基于数字化科学实验的校本课程建设

王涣文

为了加快教育信息化目标的实施进程，探索一条利用信息技术创新课程的新路子，上海市洋泾—菊园实验学校选择了九年一贯制科学实验课程，开展了实验教学改革的探索。为什么要选择实验教学？因为实验教学是中小学实施科学实验课程目标的重要组成部分，它对于培养学生的核心素养，提升学生的自主探究能力、动手操作能力、观察分析能力、数据处理能力等有着重要的意义。但是，学校现有的科学实验室信息化、数字化、智能化程度较低，实验教学基本上仅能满足“观察”和“验证”的需要，不能真正满足培养学生想象力、创造力和实践能力的需要。所以，学校选择科学实验课程，开展了基于数字化实验的九年一贯制科学实验校本课程建设的研究。

学校数字化实验装备

学校数字化实验系统是由理科实验室和信息技术、传感器技术相融合而成。它分为理科实验装置、传感器、数据采集器、计算机应用软件四部分。它是一种能够定量采集数据，并以图表的形式清晰、明确地呈现出来的新型实验技术手段。

（1）理科实验装置。理科实验装置用于学生的科学实验教学。

（2）传感器。传感器负责理科实验装置实验量的采集，形成模拟电信号。

（3）数据采集器。数据采集器负责把传感器的模拟电信号转换成数字信号，并与计算机进行通信。

（4）计算机及应用软件。计算机及应用软件负责数据信号的显示、处理与分析等。

与传统实验相比，数字化实验有如下特点。

（1）直观、实时。数字化实验可以实时动态地呈现实验过程的变化，可根据实验需要，将实验数据以图表或曲线的形式呈现，学生能够清晰、直观地观察到实验的变化，提高其分析问题、解释现象、找出规律、得出结论的能力，从而为学生开展科学探究提供技术支撑。

（2）便携、绿色。数字化实验仪器的体积一般都比较小，便于携带和操作，使用时不受时间、地点的限制，能够满足学生对于学习和生活中的科学问题的探究欲，弥补了传统实验的不足。数字化实验一般药品用量少，满足可测量、能显示相关变量的数字和曲线即可。

（3）综合、兼容。在数字化实验中，根据要求可以连接多个传感器，并可以同时对不同的数据进行分析。也可以连接TI图形计算器、乐高单片机等智能控制终端，实现实验变量的更精细化控制，学生可以从多个角度综合地了解科学实验，从而极大地拓展了课程内容，有利于各学科之间的融会贯通。

基于数字化实验的校本课程建设

有了数字化实验室还必须要有与之配套的课程。学校按照科学实验课程设置要求，从实验教学目标、实验教学内容、实验教学方式和实验教学资源等多个层面、多个角度、多个途径开展了科学实验校本课程建设。

1.数字化实验校本课程的基本框架

根据九年一贯制学校的特点，学校打破学科之间的界限，将九年间各学科的实验教学进行了梳理和分类，将科学实验校本课程设置（表1）为启心、启智、启新、启航四个学段。

2.数字化实验校本课程的特点

（1）关注学科交叉融合，培养学生综合能力。学科交叉是不同学科之间相互交叉、融合。它强调知识跨学科，学习场景多元，教学综合化、实践化、活动化，课程回归生活、回归社会、回归自然。学科交叉融合是未来科学发展的必然趋势，是加速科技创新的重要驱动力。

学校数字化实验校本课程针对不同学段的实验教学目的，关注学科交叉融合，体现出育人为本、素养为核、情境为场、问题为纲、技术为翼等价值取向和发展趋势。通过课程实施引导学生跨学科发展和提高，培养学生的综合素养。

（2）重视实验资源整合，提高实验教学效益。学校数字化实验校本课程充分运用理科实验室资源，通过直接利用、改造利用、共建共用等形式，保障实验资源对实验教学的支持和服务。同时通过与高校、高新企业、科普基地、科普扶智等合作项目，整合校内外实验教学资源，拓宽实验教学边界。

学校数字化实验校本课程积极开展基于数字化实验的观察、观测、模拟、体验、设计、编程、制作、加工、饲养、种植、参观、调查等科学实验教学活动，让学生体验基于信息技术和传感器技术的创新实验课堂，切实增强实验教学的趣味性和吸引力，提高实验教学的质量和效果。

（3）开放实验教学管理，发挥学生主体作用。科学实验教学的主体是学生，为真正发挥学生主体作用，学校数字化实验室管理变封闭管理为开放管理，让学生自主、自由地开展科学实验。

为此，学校数字化实验校本课程开发了开放式管理平台。该平台有“装备查询”“项目申报”“项目成员”“装备借用”“成果展示”五大模块。学生可以在平台上查询数字化实验室实验器材、器材功能和使用方法。然后，根据需要提出项目申请。经过项目审核团队批准的实验项目组同学可以在项目实施期间刷脸进出数字化实验室，扫码借用实验装备。完成项目研究后在平台上提交实验报告。

数字化实验校本课程的实施成效

随着数字化实验校本课程的深化实施，信息技术、传感器技术与课程融合的优势越来越强，实验教学方法改革的成效越来越大。

1.通过数字化实验解决课时矛盾

科学实验中好多实验项目需要学生长时间观测和记录事物发生的变化。传统实验教学中教师为完成教学任务，往往缩短学生观测事物变化的时间，直接提供事物变化前后的数据或结果。这样的实验，学生缺乏完整的探究体验，科学实验的兴趣受到抑制，实践动手的能力得不到提高。

数字化实验应用信息技术能完整记录、保存、分析、再现事物变化的數据。应用这些数据，能合理地缩短实验教学时间，有效解决课时矛盾。

如“探究綠色植物光合作用的条件”实验项目，需要对绿色植物暗处理3天后进行强光照射，再用水浴加热后的酒精溶解叶绿素，过程复杂、耗时较长，可能会因加热不当造成实验失败。项目组老师应用TI（Texas Instruments）数字信号处理及模拟技术和图形计算器技术建立了智能温室。通过信息技术及时有效地探测绿色植物光合作用和呼吸作用过程中二氧化碳、氧气、水分、温度、光照度的变化。同时将实验现象显性化，以图表和图像的形式呈现出来。实验教学中，学生通过分析系统输出的数据，理解光合作用、呼吸作用的条件和反应原理，取得了较好的实验教学效益。

2.通过数字化实验丰富学习体验

数字化实验能改变学生机械地照着书本做实验的局面，让学生以数字化实验装备为工具，开展创新性、综合性、开发性的实验活动。数字化实验教学能充分发挥学生的主体作用，通过对程序指令、数据、图形等的处理和分析，增进对科学现象和原理本质的认识，提高分析问题、解决问题的方法和能力，最大限度地丰富学生的学习体验。

如“基于传感器的气压与喷泉实验”项目，教师指导学生利用Vernier压强传感器、TI图形计算器、TI创新者系统等数字化技术对“氨气喷泉实验”“化学灯塔实验”中压强的变化进行实时监测，实验方案留出了学生学习的空间，鼓励学生创造性地应用数字化实验装备。教学中好多学生在数据输出设计上体现了创造性和趣味性，当实验中压强为98千帕时，背景灯自动打开;当压强为90千帕时，花朵自动打开。整个实验过程，将氨气的水溶性、氨水呈碱性、化学振荡反应、智能控制技术集于一体，实验效果明显，学生的实验体验得到了丰富。

3.通过数字化实验转变学习方式

学校数字化实验室对学生实行开放管理后，极大地调动了学生自主学习、自主探究的积极性。学生们根据自己的兴趣、爱好和特长，积极寻找学习和生活中的问题，然后设计成科学实验项目，向学校数字化实验团队申报，经过学校审核批准就能自主开展数字化实验。

一年来，学校共收到了近百份包含自然、生活、科学等方面的探究实验申报书，绝大部分的申报得到了数字化实验审核团队的认可。数字化实验促进了学生学习方式的转变。

例如，在教师的指导下，学生们开展了“防紫外线玻璃真的防紫外线吗”项目的探究。学生们在数字化实验室上网查询了什么是紫外线，知道了日常生活中太阳光对人体皮肤的伤害主要来自于紫外线A（即UVA）与紫外线B（即UVB）。但适量的日晒，UVB能帮助人体合成维生素D，对身体有益。

学生们设计了实验方案：实验地点选在学校教师停车场内，时间定在晴朗天气的中午，分别选一辆有防紫外线玻璃和一辆没有防紫外线玻璃且车窗没有贴膜的小汽车做检测样本。

经过数据比对，学生们得出实验结果：防紫外线玻璃能有效阻挡UVA和UVB，普通玻璃对于UVA有部分阻挡作用，但能有效阻挡绝大部分的UVB。

通过实验，学生了解了防紫外线玻璃确实能防紫外线，同时也额外收获了隔着玻璃晒太阳不能补充维生素D的知识。

综上所述，将信息技术、传感器技术和科学实验课程融合，开展基于数字化实验的九年一贯制科学实验校本课程的教学活动，是创新实验课教学方式，培养学生想象力，激发学生求知欲，提升学生实践能力和创新能力的有效途径。

作者单位：上海市洋泾—菊园实验学校