生物学数字化实验教学实施的困境与突破

刘波 李永团 刘文成

在基础生物教学中，数字化实验教学的实施是生物学核心素养落地的新向标，而对于生物学数字化实验教学认识的浅表化，以及实验教学体系的离散化、实验教学评价的错位化、数字化实验教学培训的同质化等现象，都与实现高质量生物学数字化实验教学的旨趣相背离。为突破困境，应当以单元实验教学为统领，正确处理数字化实验和传统实验的关系，构建“备·教·学·评·研”一体化数字化实验教学支撑体系，以“数字化实验+”和“跨学科数字化实验”为核心，利用数字化实验操作系统，实施循证化教学测评与反馈，重构理论与实践双向融合的生物学数字化培训范式，从而实现学科育人价值和科学思维品性的习得。

生物学；数字化实验；数字化实验教学

刘波，李永团，刘文成.生物学数字化实验教学实施的困境与突破[J].教学与管理，2024（13）：59-62.

在回应“数字赋能助力教育高质量发展”的时代命题中，《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》（以下简称“意见”）指出，要促进传统实验教学与现代新兴科技有机融合，对于因受时空限制而在现实世界中无法观察和控制的事物和现象、变化太快或太慢的过程，可用增强现实、虚拟现实等技术手段呈现，切实增强实验教学的趣味性和吸引力，提高实验教学质量和效果[1]。《义务教育生物学课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）提出了教师要重视开发和利用数字化教学资源，丰富师生互动交流方式，促进学生个性化学习[2]。对于中学生物学学科而言，关键是在教学与培训层面如何实施生物学数字化教学，有效落实生物学核心素养落地的学科实践方式。

作为信息化技术与学科教学质量提升的有效手段，数字化实验自提出以来，就受到学界的广泛关注。迄今为止，基础生物教育界对数字化实验的探索停留在数字化的价值、课例应用、情境创设、基于生命观念的部分数字化资源的初步开发等层面：有的认为数字化技术可以突破时空限制，生动再现生命世界，提高实验教学的有效性，增强科学史与现实生活的联系，在真实情境中促进概念的建构，也可保持学生注意力[3]；有的结合课例分析，立足素养为本，问题驱动学生观察、思考与探究的教学设计，且利用数字化手段开展即时性评价 [4]；有的运用视频技术、虚拟技术和智慧平台等数字化手段，为学生创设时空穿梭、模拟仿真、便捷切换的情境，帮助学生理解与认知相关生物学知识，落实生物学核心素养[5]；有的基于生物学生命观念素养，开发了部分章节数字化的教学资源 [6]。一線教师更多关注数字化实验实践层面的探索，但有关中学生物学数字化实验的理论和实践探索都很不充分，部分理论思考学理性过强，对素养本位的生物学数字化实验教学实施的困境认识不足。

一、生物学数字化实验教学的困境

数字化实验指的是利用传感器、数据采集器及数据分析软件进行的实验。在实验过程中，根据计算机和传感技术进行测量，自动搜集实验数据，自动将获得的数据进行处理和分析，能在最短的时间内得出实验结果和结论[7] ，同时显示实验数据的图像。生物学数字化实验在数字化实验的基础上，根据研究对象是生命体的微观且复杂现象的机理及过程，借助网络平台，将课程实物化、虚拟化（VR），有效利用和AI结合的教学资源，变难为易，实现不受时间和空间限制的个性化学习，从而提高学科教学质量。这是一种以“素养至上，育人为本”为核心的生物学数字化实验教学理念。在实践中，生物学数字化实验教学往往表现出认识浅表化、以讲代做、以视频播放代替动手操作、体系离散化、评价趋同化等现象。

1.数字化实验教学认识的浅表化

生物学数字化实验教学既是生物学数字化教学的重要组分，不能独立而存在，又是生物学数字化教学体系的重要支撑。后工业化时代，学校教学从关注知识的批量化生产模式逐渐演变为个性化学习的凸显。数字化作为信息技术与学科教学融合的模式，在以美国为代表的发达国家基础教育领域得到广泛应用，已经证实其有效性和实用性。然而，这并不意味着学校教育教学受制于信息技术的驱动。

在近年来国内个别地区的实践中，对生物学数字化实验教学的认识出现了浅表化现象，具体表现在以下三方面：一是局限于将定性的实验现象、结果转化为定量的实验现象、结果，同最初的线上教学遭遇同样的悖论（仅是将线下教学平移至线上）。二是数字化实验教学过度关注学生呈现实验过程、结果数字化，过分强化了数字化在人的发展中的作用。数字化技术作为一种新的信息技术，在学科教学中表现为辅助性、支撑性作用，而非主导性作用。信息技术和学科教学之间的关系大体如此。三是数字化实验虚化或弱化了实验教学的核心价值（问题提出、作出假设与实验设计、过程推理与论证、结果分析与表达）。

2.数字化实验教学体系的离散化

《教育大辞典》对“教学系统论”的解释涵盖了多样化的系统教学模式，且所有模式都包括确定教学目标、选择达成教学目标的恰当教学方法或策略、根据教学目标评价教学的效果这三个主要方面[8]。换言之，教学体系包括了教学系统的主客体构成、教学过程的构成以及教学模式的构成。

然而，已有文献显示，当前生物学数字化实验的发展主要集中在数字化具体案例的应用或改进上，没有建立符合数字时代的实验教学体系[9]，这种局部的视野观阻碍了生物学实验教学的全面发展。生物学数字化实验教学体系应成为数字化实验教学更好向正确方向发展的指引和支柱，从教的角度应涵盖教学方式、教学资源（数字化的实验教学资源包括教材）、教学过程、教学设计、教学评价；从学的角度应囊括学生学习方式、目标内容、学习资源以及学习效果的监测；从支持系统角度要有相应的专业培训和高素质且热爱数字化实验的教师队伍，这是所有因素中的关键因素之一。

3.数字化实验教学评价的错位化

数字化实验教学作为实验教学的新样态，在教学评价方面有以下三个困境：一是教师个人数字化实验教学劳动较难获得认可与认定。数字化实验室建设易，“守”和“用”好数字化实验难。首先，从教师职改评价制度归因，虽各省评审文件单列了实验教师的评价标准，但在执行过程中只有省、市直属及个别重点学校落实了，区县层面大多数学校并没有实施；其次，实验教学工作量不计入教师的个人整体教学工作量，基层学校普遍认为科任教师就是实验教师，实验教学内容是科任教师的责任田；最后，学生实验教学成绩不计入初升高总成绩，以陕西省为例，虽占中考比重10分，但不计入中考总分，无疑变相将教师教学劳动成果付之东流，虽然学生对数字化实验热情高、兴趣浓，但教学中在双主体一方工作得不到肯定的前提下，仅凭教师教学情怀难以为继。二是实验教学技能赛事数量还需提高比重。仅有教师实验说课和实验技能操作比赛两项赛事，实验教学说起来重要，做起来不重要，再加上课时紧张、实验教师培训和进修机会短缺，影响着教师教学积极性。三是数字化实验教学教研体系真空化。数字化是未来较长时间的主流，但由于场地器材及培训专业师资欠缺，很多地区较难开展线下数字化实验的全员培训和学生实验考查工作。

4.数字化实验教学培训的同质化

随着数字化实验教学进入普及阶段，数字化实验教学培训的方式和质量决定着实验教学的取向，表现在以下三个方面：一是被培训者少有经历过数字化创新案例的经历。一线教师的培训普遍以讲座、线上观看视频的方式进行，缺少实操；培训发起方考量节约经济成本，使得作为科学课堂代表的生物学教师少有接受过系统而全面的、涵盖理论与实践相结合的创新性实践案例操作的培训。二是部分培训者对理科学科属性和学习方式存在认知偏差。理科学科属性的生物学本质上要求学生在科学推理与论证中形成批判性思维，理科典型的学习方式是做中学，生物学数字化实验是将论证过程显性化表达的工具，更是绝佳的教与学的载体和媒介。

二、生物学数字化实验教学困境的突破

1.以单元实验教学为统领，正确处理数字化实验和传统式实验的关系

新课标提出，应加强实验活动、数字化教学资源的开发与利用，为学生提供适应信息时代所需要的新型学习模式，挖掘信息化课程化资源教学内容的呈现方式，变革学生的学习方式，强调数字化实验与传统实验教学协同育人的取向。因此，教师可以以单元主题为统领，挖掘其中蕴含的实验协同育人价值，明确实验服务教学内容的目标，设计传统实验与数字化实验教学相结合的活动，从而开展单元整体实验教学，落实生物学核心素养的培育。

以人教版七年级《生物学》上册第五章“绿色植物与生物圈中的碳氧平衡”为例，教师可以利用数字化实验将课本上的科学史、探究、演示实验和技能训练均改用数字化实验进行探究实践，让学生分组选择实验，同时进行小组交流汇报。让学生在实践中通过收集数据，将原有的比较耗时的定性实验（不能直接观察过程变化）通过操作便捷的数字化实验定量展示，在增强学生感性认识的基础上，通过学生自己动手实践，基于事实和证据形成并建构呼吸作用的相关概念（见表1）。

另外，不是所有实验都需要定量化。应关注以下三种情况：一是定性和定量相结合。传统实验和数字化实验相协同，根据教学发展的需要确定是否需要将传统实验改造为数字化实验。二是厘清数字化实验与高质量实验教学的关系。数字化实验教学对于实验教学而言是辅助而不是决定的关系，二者都是促进学生生物学核心素养的达成。反观当下的数字化实验教学，更多是为了数字化实验技能考试而开展，偏离了完整的人发展的价值旨归。三是数字化实验教学归属于数字化教学的一部分，一定要将数字化实验教学置于学科整体数字化教学的框架下来界定其价值意蕴、实施路径，如数字化教材要体现学生的思维进阶，在借鉴国外数字化教材优点后根据我国学生认知特点编排和呈现数字化实验教材。

2.构建“备·教·学·评·研”一体化数字化实验教学体系

生物学数字化实验教学体系有力保障着高质量的实验教学的开展，根据一线教学实践着力构建“备·教·学·评·研”数字化的实验教学体系。其中，“备”是指外部的资源支持系统，如数字化赋能的学科功能教室、实验教师、数字化实验教材等资源；“研”是指数字化实验教研系统，既可以是垂直化的国家、省、市、区（县）、校五级教研系统，也可以是扁平化、项目式的特定主体教研组；“教”是指从教师的教来说，包括教务管理系统、数据处理系统、器材准备系统；“学”是指从学生的学来说，包括实验模拟系统、实验操作系统；“评”是指数字化实验教学的评价方式，包括过程性评价（基于数字化实验操作系统）、终结性评价（数字化实验报告）、增值性评价（基于学校数字化教学系统局域数据的前后对比评价）（如图1）。

3.以“数字化实验+”和“跨学科数字化实验”为核心，利用数字化实验操作系统，实施循证化教学测评与反馈

以“观察人的口腔上皮细胞”实验为例，利用数字化显微镜及相关软件系统开展教学及测评与反馈（如图2）。

一是探索基于“数字化实验+”等循证化监测数字化能力发展的指标维度，将学生的数字化实验操作能力、数字化实验的设计能力、数字化实验结果的分析表达能力置于以“推理和论证”为核心的科学研究范式之中，助推学生数字素养的落地。二是跨学科数字化实验旨在还原科学面貌的本真[10]。结合当下学科化教学的要求，我们要走出一条学科数字化到跨学科数字化教学，再到超學科数字化教学能力的发展路径。

4.重构理论与实践双向融合的生物学数字化实验教学师资培训范式

在教师培训过程中，应依托专业教师和一线骨干实验教师，重构理论与实践双向融合的生物学数字化实验教学师资培训范式。在理论学习方面，开展如《数字化实验在初中生物教学中的应用》《常用传感器的工作原理及使用注意事项》《数字化实验与实验创新》《数字化实验的组织与实施》《数字化实验数据处理及实验报告的生成》等培训，切实提高教师理论水平；同时配合实际操作，如“数字化实验操作实践1：实践操作至少2个数字化实验，以‘研究种子的萌发为主”数字化实验操作实践2：以常用传感器，如压强传感器、二氧化碳传感器为主，进行实验设计，并说明传感器使用注意事项”“数字化实验操作实践3：以实验创新说课为主”“数字化实验操作实践4：以《研究植物的蒸腾作用》为主”“数字化实验操作实践5：以数字化实验教学实践和展示为主，具体任务：学员在结束学习后，在本单位进行教学实践，并对本校生物教师进行培训指导，完成指导记录、录制2节数字化实验教学录像和1个实验说课视频”，使教师真正做到会做、会用，能在教学中积极使用数字化实验进行教学及创新。

生物学数字化实验的实施要摒弃并突破外在浅表离散的表象，秉持在师生数字素养培养中发展数字化实验设计与评价能力，深化对科学本质的认识。通过构建“备·教·学·评·研”一体化数字化实验教学体系，基于数字化实验操作系统，实现循证化教学测评与反馈，这是生物学数字化实验走向完整人的发展的根本旨趣。生物学数字化实验是生物学理科课程属性的加速器，既是一种实验教学的方法论，也是具身认知主义的教学理念实践观。如何全面实现生物学数字化实验的全面育人目标，将成为基础教育生物学课堂发展完整人教育的永恒课题。

参考文献

[1] 艾伦.《关于加强和改进中小学实验教学的意见》核心思想解析[J].中国现代教育装备，2021（08）：11-17.

[2] 中华人民共和国教育部.义务教育生物学课程标准（2022年版）[S].北京：北京师范大学，2022：39.

[3] 谭永平.期待数字化与生物学教学实现“细胞融合”[J].中小学数字化教学，2022（05）：1.

[4] 韩金，崔鸿.指向学科核心素养的生物学数字化教学——以“细菌和真菌的分布”为例[J].中小学数字化教学，2021（05）：5-8.

[5] 刘艳红.利用数字化手段改进生物学情境教学[J].中小学数字化教学，2021（05）：13-15.

[6] 尚珂珂.基于生命观念的数字化教学资源的开发和应用[D].曲阜：曲阜师范大学，2021.

[7] 宋钰蕾.数字化实验的特点与应用方法[J].数字技术与应用，2022，40（09）：78-80.

[8] 顾明远主编. 教育大辞典（简编本）[M]. 上海：上海教育出版社， 1999：9.

[9] 李鼎，艾伦.高中数字化实验实施影响因素研究[J]. 课程·教材·教法，2020，40（11）：116-122.

[10] 解凯彬.信息技术赋能生物学实验教学的实践与思考[J].中小学数字化教学，2023（01）：5-9.

【责任编辑    杨   子】