運用數字化實驗技術開展理化生實驗教學的實踐研究

馬育國

摘 要：技術的革新對于研究進展的突破往往起到關鍵作用。通過將數字化實驗技術運用于高中理化生的實驗教學，不僅可以激發學生興趣及參與度，還能夠拓展學生的探究空間，培養學生的科學思維和科學探究精神，提供實驗教學的效率，真正推動實驗教學的發展。

關鍵詞：數字化技術;理化生實驗;核心素養

數字化實驗是基于現代信息技術、傳感器技術、數據采集、智能控制等來進行實驗的技術系統，相對于傳統實驗方式來說，數字化實驗更加精巧精確，在實驗數據的采集、測量和歸納上有著技術上的優勢，在理化生的實驗教學與科學實踐中發揮了重要作用。筆者結合我校市級規劃課題，進行了一系列運用數字化實驗技術開展理化生實驗教學的實踐研究，取得了一定的成效。

1.數字化實驗技術在理化生實驗教學中的優勢

物理、化學、生物都是以實驗為基礎的自然科學，實驗教學在教學中具有舉足輕重的作用，通過將數字化實驗技術引入理科探究實驗教學，拓展實驗探究的實踐和實驗結果的分析，一定程度上改善了實驗教學的實效。利用數字化實驗技術開展實驗教學在提升學生的實驗探究興趣，培養學生的理科科學思維和開展科學探究的能力中發揮了一定的作用。

1.1創設實驗教學情景，激發學生探究欲望

愛因斯坦說過：興趣是最好的老師。它可激發人的創造熱情、好奇心和求知欲。在理科實驗教學中，利用數字化實驗技術的直觀性創設實驗教學情景，可以激發學生的探究欲望，為實驗教學高質量的開展奠定基礎。例如，課題研究中一位物理老師在上《電磁感應現象》時，利用錄音機、線圈、磁鐵和振動膜組成的“揚聲器”播放音樂，同時利用聲波傳感器測得電磁裝置振動時的聲波圖，引導學生回顧電流能夠產生磁場的物理概念，在感觀認知中進一步思考磁和電的關系，激發學生進一步學習探究的興趣。

1.2直觀實驗過程和結果，突破實驗教學難點

在傳統實驗教學中，受到觀察或測定裝置的限制，導致記錄數據不夠真實準確，教師不能及時全面的檢測同學們的實驗情況，傳統實驗所記錄、分析的數據也無法全面滿足當前的中學理科實驗探究需要。但數字化實驗技術的引入，實現了對實驗數據的數字化分析、整合和管理，為定量、微觀、宏觀的探究實驗操作提供了便利。再加上數字化實驗曲線呈現的結果非常直觀，操作簡便、靈活、減少了繁瑣的計算，大大簡化了課堂教學程序，實驗過程的電腦呈現及截圖功能，不但給予學生更真切直觀的實驗體驗，也有助于教師較快速準確的了解學生的實驗情況，突破實驗教學的重難點，切實強化中學理科實驗的直觀性、可分析性、科學性，培養了科學探究意識和數據分析能力。如課題組的一位化學老師進行《強電解質和弱電解質》這一高中化學教學難點的教學時，借助數字化實驗技術，使用電導率傳感器、數據采集器及電腦測量相同濃度不同溶液的電導率變化并進行數據收集、整理及分析，使學生在實驗體驗中通過電導率的大小判斷強電解質、弱電解質及非電解質，得出結論：在相同溫度和相同濃度條件下，強電解質在溶液中完全電離，離子濃度大，電導率大，弱電解質部分電離，離子濃度小，電離度小。利用傳感器技術改進課本實驗，有效的突破了教學難點，取得了良好的教學效果。

1.3 創新實驗教學內容，培養學生核心素養

教育部在2014年3月30日印發了《關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》，第一次明確提出了“核心素養”的概念， 明確指出各級各類學校要將核心素養的發展落實到各學科教育教學中去[1]。理化生實驗因其實驗過程中特含的科學探究和科學思維要求，成為培養學生核心素養的有效途徑。但在傳統的高中實驗教學模式下，學生只需按照實驗步驟操作即可，很難發揮科學探究的優勢。在數字化實驗環境下，教師設計并實施了以學生探究為主的實驗教學，有助于學生進行科學探究體驗，在實驗設計、實驗觀察、實驗分析中培養科學思維能力。如課題組一生物老師借助傳感器探究環境因素對光合作用強度的影響的探究實驗教學中，先讓學生在認知光照度傳感器和溶氧傳感器的基礎上，討論設計修正實驗過程，然后全班分8個小組，每兩組重復實驗，分別利用光照度傳感器和溶氧傳感器探究了CO2濃度、光照強度、溫度、PH對植物（葉片小圓片）光合作用的影響，通過測定相同葉圓片，強光照下不同二氧化碳濃度、不同溫度、不同PH實驗條件下15分鐘內溶液中溶解氧初始數據（mg.l-1）、溶解氧終結數據（mg.l-1）以及20水溫時不同光照強度條件下溶解氧初始數據（mg.l-1）、溶解氧終結數據（mg.l-1），然后各小組分析實驗數據以及實驗過程中曲線圖的收集與分析，交流不同影響因素對光合作用強度的影響的認識。各組間對實驗過程中出現的有關問題注意事項、實驗現象進行交流探討，從而進一步理解各種環境因素對植物光合作用強度影響情況。本節課的實驗教學不僅培養了學生學會控制自變量、觀察和檢測因變量變化，而且通過實驗設計和實驗過程的實施，實驗數據處理以及實驗曲線分析培養了學生的科學探究意識、進行科學思維的能力，從而較好了培養了學生的核心素養。

1.4 拓寬實驗探究空間，提高實驗教學效率

傳感器技術的應用帶來的實驗結果的定量性，使我們更容易測得微小的數據變化，實驗成功的概率更高，結果更加準確也更加清晰，讓學生更多的體驗成功的快樂。傳感器種類豐富，可以讓學生更加側重在實驗設計，完成許多原來不能完成的實驗，帶來了實驗探究的多樣性，拓寬了學生的探究空間。由于傳感器實驗技術可以持續地采集數據，可以保存實驗數據和實驗圖像，學生可以分析一段時間內的數據變化并預測變化趨勢，這就打破了傳統實驗的時間限制，在有限的時間內完成傳統實驗無法完成的內容，提高了實驗教學的效率。

2.數字化實驗技術在高中理化生實驗教學中的局限性

數字化實驗技術方便對于各項生化指標的測量，也方便微觀世界的觀察，但數字化實驗室并不是在任何時候都能體現出其優勢的，在實驗教學中存在一定的局限性。1.數字化實驗技術受到設備經費的制約，數量和種類還不能滿足一些學校開足學生分組實驗的需求。2.理化生實驗中能夠運用數字化實驗進行教學的內容較少，一些傳統實驗的驗證性實驗、觀察類實驗是無法用數字化實驗替代的。3.數字化實驗重結果而輕過程，不能滿足高考對一些內容傳統實驗過程的考查要求，為了“直觀性”和“準確性”犧牲實驗的過程是不可取的。

綜上，數字化實驗技術與傳統實驗相比具有一定的優勢，極大的支持了高中生物實驗教學改革，提供了實驗教學的新方法，是科學探究實驗的重要工具，但也同樣存在有它的不足之處，這就要求我們根據實驗教學的實際情況具體分析，與傳統實驗操作相結合，在有限的時間內合理使用數字化實驗技術，不斷提高我們實驗教學的效率。

參考文獻

[1]林欽. 關于核心素養導向的中學物理教學的思考[J].課程.教材.教法.2015（12）：90.

[2]趙黎黎. 數字化傳感器促進初中生物探究式實驗教學的研究[J]. 基礎教育論壇.2019（06）：45-47

[3]陳慧謙. 數字教學環境下開展光合作用探究實驗的嘗試[J].中學生物教學.2016（10）：37-39

基金項目：蘇州市2014年度規劃課題《葉圣陶“問題中心，實驗探究”課程思想運用于高中數字化探究實驗教學的實踐研究》 課題編號：Y-B/2014/06/06。