然數字化實驗在科學課程中的應用，豐富了科學教學手段，拓展了教學路徑。但在教學實踐中，教師也要注意平衡課程教學與數字化實驗之間的關系。以往在科學實驗中，受時間、設備、學生基礎、課堂表現等多種因素影響，教師實施科學實驗的機會較少。而數字化實驗系統的引入，則能夠更好地結合信息技術，帶領學生在動手操作、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與理論教學的內容安排。

初中生雖然具備基礎的計算機操作能力，但操作能力有限。在使用數字化實驗系統時，教師要做好監督監管，詳細介紹實驗裝備和實驗連接中的注意事項，以及計算機操作的注意事項，要最大程度上確保實驗教學切實有效。

四、初中科學教學中數字化實驗的實踐策略

（一）應用數字化實驗，提升課堂導入效果

初中科學課程涉及許多開放性、探究性活動，將科學教學與數字化實驗系統相結合，能夠提升教學內容的趣味性、豐富性，也能夠進一步增強科學教學的便捷性。對此，教師需要結合數字化實驗，開展趣味的教學導入，能夠激發學生的學習主動性，能夠使學生更全面地投入于實踐中。因此，教師要做好準備工作，優化選擇學科資源，精心挑選實驗材料。此外，教師需要結合初中科學課程內容選擇與其配套的實驗項目，并且要確保實驗教學與理論教學緊密聯系。通過實驗教學，幫助學生鞏固和深化對科學概念、科學現象的認識，教師可以結合虛擬實驗室平臺，結合虛擬實驗室系統的交互性、功能性優勢，為學生介紹包括生物、化學、物理等多學科的實驗現象。依托模擬實驗，提升學生的課堂參與度，提振學生的學習動力。例如，教師可以在課前結合數字化顯微鏡，結合細胞標本，為學生展示顯微鏡下的景象。通過調節數字顯微鏡的放大倍數，使學生能夠更直觀地觀察植物細胞的不同狀態，能夠使學生快速集中注意力，也能夠使學生更直觀深刻地感知微觀世界的奇妙，有利于提高學生的課堂參與度。

（二）應用數字化實驗，細化實驗操作方法

在初中科學教學中引入數字化實驗設備，需要教師結合數字化教學要求為學生講解實驗操作方法。例如，教師可以結合希沃白板帶領學生結合電路實驗，了解電路連接知識，確保在后續實驗交流中，學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，能夠為學生完成后續實驗任務奠定基礎。同時，教師也可以結合希沃白板從多角度為學生展示科學實驗的實驗過程、實驗步驟，配合放大、放慢等操作，學生能夠更全面地掌握實驗操作方法，也能夠為學生后續的高質量實驗探索奠定基礎。

（三）應用數字化實驗，打造初中翻轉課堂

借助數字化設備開展初中科學實驗教學，需要教師堅持學生的主體地位，積極打造翻轉課堂。例如，講解浮力時，教師可以在實驗開始前為學生布置預習任務，要求學生課前搜集浮力的基礎知識，結合課前預習材料，提前對本節課有基礎的認識。教師可以為學生開放數字化實驗平臺，學生可以在課下結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，觀察不同狀態下浮力的變化。這能夠使學生更直觀地了解阿基米德原理。期間，學生也要記錄自己在虛擬實驗室中的觀察數據、觀察結果，這能夠為后續課堂討論奠定基礎。在課堂教學上，教師結合本節課的教學重點，帶領學生共同進行實驗展示，然后組織學生開展互動答疑。對學生在前期預習環節面臨的問題和困惑進行集中講解。最后，教師組織學生結合數字化實驗，結合具體的實驗報告，挑選其中的典型問題進行剖析，這能夠讓學生更直觀了解浮力產生的原因，也能夠感受浮力在生活中的應用范圍。同時，教師可以組織學生以小組為單位開展討論交流，在協作中解決問題提升能力。

（四）應用數字化實驗，支持跨學科實驗聯動

借助數字化實驗系統教師不僅能夠結合科學學科開實課堂施教學，還能夠更好地實現跨學科聯動。數字化實驗系統進一步融合了傳統實驗的優點，能夠更合理地安排實驗，也能實現演示實驗與操作實驗的有機結合，實現課內實驗與課外拓展的結合。例如，教師可以結合虛擬實驗平臺，帶領學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進行則會存在較大的安全隱患，而結合線上平臺，結合虛擬實驗室，能夠彌補實體實驗的不足。同時，教師還可以在虛擬環境中組織學生實施多種類型的實驗探討，這能夠為初中科學實驗開辟全新的可能，能夠進一步實現跨學科聯動，有利于提升實驗教學的靈活性、安全性，也能夠顯著激發學生的學習興趣，提高他們的探究能力。

（五）應用數字化實驗，輔助學生個性化學習

數字化實驗具有快速且自動測量的優勢，能夠縮短實驗過程中的數據處理時間，進一步提升了初中科學實驗教學效率，能夠大幅度節省課堂時間。因此，教師可以結合數字化實驗系統，為學生提供自主探究、合作交流的平臺。而學生也可以結合本節課的基礎知識，結合興趣提出他們感興趣的實驗項目，并完成自主練習，既能夠鍛煉學生的創新意識，也能夠進一步提高學生的實踐能力，有利于輔助學生的個性化學習。

五、結束語

在初中科學教學中結合數字化實驗，能夠提升學生的學習積極性，能夠更好地改變教學模式，創新教學路徑，提高學生學習的自主性、能動性、創造性，具有重要的應用價值。未來，在初中科學實驗中還要進一步引入數字化實驗設備，做好普及與推廣，使更多的學生能夠借助數字化實驗平臺在思考交流中提升能力、增強本領、生成科學精神。

作者單位：陳曉嵐 上海市嘉定區教育學院

參考文獻

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[4]蔡輝舞，洪茲田，孫美琪.指向科學思維培養的化學可視化教學策略——數字化實驗視角[J].實驗教學與儀器，2024，41（05）：6-10.

[5]陳航洋.基于數字化科學實驗的科學素養評測設計[D].東南大學，2022.