數字化探究實驗在高中生物教學中的應用*

史 喆

(合肥市第八中學 安徽合肥 230071)

引言

高中生物教學中多重因素的影響導致實驗教學難以開展，而數字化實驗以其獨特的優勢被廣泛應用，從而極大地提高了生物實驗教學的質量和效率。在重視動手實驗和直觀展示的生物實驗課堂中添加數字化元素，通過直觀生動的呈現，使數字化的概念深入人心，能使學生愛上生物實驗，為適應未來的人工智能時代奠定基礎。因此，探討數字化探究實驗在高中生物教學中的應用具有十分重要的意義。基于此，在生物實驗教學中，我們將數字化技術融入“教”“學”“評”三個層面，打造更加生動立體的課堂。

一、什么是數字化探究實驗

數字化探究實驗是利用先進的計算機技術、網絡通信技術、多媒體技術等，將傳統實驗室中的各種實驗資源數字化，并通過計算機實現實驗教學管理的高效化。筆者在生物實驗教學中所使用的數字化探究實驗系統主要為數字化信息實驗系統，此系統主要包含三個部分：一是傳感器，它主要負責把實驗中測量的各種非電信號如光照強度、pH值等轉換成標準的電信號；二是數據采集器，它是傳感器與計算機的接口，主要負責把傳感器的模擬電信號轉換成數字信號并與計算機進行通信；三是軟件，它主要負責數據信號的顯示、處理與分析等。另外，數碼顯微鏡、實驗操作視頻及其他計算機處理程序也可作為數字化技術的輔助部分。

二、數字化探究實驗特點

(一)注重線上與線下實驗教學的融合，開發向學平臺

在高中生物實驗教學中應用數字化探究技術，核心是利用先進的信息技術、多媒體技術以及計算機技術等將傳統實驗教學中需要收集的各項實驗資源和實驗過程進行數字化處理，然后借助計算機進行高效的實驗管理。在長期的實踐發展中，數字化探究實驗技術形成了完善的體系，具有良好的應用效果。為了給學生提供更豐富立體的實驗課程資源，可以將“生物實驗”整合打造為教學資源庫，為學生提供實驗直播課程、實驗錄播課程、實驗研討授課等立體化課程資源，并提供視頻音頻課程、電子書籍、電子教案、PPT課件、學習任務單等各類資源，匯成一份生物實驗教學資源“大餐”。

(二)注重實驗探究，促進學生全面發展

要使實驗技能落地，需要推進當前實驗教學的大轉型。通過搭建生物學科數字化教室，將生物實驗效果展示到聲控智能顯示屏，促進教師與學生及時互動。使用VR技術輔助實驗課堂教學，學生可以點擊查看實驗過程中的動態變化，教學資源豐富多彩，提高了生物實驗的安全性，節省了實驗的時間，真正讓學生走進數字大課堂，拓寬視野，提升素養。

(三)優化實驗結果的呈現，實現精準測量

學生在實驗的過程中，通過傳感器對需要用到的實驗量進行數據采集，然后對采集到的數據進行分析，應用于接下來的實驗活動中。數據采集器將采集到的各種模擬信號轉換成數字信號，利用計算機將其連接起來。軟件系統將最終的各種實驗過程以及實驗現象整理到一起展示出來，從而讓學生直觀地觀察到實驗的現象以及實驗的過程，最終得到實驗的結果。

三、數字化探究實驗在高中生物教學中的應用

(一)數字化探究實驗在“教”的層面的應用

1.充分利用先進設備，提高實驗教學的效率

數字化探究實驗，能夠極大地節約課堂實驗教學的時間，提高教學的效率。開展數字化探究實驗，在數據采集的過程中能夠更快更好地得到實驗數據，這樣能夠縮短學生處理數據的時間。而多出的時間，則可以引導學生進行知識的探究。

例如在指導學生學習《呼吸作用與光合作用》這一節知識點的過程中，實驗涉及大量的數據以及各種圖形分析，一部分學生往往難以得到精確的實驗結果，且由于這一部分實驗涉及時間周期較長，難以通過傳統方式開展探究。為此可以開展數字化探究實驗。首先，學生通過氧氣傳感器及二氧化碳傳感器，對綠色植物光合作用以及呼吸作用進行精確的測定。在這一測定過程中，學生能夠得到精確的數據。接下來，學生對測得的數據進行整理，根據實驗的需要繪制曲線圖以及柱形圖等進行分析，最終得到實驗結果。這樣的方式鍛煉了學生的數據處理與數據分析能力，有利于促進學生綜合素質的發展。

2.實驗教學深度和廣度的延伸培養了創新能力

生物實驗教學中，最為關鍵的一環是要讓學生親身經歷實驗過程，并且讓學生動手實踐操作。然而在常規的實驗教學中，由于一些生物實驗開展需要相應的場地，也需要相應的實踐驗證實驗，結果導致教師幾乎不可能在教室中開展實驗。針對這樣的現狀，一些教師采用多媒體的方式，通過視頻講解讓學生進行實驗學習探究。由于缺少了實踐環節，學生很難通過親身實踐掌握生物知識，因此影響了學習的質量和效率，也不利于學生實踐能力的養成。通過數字化技術能夠在短時間內獲得實驗數據和實驗結果。因此，學生能夠更好地參與到實驗過程，不斷地發現新問題，分析解決問題，改進實驗，從而在過程中培養學生的科學思維，鼓勵學生堅持創新精神。

例如，教師可以引導學生利用導電率傳感器、pH傳感器以及渾濁度傳感器對水質凈化的方法進行研究。在實驗過程中，學生通過這些數字化技術的應用進行探究，并且得出了多種水質凈化的方法，最后通過實踐驗證這些水質凈化方法的可行性。這一教學活動中，學生更好地實現了在“做中學”，不但培養了學生的實驗探究能力，更能夠培養學生的創新意識，使學生能夠在生物實驗學習中更好地發現問題，也能更好地解決問題。

(二)數字化技術在生物實驗課堂“學”的層面的應用

1.體驗式學習

生物實驗重在體驗。實驗課堂的體驗式學習已經不再是單純的拓展活動，而是將其完整地嵌入到課程教學過程中，使教學目標的落實有了保障，兼顧學科大概念和學科知識，促進學生積極參與，進行反思發現。

2.基于數據精準學習，主動探究提升科學思維

著力通過信息技術的優勢了解學生參與實驗過程的真實學習狀態，記錄學生在本次實驗中，哪個環節掌握得好，哪些掌握得不那么好，每個學生有怎樣的認知特征，動手能力如何。基于此可以開展更有針對性的實驗指導。學困生可以借助VIP學習模式，跟隨老師練習，跟小組同學學習，還可以根據優秀同學錄制的小視頻反復點播學習，隨時隨地都能直觀感受實驗效果。

3.理論實踐結合，建立社會責任

傳統的生物實驗只在課堂內.但數字化模式下，生物實驗更直觀、貼近生態、融入大自然，成為課堂創新的重要渠道。基于此，數字化實驗教學打破學校的圍墻，農場、田地、博物館、科技館，甚至重量級的生物實驗室，都是學生的體驗式學校，能夠全方位立體化的讓學生認識到知識的前因后果，為培養復合型人才提供便利條件。

(三)數字化技術在生物實驗課堂“評”的層面的應用

教學是學校全部教育活動的核心，科學、恰當的教學評價將能更好地促進教學的高效有序開展。為此，在生物實驗課堂教學中，必須將評價作為一種重要導向。

1.以學生為本，過程性評價和終結性評價結合

課程標準倡導評價要“立足過程，促進全面發展”，這不僅是評價體系的改革，更是評價理念、評價方法與手段以及評價實施過程的轉變。從關心學生的能力發展和成長需要出發，通過數字信息反饋，使評價結果盡可能符合學生的成長需求。評價基于數字化，在強調多元的同時，建立“在線”對話機制。師生之間進行平等地對話和討論，在對話中逐步消除學生關于實驗的知識盲點。

2.基于大數據的信息化教學評價

不同于傳統的總結性評價僅僅將關注點聚焦在學生能否通過實驗得到預期結果，數字化實驗教學評價系統會利用記錄的交互數據，對學生的實驗過程、動作要領進行全面分析，歸納出學生是否全面掌握實驗技術精髓，由此建立學生跟蹤檔案，幫助教師更全面地對學生進行評價，并對學生進行針對性的專題教育，精準做到“量體裁衣”“因材施教”。

四、數字化實驗的應用價值

1.信息技術與實驗課程的全面整合豐富了教學手段

信息技術的普及不僅使實驗結果的呈現更清晰、直觀、便捷，同時還培養了學生的實驗操作能力和實驗的探究精神。結合新課程、新教材中實驗教學的開展強調實驗操作和關鍵能力的培養。數字化實驗利用先進的設備，鼓勵學生去創造性地進行實驗改進甚至是設計實驗，充分利用數字化實驗設備來培養學生的科學思維和科學探究生物學科的核心素養。

2.改變學習方式，培養學生創新能力

數字化實驗作為新生事物，讓學生擁有更科學定量的技術手段，手腦相結合，打破學校的圍墻，將實驗基地與信息技術整合，有利于學生主動學習、探究學習和合作學習，從而讓學生通過自身體驗，養成積極的情感和態度，獲得創新精神和創新能力的提高。

教師開發可行性案例創造教學資源豐富的環境，為高中生物學教學提供參考，發揮數字化實驗對高中生物學課堂的促進作用。學生在這種環境中利用技術，以小組形式進行合作，組內交流、探究、探討、展示，不僅培養了生物學科的核心素養，同時將實驗技術用于解決生活中的實際問題，培養了創新精神和擔當意識。

綜上所述，利用數字化探究實驗進行高中生物教學為學生提供了必要的實驗條件，也能夠為學生創設安全的實驗設備，從而引導學生在實驗中進行探究學習，進一步提高了學生的實驗操作能力。學生不僅掌握了生物知識，也能夠促進自身生物綜合素質的發展。將數字化應用于新時期高中生物實驗課堂，面向學生的未來，融合更加新穎的信息技術教學手段，能從注重學生獲取能力，轉向注重學生學習能力，從而引導學生更好地適應數字化的學習環境，讓學生未來走向社會多一份自信和力量。