信息技术赋能生物学实验教学的实践与思考

解凯彬

摘要： 为帮助学生提高科学探究能力，建构生命观念，发展生物学学科核心素养，适应未来社会竞争，研究者针对广义数字化实验，探讨信息技术如何有效应用于生物学实验，并着重探究虚拟仿真技术和传感器技术赋能生物学实验教学的新路径，即突破时空限制，体验探究全过程，深化对科学探究的理解；从静态定性实验向动态定量实验转变，加深对科学本质的理解；坚持以学为中心，提升内驱力，激发潜能和创造力；从单科学习迈向跨学科实践，通过整合式学习建构跨学科概念；突破传统实验的安全限制、避免伦理问题，培育良好的情感态度与价值观。教师要认识到信息技术是手段而非目标，数字化实验不可滥用，提高数字化实验效能需要加强技术平台建设和案例资源开发，只有数字化实验与常规实验教学优势互补，才能走出传统实验教学困境，回应新时代的教育诉求。

关键词：信息技术；中学生物学；实验教学；跨学科学习；数字化实验

2015年，联合国教科文组织发布了《2030年教育行动框架》，指出必须利用创新方法和信息技术强化教育体系，传播知识，实现优质且有效的教学。数字化教学是基础教育课程改革的巨大推动力。《普通高中生物学课程标准（2017年版2020年修订）》（以下简称“新课标”）指出：信息技术的快速发展为课堂提供了模拟实验等丰富多样的教学资源，充分利用以“互联网+”为代表的教育技术可在一定程度上减少主动学习活动对实验耗材及相关场地条件的依赖。信息技术的应用为中学生物学实验教学注入新的活力，也为学生的科学实践提供了强有力的技术支持。数字化实验与常规实验教学优势互补，有利于教师走出传统实验教学困境。

一、数字化实验与生物学实验教学的内涵

什么是数字化实验？国内学者主要从组件构成进行定义，广义的数字化实验涵盖虚拟仿真实验、借助多媒体展现的实验和应用传感器的实验；狭义的数字化实验则指用传感器、数据采集器和计算机构建系统，替代传统实验进行数据采集、处理和分析的新型实验模式，即数字化信息系统（Digital Information System，简称DIS）。笔者将针对广义数字化实验，探讨信息技术如何有效应用于生物学实验教学。多媒体技术在教学中的应用历史相对久远且研究较为成熟，笔者着重探究虚拟仿真技术和传感器技术如何赋能生物学实验教学。

生物学作为科学教育的主要学科之一，是人们认识世界和生命的基础，生物学本质上是一门实验科学。学生通过生物学实验这一重要的探究和实践形式参与科学探究活动，建构科学概念，理解科学本质，有利于发展生物学学科核心素养。生物学实验既是学习形式，又是学习内容。笔者探讨的生物学实验教学是，教师在教学过程中指导学生利用特定的仪器设备和药品、材料等对生命现象进行观察、对生命活动规律进行探究，帮助学生建构生命观念，提高科学探究能力，发展生物学核心素养的教学形式。

二、信息技术应用于生物学实验教学的现状

早期数字化实验主要应用于高等教育，随着信息技术日臻成熟，也逐渐应用于中小学实验教学。我国开展数字化实验时间较晚。2002年，上海率先将数字化实验引入教学领域，随后其他地区逐渐在教学中开展数字化实验，目前已有14个省（直辖市）出台数字化探究实验室配备标准。

数字化实验最早应用在物理教学中，后扩展至化学、生物学等学科。目前，国内对数字化实验教学的研究也多集中于物理和化学学科，生物学方面的研究略显匮乏。笔者对国内相关文献检索并分析后发现，当前中学生物学数字化实验教学研究主要存在以下问题：一是研究体量小，即整体论文量不足，明显少于物理、化学学科；二是系统性不强，即现有研究多集中于个别数字化实验案例的设计、开发，缺乏对中学生物学整体实验课程的分配与规划；三是缺乏有效评价，即大部分案例研究类文献偏重于描述数字化实验操作的流程，并未利用数字化实验改变教学评价方式，使得形式大于内容，没有发挥出数字化实验教学的全部潜力；四是实证性研究稀缺，即国内很少有研究者对比并量化数字化实验教学与传统实验教学效果的差异，对中学生物数字化实验教学的效果、学生的兴趣与实验偏好、学习效果的提升幅度等，缺乏实证研究。

三、信息技术赋能生物学实验教学的实践

研究表明：受实验设备限制、实验课时不足、实验安全隐患等因素影响，当前中学生物学实验的开出率普遍较低，部分实验甚至只存在于教材、课标中，从未真正落地开展。在实验教学中，教师多以讲述的方式介绍实验过程以及步骤，习惯用多媒体课件演示实验，逐渐形成了教师演示、学生模仿的被动实验教学程式。教师在传统实验室教学，需要持续复杂的资源保障，包括人员、资金及空间等，确保实验安全。

教师开展数字化实验，可以拓宽实验教学的实践路径，突破传统实验教学瓶颈，并应用于各类实验，如课堂演示实验、户外实验、学生分组实验、验证实验和探究实验等。21世纪的青少年接受信息技术的能力强，适合通过体验式的实践活动理解生物学知识并主动建构生命观念。相较于传统实验，数字化实验更有利于学生开展生物学实验，提升学生的素养和能力。

（一）突破时空限制，体验科学探究全过程，深化对科学探究的理解

由于场地、设备及实验过程等受限，中学生物学实验教学中一些用时过长的实验往往被刻意忽视，但有了信息技术的支持以后，教师可以突破时空限制，尽可能地让学生体验科学探究全过程，进而加深对科学探究的理解。例如，“培养液中酵母菌种群数量的變化”这一探究实验涉及酵母菌的培养、取样、计数和数学建模（绘制种群数量变化曲线）等内容，教师采用新方法教学，效率大大提高。按照常规方案，该实验需要7天完成，历时较长，且学生在对实验条件控制不精准的情况下，即便用7天时间也难以绘制较为理想的S形曲线。一些教师对实验进行改进，即让学生间隔1小时或2小时取样、计数，24小时便可完成实验，绘制S形曲线，但24小时连续工作难度很大，学生仍无法独立、全程参与探究活动。教师通过数字化实验可以有效解决上述难题——将传统实验室教学与虚拟化技术结合，先让学生在实验室完成前期酵母菌培养、取样、利用血细胞计数板计数等操作，学习基本的实验操作技能；再让学生利用虚拟实验软件（通过点击按钮）完成取样和血细胞计数板计数工作，并用模拟数据建模。这样，学生将现实实验操作和虚拟实验结合起来，既不影响对实验过程的体验和实验技能的学习，又能在后期将重心真正放在基于证据的推理、论证和建模等能力的提升上。

此外，移动式数字化设备的应用为学生提供了更多户外实验的机会，从技术层面突破了传统实验室的条件限制。例如，对于“调查测量土壤酸碱度对植物的影响”实验，传统的做法是在实验室中进行植物培养，人工模拟不同pH来探究酸碱度对植物生长发育的影响。由于植物生长周期长且人工控制的环境与实际环境条件差异较大，植物往往生长不好，探究成功率较低。师生利用pH传感器可以将实验从室内转到户外，在真实的生长环境中开展探究活动，避免人为因素影响。实验中，教师组织学生在校园的不同区域，使用便携式pH传感器测量土壤的酸碱度，同时记录同一区域不同酸碱度土壤中植物生长的状况，探究效果很好。学生在自然环境中基于真实场景进行探究，有利于深度学习，更好地理解科学探究的精髓。

新冠肺炎疫情期间，数字化实验有了更加广阔的应用空间，在无法线下教学时，数字化实验能在一定程度上填补常规实验教学空缺。

（二）实现静态定性实验向动态定量实验转变，加深对科学本质的理解

新课标明确指出，在重视定性实验的同时，也应重视定量实验，让学生在量的变化中了解事物的本质。在传统生物学实验教学中，教师主要开展定性实验，帮助学生了解一般的因果关系，但只有在对研究对象的各种属性进行定量描述的基础上，才能准确地解释其规律和实质。传感器可以有效记录实验数据的实时变化情况，精准反映生命活动的变化过程。实验数据一般以图像形式直观地呈现给学生，有利于他们更好地观察实验过程中的各种变化，从整体上科学准确地认识生命过程，加深对科学本质的理解。例如，教学“探究绿色植物的呼吸作用”时，需要演示萌发种子与煮熟种子对比的实验，即分别用温度计、澄清石灰水和蜡烛的燃烧情况来定性展示呼吸作用过程中能量的释放、CO的产生及O的消耗情况。该实验流程烦琐费时，对变量的控制也不精准，学生常常会质疑实验结果与结论的可靠性，如学生认为蜡烛熄灭不是因为O被消耗而是CO产生过多。此外，拆解呼吸作用这一生理过程，用三个实验分开演示，不利于学生整体理解细胞呼吸。教学中，教师利用温度传感器、O传感器、CO传感器和湿度传感器等设备，将萌发种子与煮熟种子分别置于独立的空间，同时插入四种传感器，让学生观察O、CO、温度和湿度变化情况。在这种动态实时的量化数据支持下，学生既可以排除其他变量的影响，直观地认识到“细胞呼吸是一个整体的生理过程，物质的消耗与产生、能量的释放是同时进行的”，又可以对比各物质消耗与产生的比例，领悟细胞呼吸的实质。学生通过这种定量实验，能够从数据中发现规律，提高自身科学思维和科学探究能力，理解科学本质。

（三）坚持以学为中心，提升内驱力，激发潜能和创造力

与传统实验相比，数字化实验赋予学生更多的方法上的选择和运用不同手段的可能性，有利于改变学生普遍被动学习的现状，将主动权交予学生，让他们在高度自主参与的过程中，提升内驱力，激发学习潜能和创造力。例如，对于“比较过氧化氢在不同条件下的分解”实验，以往教师通常是这样教学的：在HO溶液中加入催化剂FeCl溶液和新鲜肝脏研磨液，让学生通过观察试管中气泡的多少与卫生香的复燃情况来判断HO分解速率。这样实验，结果是学生对气泡产生的多少虽有印象但缺乏对数量与尺度的思考，部分学生甚至形成“酶的活性高，产生的气泡就多”的错误概念。事实上，这里应该是酶活性高，单位时间内产生气泡数量多（即气泡产生的速率大）。有了信息技术的支持，学生可以选择O传感器实时记录反应过程中O产生的速率，通过记录纸上O变化曲线的斜率差异直观地观察到催化剂和酶的催化效率的差别，从而形成正确概念。同样，在前述“探究绿色植物的呼吸作用”的实验教学中，原本的教师演示实验因信息技术的应用变为学生自主探究。这样的自主选择、自主开展实验探究的转变，使学生学习生物学变得更加积极，激发了创造力，实现认知导向的概念学习向自主建构生命观念的经验学习转变。此外，学生在自主设计和实施实验方案的过程中不断发现问题、修改方案，从实践中总结经验，践行了以学为中心的理念。

（四）从单科学习迈向跨学科实践，通过整合式学习建构跨学科概念

随着人类社会不断发展，信息时代信息、知识的作用发生了质的变化，单学科学习导致学生思维产生路径依赖的局限性愈发突出，数字化实验融合应用于教学，作为载体与媒介，在相互关联但在学校教育系统中又处于分离状态的学科之间开展新的对话。

数字化实验相较于传统实验，可以呈现更加丰富的实验内容，在一定程度上突破生物学单学科教学的限制和严格的学科界限，从而有效加强生物学与物理、化学和数学等学科的联系，尤其是在探究式实验的开展过程中，由于应用了理化数字传感器，学生在设计实验时不再局限于生物学范畴，而是融合应用化学、物理知识及相关技术手段。

例如，《义务教育生物学课程标准（2022年版）》设置了“制作水族箱，饲养热带鱼”跨学科实践活动，让学生根据热带魚的生活史、生活习性、食性等制作水族箱，饲养并观察热带鱼的有性生殖。该活动中，环境因素对热带鱼的生长、发育和有性生殖有较大的影响，尤其是对卵胎生的孔雀鱼，有性生殖对温度的要求是比较苛刻的。实践中，学生在水族箱中放置温度传感器、O传感器和pH传感器，对水体的温度、溶解氧、酸碱度等条件进行监测和调控，探究热带鱼的生长发育及生殖过程与环境因素的关系，综合运用跨学科知识和技能完成对热带鱼的饲养和观察任务。教师组织跨学科活动，帮助学生建立不同学科知识之间的联系，加深对“结构与功能”“尺度、比例和数量”“因果关系”“稳定与变化”等跨学科概念的理解，提高综合运用所学知识分析和解决实际问题的能力。学生参与跨学科实践活动，有效避免了仅用生物学学科知识来解决实验中出现的问题，为学生能力的提升提供更有效的支持，落实了新课标对整合式学习的要求。

（五）突破实验安全限制、避免伦理问题，培育良好的情感、态度和价值观

数字化实验的应用使以往出于实验安全和生命伦理教育的考虑而无法开展的实验有机会开展。在中学生物学实验教学中是否应当使用动物进行实验这一做法遭受很多质疑，至今仍存在争议，因此，很多解剖实验、伤害性的动物实验和涉及学生安全的实验，已经从生物学课程当中删除或不再开展。教师设置虚拟化的实验情境，可以为学生提供机会，完成生活中难以实现的实验。例如，“探究鱼鳍对鱼游泳的影响”实验因过程太过残忍和血腥而难以正常开展，但借助信息技术问题迎刃而解。教师应用虚拟实验平台，为学生提供替代方案，让学生在虚拟学习平台上点击按钮选择“剪去”鱼的不同鱼鳍，观察虚拟的鱼的运动情况。这样在不对鱼造成伤害的基础上探究鱼鳍对鱼运动的影响，有利于学生建构结构与功能观这一生命观念。此外，“ABO血型鉴定”实验因安全原因极少开设，教材提倡用化学药物的沉淀反应来开展模拟实验，但学生因为缺乏相应的化学基础而难以操作，实验效果较差。在虚拟实验平台的支持下，学生可以学习血型鉴定的基本操作，观察ABO血型不同的凝集现象，实验安全高效。

虚拟实验平台的应用不仅使得这些实验探究能在中学生物课堂上正常开展，而且落实了人文关怀和安全、伦理教育，有利于培育学生良好的情感态度与价值观。

四、信息技术应用于生物学实验教学引发的思考

信息技术赋能生物学实验对教学产生了积极影响，但因其在生物学教学中的应用尚处于探索和发展的过程中，教师信息技术素养有待提升。因此，数字化实验教学仍存在不足。教师在开展数字化实验的过程中需注意如下问题。

（一）信息技术是手段而非目标

教育工作者设计实验或者课程方案，首要解决的问题是，如何有效地使用技术促进教学创新、达成教学目标。教师要充分考虑实验性质、作用、教学目标、预期成果，仅在传统实验条件不足或不易开展时才考虑用数字化实验替代传统实验。数字化实验因其独特的新鲜感和视觉冲击力容易激发学生的好奇心从而提升学生的实验兴趣，也丰富了实验教学形式，因而受到一些教师的青睐。但实验教学中存在信息技术应用过度的问题，转移了师生的注意力，影响教学目标的达成。不能反客为主、喧宾夺主，这是教师开展数字化实验教学应首先关注的问题。例如，教师在开展虚拟实验时，不能让学生过度关注虚拟现实（VR）头盔和游戏手柄的操纵，而忽视探究的真正目的和要达成的目标。

（二）数字化实验不可滥用

教师应坚持用数字化实验改进教学的初衷而非用其取代实操性实验，不能将数字化实验过度覆盖传统实验的授课形式。数字化实验的滥用减弱了学生的实验操作体验，造成学生实验技能不高，绘图能力、数据处理能力、复杂情况判断能力和解决问题能力加剧退化。正因如此，对于“培养液中酵母菌种群数量的变化”实验，笔者主张先让学生参与酵母菌的培养、取样和计数等操作活动，而非完全采用虚拟方式教学。

数字化虚拟实验可以由个体单独完成，在赋予了每个学生操作机会的同时，也减少了學生合作学习的机会，不利于培养学生的团队精神与能力。再者，如实验过程中缺乏教师的有效指导，则本质上是将学习过程降低成一种信息传输的机械活动。一旦教师在实验教学中过度依赖数字化实验教学，应用信息技术超过应有的尺度，学生就很难习得生物学实验技能，未来进入高等教育体系会处于不利地位。

（三）提高数字化实验效能需要加强技术平台建设和案例资源开发

目前，中学生物学数字化实验教学的资源开发尚不够充分，虚拟实验平台建设仍处于初级阶段，看似简单的虚拟实验软件的开发和制作既需要技术的支撑，又需要大量的人力和资金的投入。传感器应用于教学的案例研究仍有较大提升空间。当前，教师习惯传统实验教学，对数字化实验仍然相对陌生，大多数教师并未很好地掌握数字化实验技术，也缺乏将其运用于教学的能力。在数字化实验教学领域，教师为学生提供技术支撑的能力和数字化实验教学资源开发能力均显薄弱。信息技术有效赋能生物学实验教学，需要教师在常态化教学的基础上深入学习、掌握信息技术并融合应用于生物学实验教学中。当前已有少数教师和研究人员对信息技术应用于生物学实验教学进行了案例研究，为物学数字化实验教学提供了一些可借鉴的范例和资源。但这方面的工作做得还很不够，虚拟实验平台的开发和高质量数字化实验教学案例的研究与设计，对于教师开展生物学教学来说是迫切需要。

杜威曾在《学校与社会》中指出：教育的目的就是创造、设计和实践，数字化实验的应用正体现了现代教育对学生这种学习品质的追求，也是教育工作者回应科技进步、优质教育理念对基础教育发展要求的结果。生物学教师应积极探索数字化实验与生物学教学的深度融合方式，推动生物学实验教学向纵深发展，让学生具备21世纪应有的技能。

参考文献

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（作者系南京师范大学教师教育学院教授，中国教育学会生物学教学专业委员会常务理事、副秘书长，中国教育技术协会微格教学专业委员会常务理事、副秘书长）

责任编辑：祝元志