數字化學習實驗設計的思維邏輯

王潤琪

編者按：目前，所有中小學新課程都以“核心素養”為理念。核心素養條目較多，與具體學科知識有一定的差異，又有學科核心素養等概念，一線教師可能會很難一下子適應。本期解碼，我們結合數字化學習實驗設計和高中信息技術新教材即將采用的Python語言，共同探討學科核心素養如何在學習實踐中落地。

當數字化浪潮勢不可擋地涌入世界的每個角落，滲入到生活和學習的方方面面時，教師必須要關注如何有效地利用這些水花映射出世界的模樣。現在，隨著新的課程標準大力提倡數字化學習與創新，教師顯然不能還停留在以往數字現實的反射作用階段，而應深入到學習本質與數字化實驗的深度融合中去，由此邁向STEM、項目學習等新道路，達成數字化原住民應該具有的數字化學習與創新的思維邏輯。

運用開放型數字化學習平臺超出軟件模擬的意義在于經歷思維邏輯的過程

利用數字化模擬電流之類的觀察實驗，難以使人理解和掌控抽象事物的本質。數字化實驗就像一面鏡子，能讓大家看到事物的現象，或者將虛擬世界展現在眼前，卻并不太深入其內在的邏輯。當然，我也經常利用技術直觀體現復雜的具象事物，如通過一臺運轉的電動機來觀察它的原理與過程，此時數字化模擬的電動機模型就是將那不銹鋼外殼溶化后留下的最直觀真實的核心骨架，于是學習變得簡單明晰起來。

而如今，局限于對已知世界的解釋和學習的過程，無疑是偏狹而淺顯的，因為沒有自己的思維，所以會阻礙創新的形成。而在此基礎上，利用數字化技術進行研究和探索新的事物，把基于數字技術的思維與科學實驗的學科思維結合起來，才是數字化學習的應有邏輯思維，也是其本質意義。

數字化技術趨向開放，給學習留有了更多的空間，使學習者更容易將技術與學科問題相結合。這實質上是基于計算思維的一種問題解決方式，這樣一種深入的數字化實驗設計，只讓科學思維與計算思維相互交融，其學習狀態及價值取向才是深刻的。當然，隨著智能技術、模式識別技術等新技術的發展，數字化實驗的開放性會越來越高，利用者會越來越深入地研究學科問題，從而減少對技術方法的刻意研究，讓技術與科學的思維邏輯趨向融合。其間，使用者會發現所用數字化技術的優勢與不足，由此也會促進學習者對技術的創新意識和創新行動，這是數字化學習過程對數字化技術創新的一種思維反哺。

實例分析如何進行基于數字化學習的實驗設計

下面我以一個模擬小白鼠心血管系統（Rat Cardiovascular System）的軟件Ratcvs為例，來探討一下數字化學習下的實驗設計方法。這個實驗過程是有層次和遞進的，先觀察一種藥物對小白鼠心血管系統的影響，再通過兩種不同藥物的疊加，觀察總結藥物的不同作用。

1.實驗一：一種藥物的實驗

①選擇實驗對象。為了排除中樞神經的影響，在preparation選擇框中選擇“Pithed rat（毀腦脊髓小白鼠）”作為實驗對象。

②各項心血管指標。點擊“start”按鈕，開始記錄小白鼠的各項心血管指標：動脈血壓（ABP）、左心室壓（LVP）、靜脈血壓（VBP）、心收縮力（HF）、心率（HR）。

鼠標指針移向圖形即可顯示數據。

其中，在一個周期中，動脈血壓的最高值即為收縮壓（Systolic ABP），最低值即為舒張壓（Diastolic ABP）。

③記錄加藥前數據。測量無藥物注入時小白鼠的動脈收縮壓、舒張壓，以及心率并記錄數據作為對照，填入表格內。

④記錄加藥后數據。從“standard drug（標準藥物）”菜單中，選擇去甲腎上腺素（Noradrenaline 10ug/kg）（注意：通過下拉列表選擇計量，輸入計量無效），執行“注射（Inject）”進入小白鼠體內，觀察各項指標的變化。

在效果最大時，移動“+”光標，觀察并記錄此時小白鼠動的脈收縮壓、舒張壓，以及心率并記錄數據，填入表格內。

對比計算加藥前后指標的變化量，且將計算結果填入表1。

2.實驗二：更換實驗對象，進行實驗

①選擇新實驗對象。從文件（file）中選擇一只新的小白鼠（New Rat），在preparation中選擇毀腦脊髓小白鼠（Pithed rat）作為實驗對象。

②記錄加藥前數據。點擊開始（start），測量無藥物注入時小白鼠的動脈收縮壓、舒張壓，以及心率并記錄數據作為對照，填入表格內。

③記錄加藥后數據。從標準藥物（standard drug）選項中選擇哌唑嗪（Prazosin 0.5mg/kg）注射（Inject）進入小白鼠體內，然后再注射（Inject）甲腎上腺素（Noradrenaline 10ug/kg）。如左圖，觀察各項指標的變化，等效果最大時記錄此時小白鼠的動脈收縮壓、舒張壓，以及心率并記錄數據，填入表格內。

對比計算加藥前后指標的變化，且將計算結果填入上頁表2。

3.分析實驗結論

去甲腎上腺素（Noradrenaline）是α/β腎上腺素受體激動劑，它對α和β受體都起到刺激作用，且當其中一種受體被抑制時，去甲腎上腺素對另一種受體的刺激作用會稍有增強。其中，α受體主導血管平滑肌收縮，引起血壓升高，而β受體則主導心率升高和心收縮力增強。受體激動劑的作用是激活受體，受體拮抗劑的作用是“封印”受體，抑制受體被激活。

結合給出的信息和前面的實驗數據判斷：

①推斷注射哌唑嗪（prazosin）后再注射去甲腎上腺素（Noradr-enaline）的情況與只注射去甲腎上腺素的情況相比，血壓和心率指標的變化是（ ）

A.血壓升高，心率稍微加快

B.血壓降低，心率稍微加快

C.血壓升高，心率稍微減緩

D.血壓降低，心率稍微減緩

②推斷哌唑嗪對α或β腎上腺素受體的作用是（ ）。

A.α和β拮抗劑

B.β拮抗劑

C.α拮抗劑

D.β激動劑

運用計算思維與科學思維的交融達成數字化學習目的

數字化技術平臺可以有效地將數字化技術手段和學科專業學習的目的結合在一起，相輔相成地提供直觀而高效的學習和研究方法。例如，以上實驗軟件就為藥物的藥理學習和研究提供了一個數字化技術平臺。

第一，作為一個虛擬而精確的實驗模擬軟件，在這里進行的實驗操作能有效避免外部條件的不穩定因素帶來的干擾和誤差。例如，藥物試劑的濃度在實際配制時的不準確性，小白鼠健康狀況的不確定性，甚至實驗器材清洗不干凈等，都會造成實驗結果的誤差甚至錯誤。而這個數字化實驗平臺則能省去煩瑣的實際實驗步驟在這期間產生的大大小小的誤差，將藥物對小白鼠心血管系統各項指標產生的作用以波動線的形式直觀而即時地表現出來。雖然，數字化技術平臺存在的局限性和非生物性使它不能取代真實的動物實驗，但它提供的數據卻可以作為實際實驗的參考。如在加藥前先利用這個軟件測出一個有效的劑量范圍，這樣在數字化平臺上進行的即時性的預實驗可以大大降低實驗的盲目性，從而有效減少實驗進程中時間、精力和財力的浪費，對科學研究無疑是很好的助力。因此，相比通過實驗室的真實實驗，這顯然提供了更加高效清晰的學習方法，也為真實實驗的進行打下了模擬過程、掌握原理、提高技術與策略的基礎。

第二，基于這個數字化模擬實驗平臺，通過設計一步步遞進疊加的實驗方法來探究不同藥物對心血管系統的作用。首先，是對比毀腦脊髓小白鼠（避免中樞神經系統的干擾）在不加藥狀態下和注射激動劑去甲腎上腺素后的各項心血管指標的不同；其次，進一步對比毀腦脊髓小白鼠在不加藥狀態下和注射拮抗劑哌唑嗪及激動劑去甲腎上腺素后各項心血管指標的差異；最后，通過觀察注射哌唑嗪后再注射去甲腎上腺素的情況與只注射去甲腎上腺素的情況相比血壓和心率指標的變化，思考哌唑嗪的作用，分析結論。這就是利用這個軟件探索和研究藥物對心血管系統作用的實驗方法。比較真實實驗，可以嘗試更多的藥物、劑量、過程以讓實驗具有探索性，這對學習的創新意義重大。

可見，當專業化和數字化技術得以交融，使數字化的學習方法服務于專業化學習和研究時，教師需要培養學生的計算思維在數字化學習中的具體應用。對于數字化平臺，不能為了使用而使用，而是要真正地去探索和思考，不僅學習它表面所傳達的功能，更要積極利用數字化工具解決問題和研究新事物，形成符合數字時代的思維邏輯。由此，數字化技術的水花，不應該僅僅被當作看世界的鏡子，而應進一步加以應用，用它來培育新知識的美麗花朵和豐碩果實，這樣才能為數字化學習賦予探索發現的深度。