基于數(shù)字化科學(xué)實(shí)驗(yàn)的校本課程建設(shè)

王渙文

為了加快教育信息化目標(biāo)的實(shí)施進(jìn)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?qǐng)@實(shí)驗(yàn)學(xué)校選擇了九年一貫制科學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的探索。為什么要選擇實(shí)驗(yàn)教學(xué)？因?yàn)閷?shí)驗(yàn)教學(xué)是中小學(xué)實(shí)施科學(xué)實(shí)驗(yàn)課程目標(biāo)的重要組成部分，它對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，提升學(xué)生的自主探究能力、動(dòng)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(xué)校現(xiàn)有的科學(xué)實(shí)驗(yàn)室信息化、數(shù)字化、智能化程度較低，實(shí)驗(yàn)教學(xué)基本上僅能滿足“觀察”和“驗(yàn)證”的需要，不能真正滿足培養(yǎng)學(xué)生想象力、創(chuàng)造力和實(shí)踐能力的需要。所以，學(xué)校選擇科學(xué)實(shí)驗(yàn)課程，開(kāi)展了基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的九年一貫制科學(xué)實(shí)驗(yàn)校本課程建設(shè)的研究。

學(xué)校數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝備

學(xué)校數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由理科實(shí)驗(yàn)室和信息技術(shù)、傳感器技術(shù)相融合而成。它分為理科實(shí)驗(yàn)裝置、傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)應(yīng)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(lái)的新型實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段。

（1）理科實(shí)驗(yàn)裝置。理科實(shí)驗(yàn)裝置用于學(xué)生的科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

（2）傳感器。傳感器負(fù)責(zé)理科實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)量的采集，形成模擬電信號(hào)。

（3）數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)把傳感器的模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。

（4）計(jì)算機(jī)及應(yīng)用軟件。計(jì)算機(jī)及應(yīng)用軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信號(hào)的顯示、處理與分析等。

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有如下特點(diǎn)。

（1）直觀、實(shí)時(shí)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的變化，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以圖表或曲線的形式呈現(xiàn)，學(xué)生能夠清晰、直觀地觀察到實(shí)驗(yàn)的變化，提高其分析問(wèn)題、解釋現(xiàn)象、找出規(guī)律、得出結(jié)論的能力，從而為學(xué)生開(kāi)展科學(xué)探究提供技術(shù)支撐。

（2）便攜、綠色。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器的體積一般都比較小，便于攜帶和操作，使用時(shí)不受時(shí)間、地點(diǎn)的限制，能夠滿足學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)和生活中的科學(xué)問(wèn)題的探究欲，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)一般藥品用量少，滿足可測(cè)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(shí)驗(yàn)中，根據(jù)要求可以連接多個(gè)傳感器，并可以同時(shí)對(duì)不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。也可以連接TI圖形計(jì)算器、樂(lè)高單片機(jī)等智能控制終端，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)變量的更精細(xì)化控制，學(xué)生可以從多個(gè)角度綜合地了解科學(xué)實(shí)驗(yàn)，從而極大地拓展了課程內(nèi)容，有利于各學(xué)科之間的融會(huì)貫通。

基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的校本課程建設(shè)

有了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室還必須要有與之配套的課程。學(xué)校按照科學(xué)實(shí)驗(yàn)課程設(shè)置要求，從實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式和實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源等多個(gè)層面、多個(gè)角度、多個(gè)途徑開(kāi)展了科學(xué)實(shí)驗(yàn)校本課程建設(shè)。

1.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)校本課程的基本框架

根據(jù)九年一貫制學(xué)校的特點(diǎn)，學(xué)校打破學(xué)科之間的界限，將九年間各學(xué)科的實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了梳理和分類，將科學(xué)實(shí)驗(yàn)校本課程設(shè)置（表1）為啟心、啟智、啟新、啟航四個(gè)學(xué)段。

2.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)校本課程的特點(diǎn)

（1）關(guān)注學(xué)科交叉融合，培養(yǎng)學(xué)生綜合能力。學(xué)科交叉是不同學(xué)科之間相互交叉、融合。它強(qiáng)調(diào)知識(shí)跨學(xué)科，學(xué)習(xí)場(chǎng)景多元，教學(xué)綜合化、實(shí)踐化、活動(dòng)化，課程回歸生活、回歸社會(huì)、回歸自然。學(xué)科交叉融合是未來(lái)科學(xué)發(fā)展的必然趨勢(shì)，是加速科技創(chuàng)新的重要驅(qū)動(dòng)力。

學(xué)校數(shù)字化實(shí)驗(yàn)校本課程針對(duì)不同學(xué)段的實(shí)驗(yàn)教學(xué)目的，關(guān)注學(xué)科交叉融合，體現(xiàn)出育人為本、素養(yǎng)為核、情境為場(chǎng)、問(wèn)題為綱、技術(shù)為翼等價(jià)值取向和發(fā)展趨勢(shì)。通過(guò)課程實(shí)施引導(dǎo)學(xué)生跨學(xué)科發(fā)展和提高，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

（2）重視實(shí)驗(yàn)資源整合，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效益。學(xué)校數(shù)字化實(shí)驗(yàn)校本課程充分運(yùn)用理科實(shí)驗(yàn)室資源，通過(guò)直接利用、改造利用、共建共用等形式，保障實(shí)驗(yàn)資源對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的支持和服務(wù)。同時(shí)通過(guò)與高校、高新企業(yè)、科普基地、科普扶智等合作項(xiàng)目，整合校內(nèi)外實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)邊界。

學(xué)校數(shù)字化實(shí)驗(yàn)校本課程積極開(kāi)展基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的觀察、觀測(cè)、模擬、體驗(yàn)、設(shè)計(jì)、編程、制作、加工、飼養(yǎng)、種植、參觀、調(diào)查等科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)活動(dòng)，讓學(xué)生體驗(yàn)基于信息技術(shù)和傳感器技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課堂，切實(shí)增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的趣味性和吸引力，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效果。

（3）開(kāi)放實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理，發(fā)揮學(xué)生主體作用。科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的主體是學(xué)生，為真正發(fā)揮學(xué)生主體作用，學(xué)校數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室管理變封閉管理為開(kāi)放管理，讓學(xué)生自主、自由地開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

為此，學(xué)校數(shù)字化實(shí)驗(yàn)校本課程開(kāi)發(fā)了開(kāi)放式管理平臺(tái)。該平臺(tái)有“裝備查詢”“項(xiàng)目申報(bào)”“項(xiàng)目成員”“裝備借用”“成果展示”五大模塊。學(xué)生可以在平臺(tái)上查詢數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)器材、器材功能和使用方法。然后，根據(jù)需要提出項(xiàng)目申請(qǐng)。經(jīng)過(guò)項(xiàng)目審核團(tuán)隊(duì)批準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組同學(xué)可以在項(xiàng)目實(shí)施期間刷臉進(jìn)出數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，掃碼借用實(shí)驗(yàn)裝備。完成項(xiàng)目研究后在平臺(tái)上提交實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)校本課程的實(shí)施成效

隨著數(shù)字化實(shí)驗(yàn)校本課程的深化實(shí)施，信息技術(shù)、傳感器技術(shù)與課程融合的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越強(qiáng)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法改革的成效越來(lái)越大。

1.通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)解決課時(shí)矛盾

科學(xué)實(shí)驗(yàn)中好多實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目需要學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)和記錄事物發(fā)生的變化。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中教師為完成教學(xué)任務(wù)，往往縮短學(xué)生觀測(cè)事物變化的時(shí)間，直接提供事物變化前后的數(shù)據(jù)或結(jié)果。這樣的實(shí)驗(yàn)，學(xué)生缺乏完整的探究體驗(yàn)，科學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣受到抑制，實(shí)踐動(dòng)手的能力得不到提高。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)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(yīng)用這些數(shù)據(jù)，能合理地縮短實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)間，有效解決課時(shí)矛盾。

如“探究綠色植物光合作用的條件”實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，需要對(duì)綠色植物暗處理3天后進(jìn)行強(qiáng)光照射，再用水浴加熱后的酒精溶解葉綠素，過(guò)程復(fù)雜、耗時(shí)較長(zhǎng)，可能會(huì)因加熱不當(dāng)造成實(shí)驗(yàn)失敗。項(xiàng)目組老師應(yīng)用TI（Texas Instruments）數(shù)字信號(hào)處理及模擬技術(shù)和圖形計(jì)算器技術(shù)建立了智能溫室。通過(guò)信息技術(shù)及時(shí)有效地探測(cè)綠色植物光合作用和呼吸作用過(guò)程中二氧化碳、氧氣、水分、溫度、光照度的變化。同時(shí)將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象顯性化，以圖表和圖像的形式呈現(xiàn)出來(lái)。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生通過(guò)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(yīng)原理，取得了較好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效益。

2.通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)豐富學(xué)習(xí)體驗(yàn)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)芨淖儗W(xué)生機(jī)械地照著書(shū)本做實(shí)驗(yàn)的局面，讓學(xué)生以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝備為工具，開(kāi)展創(chuàng)新性、綜合性、開(kāi)發(fā)性的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)能充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，通過(guò)對(duì)程序指令、數(shù)據(jù)、圖形等的處理和分析，增進(jìn)對(duì)科學(xué)現(xiàn)象和原理本質(zhì)的認(rèn)識(shí)，提高分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的方法和能力，最大限度地豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

如“基于傳感器的氣壓與噴泉實(shí)驗(yàn)”項(xiàng)目，教師指導(dǎo)學(xué)生利用Vernier壓強(qiáng)傳感器、TI圖形計(jì)算器、TI創(chuàng)新者系統(tǒng)等數(shù)字化技術(shù)對(duì)“氨氣噴泉實(shí)驗(yàn)”“化學(xué)燈塔實(shí)驗(yàn)”中壓強(qiáng)的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)驗(yàn)方案留出了學(xué)生學(xué)習(xí)的空間，鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)造性地應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝備。教學(xué)中好多學(xué)生在數(shù)據(jù)輸出設(shè)計(jì)上體現(xiàn)了創(chuàng)造性和趣味性，當(dāng)實(shí)驗(yàn)中壓強(qiáng)為98千帕?xí)r，背景燈自動(dòng)打開(kāi);當(dāng)壓強(qiáng)為90千帕?xí)r，花朵自動(dòng)打開(kāi)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，將氨氣的水溶性、氨水呈堿性、化學(xué)振蕩反應(yīng)、智能控制技術(shù)集于一體，實(shí)驗(yàn)效果明顯，學(xué)生的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)得到了豐富。

3.通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式

學(xué)校數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生實(shí)行開(kāi)放管理后，極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主探究的積極性。學(xué)生們根據(jù)自己的興趣、愛(ài)好和特長(zhǎng)，積極尋找學(xué)習(xí)和生活中的問(wèn)題，然后設(shè)計(jì)成科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，向?qū)W校數(shù)字化實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)申報(bào)，經(jīng)過(guò)學(xué)校審核批準(zhǔn)就能自主開(kāi)展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。

一年來(lái)，學(xué)校共收到了近百份包含自然、生活、科學(xué)等方面的探究實(shí)驗(yàn)申報(bào)書(shū)，絕大部分的申報(bào)得到了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)審核團(tuán)隊(duì)的認(rèn)可。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。

例如，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生們開(kāi)展了“防紫外線玻璃真的防紫外線嗎”項(xiàng)目的探究。學(xué)生們?cè)跀?shù)字化實(shí)驗(yàn)室上網(wǎng)查詢了什么是紫外線，知道了日常生活中太陽(yáng)光對(duì)人體皮膚的傷害主要來(lái)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(duì)身體有益。

學(xué)生們?cè)O(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)方案：實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)選在學(xué)校教師停車(chē)場(chǎng)內(nèi)，時(shí)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(méi)有防紫外線玻璃且車(chē)窗沒(méi)有貼膜的小汽車(chē)做檢測(cè)樣本。

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)比對(duì)，學(xué)生們得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果：防紫外線玻璃能有效阻擋UVA和UVB，普通玻璃對(duì)于UVA有部分阻擋作用，但能有效阻擋絕大部分的UVB。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生了解了防紫外線玻璃確實(shí)能防紫外線，同時(shí)也額外收獲了隔著玻璃曬太陽(yáng)不能補(bǔ)充維生素D的知識(shí)。

綜上所述，將信息技術(shù)、傳感器技術(shù)和科學(xué)實(shí)驗(yàn)課程融合，開(kāi)展基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的九年一貫制科學(xué)實(shí)驗(yàn)校本課程的教學(xué)活動(dòng)，是創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)課教學(xué)方式，培養(yǎng)學(xué)生想象力，激發(fā)學(xué)生求知欲，提升學(xué)生實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的有效途徑。

作者單位：上海市洋涇—菊?qǐng)@實(shí)驗(yàn)學(xué)校