运用数字化实验技术开展理化生实验教学的实践研究

马育国

摘 要：技术的革新对于研究进展的突破往往起到关键作用。通过将数字化实验技术运用于高中理化生的实验教学，不仅可以激发学生兴趣及参与度，还能够拓展学生的探究空间，培养学生的科学思维和科学探究精神，提供实验教学的效率，真正推动实验教学的发展。

关键词：数字化技术;理化生实验;核心素养

数字化实验是基于现代信息技术、传感器技术、数据采集、智能控制等来进行实验的技术系统，相对于传统实验方式来说，数字化实验更加精巧精确，在实验数据的采集、测量和归纳上有着技术上的优势，在理化生的实验教学与科学实践中发挥了重要作用。笔者结合我校市级规划课题，进行了一系列运用数字化实验技术开展理化生实验教学的实践研究，取得了一定的成效。

1.数字化实验技术在理化生实验教学中的优势

物理、化学、生物都是以实验为基础的自然科学，实验教学在教学中具有举足轻重的作用，通过将数字化实验技术引入理科探究实验教学，拓展实验探究的实践和实验结果的分析，一定程度上改善了实验教学的实效。利用数字化实验技术开展实验教学在提升学生的实验探究兴趣，培养学生的理科科学思维和开展科学探究的能力中发挥了一定的作用。

1.1创设实验教学情景，激发学生探究欲望

爱因斯坦说过：兴趣是最好的老师。它可激发人的创造热情、好奇心和求知欲。在理科实验教学中，利用数字化实验技术的直观性创设实验教学情景，可以激发学生的探究欲望，为实验教学高质量的开展奠定基础。例如，课题研究中一位物理老师在上《电磁感应现象》时，利用录音机、线圈、磁铁和振动膜组成的“扬声器”播放音乐，同时利用声波传感器测得电磁装置振动时的声波图，引导学生回顾电流能够产生磁场的物理概念，在感观认知中进一步思考磁和电的关系，激发学生进一步学习探究的兴趣。

1.2直观实验过程和结果，突破实验教学难点

在传统实验教学中，受到观察或测定装置的限制，导致记录数据不够真实准确，教师不能及时全面的检测同学们的实验情况，传统实验所记录、分析的数据也无法全面满足当前的中学理科实验探究需要。但数字化实验技术的引入，实现了对实验数据的数字化分析、整合和管理，為定量、微观、宏观的探究实验操作提供了便利。再加上数字化实验曲线呈现的结果非常直观，操作简便、灵活、减少了繁琐的计算，大大简化了课堂教学程序，实验过程的电脑呈现及截图功能，不但给予学生更真切直观的实验体验，也有助于教师较快速准确的了解学生的实验情况，突破实验教学的重难点，切实强化中学理科实验的直观性、可分析性、科学性，培养了科学探究意识和数据分析能力。如课题组的一位化学老师进行《强电解质和弱电解质》这一高中化学教学难点的教学时，借助数字化实验技术，使用电导率传感器、数据采集器及电脑测量相同浓度不同溶液的电导率变化并进行数据收集、整理及分析，使学生在实验体验中通过电导率的大小判断强电解质、弱电解质及非电解质，得出结论：在相同温度和相同浓度条件下，强电解质在溶液中完全电离，离子浓度大，电导率大，弱电解质部分电离，离子浓度小，电离度小。利用传感器技术改进课本实验，有效的突破了教学难点，取得了良好的教学效果。

1.3 创新实验教学内容，培养学生核心素养

教育部在2014年3月30日印发了《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》，第一次明确提出了“核心素养”的概念， 明确指出各级各类学校要将核心素养的发展落实到各学科教育教学中去[1]。理化生实验因其实验过程中特含的科学探究和科学思维要求，成为培养学生核心素养的有效途径。但在传统的高中实验教学模式下，学生只需按照实验步骤操作即可，很难发挥科学探究的优势。在数字化实验环境下，教师设计并实施了以学生探究为主的实验教学，有助于学生进行科学探究体验，在实验设计、实验观察、实验分析中培养科学思维能力。如课题组一生物老师借助传感器探究环境因素对光合作用强度的影响的探究实验教学中，先让学生在认知光照度传感器和溶氧传感器的基础上，讨论设计修正实验过程，然后全班分8个小组，每两组重复实验，分别利用光照度传感器和溶氧传感器探究了CO2浓度、光照强度、温度、PH对植物（叶片小圆片）光合作用的影响，通过测定相同叶圆片，强光照下不同二氧化碳浓度、不同温度、不同PH实验条件下15分钟内溶液中溶解氧初始数据（mg.l-1）、溶解氧终结数据（mg.l-1）以及20水温时不同光照强度条件下溶解氧初始数据（mg.l-1）、溶解氧终结数据（mg.l-1），然后各小组分析实验数据以及实验过程中曲线图的收集与分析，交流不同影响因素对光合作用强度的影响的认识。各组间对实验过程中出现的有关问题注意事项、实验现象进行交流探讨，从而进一步理解各种环境因素对植物光合作用强度影响情况。本节课的实验教学不仅培养了学生学会控制自变量、观察和检测因变量变化，而且通过实验设计和实验过程的实施，实验数据处理以及实验曲线分析培养了学生的科学探究意识、进行科学思维的能力，从而较好了培养了学生的核心素养。

1.4 拓宽实验探究空间，提高实验教学效率

传感器技术的应用带来的实验结果的定量性，使我们更容易测得微小的数据变化，实验成功的概率更高，结果更加准确也更加清晰，让学生更多的体验成功的快乐。传感器种类丰富，可以让学生更加侧重在实验设计，完成许多原来不能完成的实验，带来了实验探究的多样性，拓宽了学生的探究空间。由于传感器实验技术可以持续地采集数据，可以保存实验数据和实验图像，学生可以分析一段时间内的数据变化并预测变化趋势，这就打破了传统实验的时间限制，在有限的时间内完成传统实验无法完成的内容，提高了实验教学的效率。

2.数字化实验技术在高中理化生实验教学中的局限性

数字化实验技术方便对于各项生化指标的测量，也方便微观世界的观察，但数字化实验室并不是在任何时候都能体现出其优势的，在实验教学中存在一定的局限性。1.数字化实验技术受到设备经费的制约，数量和种类还不能满足一些学校开足学生分组实验的需求。2.理化生实验中能够运用数字化实验进行教学的内容较少，一些传统实验的验证性实验、观察类实验是无法用数字化实验替代的。3.数字化实验重结果而轻过程，不能满足高考对一些内容传统实验过程的考查要求，为了“直观性”和“准确性”牺牲实验的过程是不可取的。

综上，数字化实验技术与传统实验相比具有一定的优势，极大的支持了高中生物实验教学改革，提供了实验教学的新方法，是科学探究实验的重要工具，但也同样存在有它的不足之处，这就要求我们根据实验教学的实际情况具体分析，与传统实验操作相结合，在有限的时间内合理使用数字化实验技术，不断提高我们实验教学的效率。

参考文献

[1]林钦. 关于核心素养导向的中学物理教学的思考[J].课程.教材.教法.2015（12）：90.

[2]赵黎黎. 数字化传感器促进初中生物探究式实验教学的研究[J]. 基础教育论坛.2019（06）：45-47

[3]陈慧谦. 数字教学环境下开展光合作用探究实验的尝试[J].中学生物教学.2016（10）：37-39

基金项目：苏州市2014年度规划课题《叶圣陶“问题中心，实验探究”课程思想运用于高中数字化探究实验教学的实践研究》 课题编号：Y-B/2014/06/06。