高中生物數(shù)字化實驗裝備及運用的實效性研究

摘" 要" 基于四川省綿陽市高中學(xué)校生物學(xué)科數(shù)字化實驗裝備配置及使用現(xiàn)狀，結(jié)合教育部下發(fā)的相關(guān)實驗裝備配置標(biāo)準(zhǔn)，就高中學(xué)校如何裝備生物數(shù)字化實驗器材，以及教師如何利用數(shù)字化實驗裝備來提升生物學(xué)科實驗的實效性進行思考。

關(guān)鍵詞" 高中生物；數(shù)字化實驗裝備；實驗教學(xué)；數(shù)字化實驗；核心素養(yǎng)

中圖分類號：G527（271）" " 文獻標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）23-0025-04

0" 引言

實驗教學(xué)是國家課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的重要教學(xué)內(nèi)容，是培養(yǎng)創(chuàng)新人才的重要途徑。就目前來看，我國中小學(xué)實驗教學(xué)課程主要包括小學(xué)科學(xué)、初中物理、初中化學(xué)、初中生物、高中生物、高中化學(xué)、高中生物、高中通用技術(shù)等。以生物學(xué)為例，其概念的建立和規(guī)律的發(fā)現(xiàn)都是通過科學(xué)嚴謹?shù)膶嶒灚@得，可以說生物學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實驗教學(xué)既是生物學(xué)課程的特點，也是生物學(xué)教學(xué)的基本形式之一[1]。在復(fù)雜的生物實驗中，傳統(tǒng)的實驗方式存在數(shù)據(jù)結(jié)果不精確、分辨率低、實驗費時費力等缺陷，尤其是在當(dāng)前信息化背景下使用傳統(tǒng)的實驗裝備很難達成教學(xué)目標(biāo)。另外，傳統(tǒng)生物實驗在教材中存在程式化的操作步驟，不利于學(xué)生自主創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。因此，教育部在《關(guān)于加強和改進中小學(xué)實驗教學(xué)的意見》中指出：“要豐富實驗教學(xué)實施形式，促進傳統(tǒng)實驗教學(xué)與現(xiàn)代新興科技有機融合，提高實驗教學(xué)質(zhì)量和效果。”[2]

隨著數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，在實驗教學(xué)中廣泛而有效地運用數(shù)字化實驗設(shè)備成為必然。所謂數(shù)字化實驗裝備，指由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機及相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件等構(gòu)成的測量、采集、處理設(shè)備和與之配套的相應(yīng)的實驗儀器裝置。在生物實驗教學(xué)中使用數(shù)字化實驗裝備，能夠讓師生快速、準(zhǔn)確地采集實驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)體驗式教學(xué)到探究式教學(xué)的轉(zhuǎn)變，有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和應(yīng)用信息技術(shù)的能力。2021年4月，綿陽市教育技術(shù)和信息管理中心專門成立課題組，對全市31所高中學(xué)校進行現(xiàn)場調(diào)研和線上問卷調(diào)查。調(diào)研的開展，不僅是為了解綿陽市高中生物數(shù)字化實驗室建設(shè)及使用等方面的情況，也為綿陽市高中生物數(shù)字化實驗裝備及運用的實效性研究積累素材。

1" 高中生物開展數(shù)字化實驗的意義與裝備標(biāo)準(zhǔn)

1.1" 開展生物數(shù)字化實驗的意義

1.1.1" 有利于助推育人方式的轉(zhuǎn)變

新高考改革的不斷深入，促進了教育信息化與教育教學(xué)的深度融合。將數(shù)字化裝備融入高中生物實驗，有助于完善實驗教學(xué)體系、創(chuàng)新實驗教學(xué)方式、提高教師實驗教學(xué)能力，積極探索基于情境問題導(dǎo)向的互動式、啟發(fā)式、探究式、體驗式課堂教學(xué)，是推動落實新時代普通高中育人方式改革的重要驅(qū)動力量和重要舉措。

1.1.2" 有利于學(xué)生核心素養(yǎng)的達成

核心素養(yǎng)是學(xué)生在學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、實踐中逐步形成的適應(yīng)終身發(fā)展和社會發(fā)展需要的必備的品格與關(guān)鍵能力，核心素養(yǎng)的達成是對立德樹人根本任務(wù)的落實。將數(shù)字化裝備融入高中生物實驗是落實生物學(xué)核心素養(yǎng)達成最好的載體和路徑，有助于培養(yǎng)學(xué)生的實驗操作技能，幫助學(xué)生在實驗探究過程中掌握科學(xué)的研究方法，領(lǐng)悟科學(xué)思維，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提升實踐能力和創(chuàng)新精神，是進行探究性學(xué)習(xí)的有效途徑，是對“五育”并舉中的德育、智育和勞動教育的推進落實。

1.1.3" 有利于促進生物教師專業(yè)發(fā)展

高中生物數(shù)字化實驗教學(xué)的常態(tài)化開展，將會逐步促進生物教師緊跟實驗教學(xué)發(fā)展趨勢，不斷更新教學(xué)觀念，在實踐中不斷探索數(shù)字化實驗實效性的有效教學(xué)策略，不斷推進和驅(qū)動生物教師的教學(xué)技能提升，全面提升生物教師實驗教學(xué)的現(xiàn)代化教學(xué)素養(yǎng)，促進教師專業(yè)發(fā)展[3]。

1.2" 高中生物數(shù)字化實驗裝備標(biāo)準(zhǔn)及實驗效果

1.2.1" 普通高中生物學(xué)教學(xué)裝備配置標(biāo)準(zhǔn)（征求意見稿）

2021年，為推進落實《教育部關(guān)于加強和改進中小學(xué)實驗教學(xué)的意見》等文件要求，受教育部基礎(chǔ)教育司委托，教育部教育裝備研究與發(fā)展中心起草了《普通高中生物學(xué)教學(xué)裝備配置標(biāo)準(zhǔn)》（征求意見稿）（以下簡稱《配置標(biāo)準(zhǔn)》）。《配置標(biāo)準(zhǔn)》不但將數(shù)字化實驗裝備列為生物實驗室必須配備的基礎(chǔ)器材，而且對數(shù)字化實驗裝備的配置及實踐活動提出建議（見表1）。同時，《配置標(biāo)準(zhǔn)》也為教師在實驗教學(xué)過程中更好地落實生物學(xué)科核心素養(yǎng)（即生命觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究、社會責(zé)任）提供了理論支持。

1.2.2" 生物數(shù)字化設(shè)備的實驗效果

為更清楚地了解數(shù)字化實驗設(shè)備給生物實驗教學(xué)帶來的變化，課題組對現(xiàn)行高中生物教材和新版教材中所涉及的實驗進行梳理和比較分析，發(fā)現(xiàn)教材列舉的45個實驗中有20個實驗可以使用數(shù)字化實驗裝備對原實驗裝備進行替換和優(yōu)化。針對這20個實驗，課題組運用數(shù)字化實驗裝備重新進行實驗，并將實驗效果與原實驗裝備的實驗效果進行對比后發(fā)現(xiàn)，采用數(shù)字化設(shè)備進行實驗，實驗數(shù)據(jù)的獲取更為方便快捷，數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)方式更為直觀形象，數(shù)據(jù)的結(jié)果更為客觀準(zhǔn)確，具體如表2所示。

以“影響酶活性的條件”這一實驗為例，該實驗屬于高中生物（人教版）必修課“分子與細胞”第五章第一節(jié)“酶的特性”，實驗的目的是通過比較過氧化氫在不同pH條件下的分解速率，理解pH對酶活性的影響，同時練習(xí)使用氧氣傳感器對氧含量的測定。與教材中所用的動物肝臟研磨液不同，課題組選用新鮮土豆切片，這是因為土豆切片中的過氧化氫酶能催化過氧化氫分解為氧氣和水，酶的活性受pH影響，不同pH條件下的反應(yīng)速度不同，可根據(jù)單位時間內(nèi)氧氣的生成量來表示，采用氧氣傳感器便可測得數(shù)據(jù)的變化。若采用傳統(tǒng)的實驗方法，學(xué)生只能通過肉眼觀察過氧化氫分解產(chǎn)生氣泡的多少來了解pH對酶活性的影響，而數(shù)字化實驗可以借助氧氣傳感器幫助學(xué)生動態(tài)了解過氧化氫分解產(chǎn)生氧氣的情況，數(shù)據(jù)分析迅速、準(zhǔn)確，短時間即可處理大量實驗數(shù)據(jù)并繪制曲線，可以更直觀地理解pH對酶活性影響的坐標(biāo)曲線。

2" 綿陽市高中學(xué)校生物數(shù)字化實驗裝備與運用現(xiàn)狀調(diào)研

綿陽市位于四川盆地西北部，面積20 248平方公里，基礎(chǔ)教育在省內(nèi)及西南地區(qū)具有較大影響力。全市共有355所小學(xué)、134所初中、34所高中，學(xué)生54.7萬人，教師3.9萬人。自2019年開始，綿陽市累計投入資金820萬元，開始在高中學(xué)校建設(shè)生物數(shù)字實驗室，并引導(dǎo)教師積極開展數(shù)字化實驗教學(xué)實踐活動，有效地推動學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

2.1" 高中學(xué)校生物數(shù)字化實驗配備現(xiàn)狀

2021年4月，中心課題組對全市31所高中學(xué)校進行現(xiàn)場調(diào)研和線上問卷調(diào)查，調(diào)研的主要內(nèi)容包括學(xué)校生物數(shù)字化實驗室配備，數(shù)字化實驗儀器設(shè)備配置，數(shù)字化實驗設(shè)備是否用于教學(xué)演示實驗、分組實驗等。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，綿陽市僅有九所學(xué)校配備有生物數(shù)字化實驗裝備，其中配備有生物數(shù)字化實驗室的學(xué)校有七所，且以數(shù)字化傳感器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)字化顯微鏡及相關(guān)軟件為主，教材中選擇性必修實驗所需的儀器和設(shè)備基本沒有配備。從總體情況來看，全市生物數(shù)字化實驗裝備配置比較滯后，且數(shù)字化實驗設(shè)備及相關(guān)軟件的使用率較低。此外，40%的受訪教師認為目前學(xué)校的數(shù)字化實驗裝備遠遠不能滿足教學(xué)需要。

2.2" 高中生物教師數(shù)字化實驗教學(xué)能力現(xiàn)狀

調(diào)研結(jié)果表明，在高中生物演示實驗中，80%的教師愿意采用數(shù)字化實驗裝備與部分傳統(tǒng)演示實驗進行融合以優(yōu)化實驗教學(xué)，且已經(jīng)取得較好的學(xué)生反饋；在學(xué)生分組實驗中，60%的教師曾在某一分組實驗中使用數(shù)字化實驗裝備替代傳統(tǒng)實驗裝備進行教學(xué)，讓學(xué)生接觸先進的實驗設(shè)備，更直觀地感受和了解實驗結(jié)果，反饋同樣良好。此外，大部分教師在自主探究和技能競賽、說課比賽等活動中也更愿意使用數(shù)字化實驗裝備進行實驗教學(xué)。但從總體情況來看，已經(jīng)配備數(shù)字化實驗室學(xué)校的教師數(shù)字化實驗裝備的使用水平不高，僅能掌握部分數(shù)字化實驗裝備的使用方法，其中數(shù)字化顯微鏡和傳感器的使用頻率較高，其他數(shù)字化實驗設(shè)備及相關(guān)軟件的使用率較低。中心課題組認為，之所以出現(xiàn)這種情況，是因為高中生物教師缺少對可運用數(shù)字化裝備的實驗與傳統(tǒng)實驗進行實效性研究的能力，無法打破固有思維模式，實驗開展缺乏創(chuàng)設(shè)性，造成已配備的生物數(shù)字化實驗裝備的閑置和浪費。此外，由于部分教師信息技術(shù)能力較差，在實驗中對生物數(shù)字化實驗裝備的選擇或運用不當(dāng)，無法達到預(yù)期的實驗教學(xué)效果，導(dǎo)致產(chǎn)生畏難情緒，又重新使用傳統(tǒng)的實驗裝備。

3" 提升高中生物數(shù)字化實驗實效性的舉措

數(shù)字化實驗裝備運用的實效性是指將傳感器、數(shù)碼顯微鏡、仿真實驗室、計算機硬件及實驗數(shù)據(jù)采集處理軟件等現(xiàn)代信息技術(shù)裝備與傳統(tǒng)實驗裝備進行最優(yōu)方案整合，以達到數(shù)字化實驗裝備實施的可行性和實施效果的目的性。從2017年起，為提升綿陽市高中生物數(shù)字化實驗的實效性，利用數(shù)字化實驗裝備輔助高中生物實驗教學(xué)，落實生物學(xué)科核心素養(yǎng)培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力，實現(xiàn)德育、智育、勞動教育等育人目標(biāo)，綿陽市在加強數(shù)字化實驗裝備配備，開展生物教師能力提升培訓(xùn)等方面進行嘗試，取得良好的效果。

3.1" 加強高中學(xué)校數(shù)字化實驗裝備配備

根據(jù)教育部《普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》，綿陽市結(jié)合數(shù)字化實驗裝備發(fā)展趨勢，建設(shè)市級數(shù)字化實驗裝備創(chuàng)新體驗中心，引導(dǎo)教師關(guān)注和體驗新設(shè)備新技術(shù)在高中生物實驗中的具體應(yīng)用。同時，綿陽市嚴格按照教育部《配置標(biāo)準(zhǔn)》，結(jié)合本市實際開展本地數(shù)字化實驗裝備標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，指導(dǎo)高中學(xué)校加強對數(shù)字化實驗裝備的配備，完善數(shù)字化實驗裝備管理相關(guān)制度，做好設(shè)備定期的維護和補充，確保設(shè)備的可用性，以滿足教學(xué)演示實驗和學(xué)生分組實驗的需求。

3.2" 開展高中生物教師數(shù)字化實驗教學(xué)能力提升培訓(xùn)

為促進數(shù)字化實驗室在全市高中生物教學(xué)中的應(yīng)用，綿陽市在完成第一輪全員高中理化生教師實驗教學(xué)能力提升培訓(xùn)的基礎(chǔ)上，開展第二輪高中生物教師數(shù)字化實驗教學(xué)技能專題培訓(xùn)。在專題培訓(xùn)中，綿陽市邀請知名專家就數(shù)字化實驗的教學(xué)思想理念、策略方法等進行理論引領(lǐng)，讓參訓(xùn)教師理解數(shù)字實驗對教學(xué)效果的重要意義，切實提升教師的思想認識。2020年，綿陽市又組織骨干教師對照教材進一步清理實驗?zāi)夸洠倪M傳統(tǒng)實驗方法和優(yōu)化實驗教學(xué)流程，對每個適用數(shù)字化裝備的實驗開展方法設(shè)計、技術(shù)操作的實踐培訓(xùn)，讓這些骨干教師在實踐中不斷提升數(shù)字化實驗教學(xué)能力并帶動全體教師，以達到整體提升全市高中生物數(shù)字化實驗教學(xué)水平的效果。

3.3" 開展高中生物教師數(shù)字化實驗競賽活動

綿陽市通過定期舉辦高中生物數(shù)字化實驗設(shè)計優(yōu)秀方案評選、數(shù)字化實驗說課比賽、數(shù)字化實驗成果評審等活動，進一步促進生物教師積極主動參與數(shù)字化實驗教學(xué)，讓他們在實踐中不斷提升數(shù)字化實驗教學(xué)能力，實現(xiàn)專業(yè)化發(fā)展。同時，活動的開展也有利于培養(yǎng)學(xué)生的探究精神，提升信息化素養(yǎng)等綜合能力。

3.4" 建設(shè)高中生物教師數(shù)字化實驗專題資源

2019年，綿陽市結(jié)合全市高中理化生教師實驗教學(xué)能力提升培訓(xùn)工程，組建由專家引領(lǐng)、骨干教師參與的專題資源研發(fā)團隊，建成理化生三個學(xué)科的實驗教學(xué)專題資源庫，并整理成集出版發(fā)行，在全省和全國進行推廣使用。下一步，綿陽市將進一步充實專題資源研發(fā)團隊，豐富生物課程資源的內(nèi)容和形式，重點將數(shù)字化實驗配置的標(biāo)準(zhǔn)方案和軟件工具、專家講座、本地數(shù)字化實驗成果等納入課程資源建設(shè)。

4" 結(jié)束語

隨著我國信息技術(shù)的發(fā)展，在學(xué)科教學(xué)中引入數(shù)字化手段已成為大勢所趨。數(shù)字化實驗設(shè)備在生物實驗教學(xué)中的應(yīng)用，將抽象的實驗現(xiàn)象轉(zhuǎn)換成具體的實驗數(shù)據(jù)，極大地擴展了教學(xué)實驗的內(nèi)容，提升了生物教學(xué)的深度和廣度，激發(fā)學(xué)生探究的積極性和主動性，提高課堂實驗效率。因此，只有加強數(shù)字化實驗裝備的推廣和普及，推動數(shù)字化實驗室的規(guī)范建設(shè)，積極開展高中生物數(shù)字化實驗實效性、創(chuàng)新性課題研究、資源建設(shè)和教師培訓(xùn)，才能不斷促進數(shù)字化實驗裝備的高效運用，真正推動高中生物實驗教學(xué)的現(xiàn)代化發(fā)展。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育.普通高中生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2] 教育部關(guān)于加強和改進中小學(xué)實驗教學(xué)的意見[A/OL].（2019-11-20）[2020-11-11].http：//www.gov.cn/gongbao/content/2020/content_5492518.htm.

[3] 張彩雯，李懿，楊春東.中學(xué)理化生數(shù)字化實驗系統(tǒng)及數(shù)字化實驗室建設(shè)研究[J].中國教育技術(shù)裝備，2021（19）：4-10.

作者：付入林，綿陽市教育技術(shù)和信息管理中心（621000）。