数字化探究实验在高中生物教学中的应用*

史 喆

(合肥市第八中学 安徽合肥 230071)

引言

高中生物教学中多重因素的影响导致实验教学难以开展，而数字化实验以其独特的优势被广泛应用，从而极大地提高了生物实验教学的质量和效率。在重视动手实验和直观展示的生物实验课堂中添加数字化元素，通过直观生动的呈现，使数字化的概念深入人心，能使学生爱上生物实验，为适应未来的人工智能时代奠定基础。因此，探讨数字化探究实验在高中生物教学中的应用具有十分重要的意义。基于此，在生物实验教学中，我们将数字化技术融入“教”“学”“评”三个层面，打造更加生动立体的课堂。

一、什么是数字化探究实验

数字化探究实验是利用先进的计算机技术、网络通信技术、多媒体技术等，将传统实验室中的各种实验资源数字化，并通过计算机实现实验教学管理的高效化。笔者在生物实验教学中所使用的数字化探究实验系统主要为数字化信息实验系统，此系统主要包含三个部分：一是传感器，它主要负责把实验中测量的各种非电信号如光照强度、pH值等转换成标准的电信号；二是数据采集器，它是传感器与计算机的接口，主要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；三是软件，它主要负责数据信号的显示、处理与分析等。另外，数码显微镜、实验操作视频及其他计算机处理程序也可作为数字化技术的辅助部分。

二、数字化探究实验特点

(一)注重线上与线下实验教学的融合，开发向学平台

在高中生物实验教学中应用数字化探究技术，核心是利用先进的信息技术、多媒体技术以及计算机技术等将传统实验教学中需要收集的各项实验资源和实验过程进行数字化处理，然后借助计算机进行高效的实验管理。在长期的实践发展中，数字化探究实验技术形成了完善的体系，具有良好的应用效果。为了给学生提供更丰富立体的实验课程资源，可以将“生物实验”整合打造为教学资源库，为学生提供实验直播课程、实验录播课程、实验研讨授课等立体化课程资源，并提供视频音频课程、电子书籍、电子教案、PPT课件、学习任务单等各类资源，汇成一份生物实验教学资源“大餐”。

(二)注重实验探究，促进学生全面发展

要使实验技能落地，需要推进当前实验教学的大转型。通过搭建生物学科数字化教室，将生物实验效果展示到声控智能显示屏，促进教师与学生及时互动。使用VR技术辅助实验课堂教学，学生可以点击查看实验过程中的动态变化，教学资源丰富多彩，提高了生物实验的安全性，节省了实验的时间，真正让学生走进数字大课堂，拓宽视野，提升素养。

(三)优化实验结果的呈现，实现精准测量

学生在实验的过程中，通过传感器对需要用到的实验量进行数据采集，然后对采集到的数据进行分析，应用于接下来的实验活动中。数据采集器将采集到的各种模拟信号转换成数字信号，利用计算机将其连接起来。软件系统将最终的各种实验过程以及实验现象整理到一起展示出来，从而让学生直观地观察到实验的现象以及实验的过程，最终得到实验的结果。

三、数字化探究实验在高中生物教学中的应用

(一)数字化探究实验在“教”的层面的应用

1.充分利用先进设备，提高实验教学的效率

数字化探究实验，能够极大地节约课堂实验教学的时间，提高教学的效率。开展数字化探究实验，在数据采集的过程中能够更快更好地得到实验数据，这样能够缩短学生处理数据的时间。而多出的时间，则可以引导学生进行知识的探究。

例如在指导学生学习《呼吸作用与光合作用》这一节知识点的过程中，实验涉及大量的数据以及各种图形分析，一部分学生往往难以得到精确的实验结果，且由于这一部分实验涉及时间周期较长，难以通过传统方式开展探究。为此可以开展数字化探究实验。首先，学生通过氧气传感器及二氧化碳传感器，对绿色植物光合作用以及呼吸作用进行精确的测定。在这一测定过程中，学生能够得到精确的数据。接下来，学生对测得的数据进行整理，根据实验的需要绘制曲线图以及柱形图等进行分析，最终得到实验结果。这样的方式锻炼了学生的数据处理与数据分析能力，有利于促进学生综合素质的发展。

2.实验教学深度和广度的延伸培养了创新能力

生物实验教学中，最为关键的一环是要让学生亲身经历实验过程，并且让学生动手实践操作。然而在常规的实验教学中，由于一些生物实验开展需要相应的场地，也需要相应的实践验证实验，结果导致教师几乎不可能在教室中开展实验。针对这样的现状，一些教师采用多媒体的方式，通过视频讲解让学生进行实验学习探究。由于缺少了实践环节，学生很难通过亲身实践掌握生物知识，因此影响了学习的质量和效率，也不利于学生实践能力的养成。通过数字化技术能够在短时间内获得实验数据和实验结果。因此，学生能够更好地参与到实验过程，不断地发现新问题，分析解决问题，改进实验，从而在过程中培养学生的科学思维，鼓励学生坚持创新精神。

例如，教师可以引导学生利用导电率传感器、pH传感器以及浑浊度传感器对水质净化的方法进行研究。在实验过程中，学生通过这些数字化技术的应用进行探究，并且得出了多种水质净化的方法，最后通过实践验证这些水质净化方法的可行性。这一教学活动中，学生更好地实现了在“做中学”，不但培养了学生的实验探究能力，更能够培养学生的创新意识，使学生能够在生物实验学习中更好地发现问题，也能更好地解决问题。

(二)数字化技术在生物实验课堂“学”的层面的应用

1.体验式学习

生物实验重在体验。实验课堂的体验式学习已经不再是单纯的拓展活动，而是将其完整地嵌入到课程教学过程中，使教学目标的落实有了保障，兼顾学科大概念和学科知识，促进学生积极参与，进行反思发现。

2.基于数据精准学习，主动探究提升科学思维

着力通过信息技术的优势了解学生参与实验过程的真实学习状态，记录学生在本次实验中，哪个环节掌握得好，哪些掌握得不那么好，每个学生有怎样的认知特征，动手能力如何。基于此可以开展更有针对性的实验指导。学困生可以借助VIP学习模式，跟随老师练习，跟小组同学学习，还可以根据优秀同学录制的小视频反复点播学习，随时随地都能直观感受实验效果。

3.理论实践结合，建立社会责任

传统的生物实验只在课堂内.但数字化模式下，生物实验更直观、贴近生态、融入大自然，成为课堂创新的重要渠道。基于此，数字化实验教学打破学校的围墙，农场、田地、博物馆、科技馆，甚至重量级的生物实验室，都是学生的体验式学校，能够全方位立体化的让学生认识到知识的前因后果，为培养复合型人才提供便利条件。

(三)数字化技术在生物实验课堂“评”的层面的应用

教学是学校全部教育活动的核心，科学、恰当的教学评价将能更好地促进教学的高效有序开展。为此，在生物实验课堂教学中，必须将评价作为一种重要导向。

1.以学生为本，过程性评价和终结性评价结合

课程标准倡导评价要“立足过程，促进全面发展”，这不仅是评价体系的改革，更是评价理念、评价方法与手段以及评价实施过程的转变。从关心学生的能力发展和成长需要出发，通过数字信息反馈，使评价结果尽可能符合学生的成长需求。评价基于数字化，在强调多元的同时，建立“在线”对话机制。师生之间进行平等地对话和讨论，在对话中逐步消除学生关于实验的知识盲点。

2.基于大数据的信息化教学评价

不同于传统的总结性评价仅仅将关注点聚焦在学生能否通过实验得到预期结果，数字化实验教学评价系统会利用记录的交互数据，对学生的实验过程、动作要领进行全面分析，归纳出学生是否全面掌握实验技术精髓，由此建立学生跟踪档案，帮助教师更全面地对学生进行评价，并对学生进行针对性的专题教育，精准做到“量体裁衣”“因材施教”。

四、数字化实验的应用价值

1.信息技术与实验课程的全面整合丰富了教学手段

信息技术的普及不仅使实验结果的呈现更清晰、直观、便捷，同时还培养了学生的实验操作能力和实验的探究精神。结合新课程、新教材中实验教学的开展强调实验操作和关键能力的培养。数字化实验利用先进的设备，鼓励学生去创造性地进行实验改进甚至是设计实验，充分利用数字化实验设备来培养学生的科学思维和科学探究生物学科的核心素养。

2.改变学习方式，培养学生创新能力

数字化实验作为新生事物，让学生拥有更科学定量的技术手段，手脑相结合，打破学校的围墙，将实验基地与信息技术整合，有利于学生主动学习、探究学习和合作学习，从而让学生通过自身体验，养成积极的情感和态度，获得创新精神和创新能力的提高。

教师开发可行性案例创造教学资源丰富的环境，为高中生物学教学提供参考，发挥数字化实验对高中生物学课堂的促进作用。学生在这种环境中利用技术，以小组形式进行合作，组内交流、探究、探讨、展示，不仅培养了生物学科的核心素养，同时将实验技术用于解决生活中的实际问题，培养了创新精神和担当意识。

综上所述，利用数字化探究实验进行高中生物教学为学生提供了必要的实验条件，也能够为学生创设安全的实验设备，从而引导学生在实验中进行探究学习，进一步提高了学生的实验操作能力。学生不仅掌握了生物知识，也能够促进自身生物综合素质的发展。将数字化应用于新时期高中生物实验课堂，面向学生的未来，融合更加新颖的信息技术教学手段，能从注重学生获取能力，转向注重学生学习能力，从而引导学生更好地适应数字化的学习环境，让学生未来走向社会多一份自信和力量。