数字化实验系统的应用难点及其对策

张洁莹

〔摘    要〕  在实验教学中应用数字化实验系统，是推进教育数字化的一项重要举措。早在2002年，数字化信息系统实验室已在上海率先推广应用，并把它作为实验教学要求写入上海中学物理课程标准。然而，尽管数字化实验系统已推广应用了多年，但在课堂教学中普及应用率却不尽如人意，在小学科学实验教学中的应用比例更低，这可能与数字化实验系统在小学科学实验教学中的应用难点有关。

〔关键词〕  小学科学；数字化实验系统；应用难点；对策

〔中图分类号〕  G424               〔文献标识码〕  A        〔文章编号〕  1674-6317  （2023）  13-0034-03

实验教学是小学科学教学中的一项重要内容和组织形式。2019年11月，教育部下发《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，明确了实验教学是国家课程的重要內容之一，是培养创新型人才的重要途径。

数字化实验系统是由传感器、数据采集器和计算机、移动终端或数据显示模块等设备组成，在教学软件的支持下，适用于理科实验的一种现代化实验平台。

在实验教学中应用数字化实验系统，是推进教育数字化的一项重要举措。2021年7月8日，教育部等六部门联合下发《关于推进教育新型基础设施建设 构建高质量教育支撑体系的指导意见》，指出要将信息技术融合于教育教学，推进教育数字化转型。

早在2002年，数字化信息系统实验室已在上海率先推广应用，并把它作为实验教学要求写入上海中学物理课程标准。随着上海的成功经验和教学成果在全国推广，《普通高中化学课程标准（2017 年版）》和《义务教育小学科学课程标准》也分别引入了数字化实验内容。可是，尽管数字化实验系统推广应用了多年，但在课堂教学中普及应用率却不尽如人意。

为了了解数字化实验系统在小学科学教学中的应用情况，笔者对作为国家级信息化教学实验区的所在区域的小学科学教师进行了数字化实验系统应用于小学科学实验教学的现状调查（以下简称为“调查”），发现区域内85.71%的学校没有配置任何数字化实验器材，14.29%的学校配置了部分数字化实验器材，没有一所学校配置了完整的数字化实验系统；教师对于数字化实验了解的只有5.56%，58.33%有些了解，不了解的占36.11%；41.64%从未组织开展过数字化实验。调查结果显示，区域内学校在小学科学实验教学中应用数字化实验系统的比例很低。

近年来，笔者经过数字化实验系统的教学应用实践探索，认为数字化实验系统在小学科学实验教学中应用比例低，可能与数字化实验系统在小学科学实验教学中的应用难点有关。

一、数字化实验系统在小学科学实验教学中的应用难点

数字化实验系统在小学科学实验教学中的应用难点与教材中的适用内容比例、教学经费投入、实验室环境、教师的实验设计能力、学生的实验操作能力等有关，这些因素都有可能制约数字化实验系统在小学科学教学中的应用。

（一）在小学科学实验中的应用需求不大

笔者查看了2022年版《义务教育科学课程标准》中的“学生必做探究实践活动”，小学阶段有78项学生必做探究实践活动，再对照目前已开发的数字化实验系统，发现适合采用数字化实验系统辅助教学的有23项，占29.49%，可见小学科学课程内容对数字化实验系统使用需求较低。据调查，75%的教师按照教材内容开展实验教学，只有11.1%的教师会创新性地使用数字化实验系统开展实验，进一步降低了数字化实验系统在小学科学实验教学中的应用需求。

（二）经费投入过高

笔者比较数字化实验器材与传统实验器材，以温度计为例，朗威的温度传感器和传感器数据显示模块的最新报价每个分别是人民币680元和1100元，总共是1780元，使用时还要配上数据采集器、计算机等设备；网购平台的电子测温仪和水银温度计每个分别是人民币8.45元和5.58元，无须配上其他设备就能直接使用。显然，数字化实验系统的经费投入的确要高许多。虽然电子温度计和水银温度计没有温度传感器的精确度高、测量准和测量速度快，但已经可以满足传统常规实验需要。按仍以传统实验为主导的情况，数字化实验系统应用于小学科学实验的性价比较低。

此外，手机或平板电脑等移动终端工具，附带部分传感器，下载安装软件后，同样具备数字化实验设备的部分功能，可以开展如声、光、磁等内容的实验活动，而且学生容易获取，更便于开展课外实验活动。因此，相对于数字化实验系统，使用自带传感器的移动终端的性价比更高。

综合以上两点可见，数字化实验系统应用需求低和经费投入高等问题，致使学校在数字化实验经费投入的意愿低。巧妇难为无米之炊，教师没有适用的硬件设施支持，难以激发使用和创新数字化实验的兴趣，也降低了数字化实验系统在教学中的应用比例。

（三）教师对数字化实验系统认识不足

对区域内小学科学教师进行数字化实验系统应用于小学科学实验教学的现状调查结果显示：有50%的教师没有参加过任何数字化实验系统使用策略培训；在参加过培训的教师中，有66.66%的教师认为培训效果一般甚至不佳；教师对数字化实验了解的只有5.56%，58.33%有些了解，不了解的占36.11%；55.56%的教师不清楚数字化实验的科学性，甚至有16.67%的教师认为数字化实验的结果是虚构的、没有科学意义及不能反映真实现象的。

（四）对实验环境及学生实验操作能力要求高

数字化实验系统中的传感器是一种精确度和灵敏度高的电子仪器，检测到的数据容易受实验环境影响而出现数据快速变动现象，因此对实验环境和实验操作能力要求都比较高。

1.实验环境对数据采集有较大影响

光和声音在传播过程中容易受干扰，使用传感器测量光度值和声级数值时，数据显示模块中的数据会出现变动现象，给学生读取数据造成极大困扰，不仅增长读数时间，干扰严重时还容易发生读数错误问题。

2.对学生实验操作能力要求高

虽然学生在实验前已基本获知实验方法与步骤，但如果实验操作能力较弱，实验操作不规范而未能及时发现调整，采集的数据容易出现较大误差甚至错误。例如，光的传播具有明显的方向性，学生使用光照度传感器进行测量时，当光源或传感器放置的位置稍微有偏差，测量的数据就会随之变动，若学生没有及时发现并进行调整，采集到的数据就会有较大误差甚至错误。

3.对教师的实验设计能力要求高

2022年版《义务教育科学课程标准》强调，学生的实践活动要从学生熟悉的日常生活出发，鼓励学生针对身边的生活现象，通过亲身经历探究实践方式，获得对客观世界的认识。小学生的思维水平仍处于具体运算阶段，最佳的学习方式是在真实情境中学习。但是，真实情境具有不确定性与复杂性，真实情境中的实验不同于已经拟定好程序与方法的常规实验，实验内容需要根据学习任务设计，实验方法与程序要重新设计，实验工具就要有针对性，特别是数字化实验仪器，若没有购买配套设备，或许还要教师另寻或自制实验辅助装置。这些都要求教师具有创新意识和较强的创新性实验设计能力。

二、数字化实验系统在小学科学实验教学中的应用难点及其对策

（一）建立区域资源共享机制，促进教育资源均衡分配

共享机制有利于促进教育公平和均衡发展，符合改革教育供给侧的要求。在经费有限情况下，建立数字化实验装备资源共享机制，有利于解决有使用需求但经费缺乏或高额经费购置设备却使用率低等问题。为此，笔者建议如下。

由区域主管部门申请资金，购买满足演示与分组实验的数字化实验装备，装备由主管部门负责管理和分配，建立装备档案、管理制度和借用制度，按需供给各校轮流使用。

以学区或集团为单位，由学区或集团内各学校共筹资金购买满足演示与分组实验的数字化实验装备，装备由学区长学校或集团领头学校负责管理和分配，学区或集团内各校共同建立装备档案、管理制度和借用制度，按需供给各校轮流使用。

动员厂家或已购数字化实验装备的学校，外借或出租设备，出租所得资金用于维护和置换损坏或老旧的设备。

按需租借，既能满足使用需求，又能化解大额经费使用短缺问题，还能提高设备使用率，有利于数字化实验的推广，促进数字化实验产品的创新研发。

（二）研发适合小学科学实验使用的数字化实验产品

数字化教学案例显示，数字化实验的优势逐渐显现。数字化实验或数字化实验与传统实验相融合，是当前实验教学的发展趋势。研发适合小学科学实验内容的数字化实验产品是加快数字化实验在小学科学实验教学中应用推广的有效方法之一。

1.配备数字化实验专用教室

据调查，47.22%的教师认为需要配置专门的数字化实验室。笔者经历了数字化实验教学实践探索，也认为配备专门的数字化实验专用室，能更好地保障數字化实验的顺利开展。如，使用声音传感器测量声音的强弱、高低、方向等，由于声音容易受干扰、反射等影响，致使测量数据容易出现误差或不准，若能在室内四周安装隔音和吸音材料，可降低周围声音的干扰与反射，让测量更加快捷准确。

2.研发适用于小学科学实验教学的数字化实验产品

据调查，75%的教师按照教材内容开展实验教学。围绕2022年版《义务教育科学课程标准》中提出的78项必做实验，根据小学生的认知特点，研发适用于小学科学实验教学的数字化实验器材和相关配套产品，可让教师更愿意应用和钻研数字化实验教学。

（三）加强数字化实验能力培训，提升教师创新性实验设计能力

要让教师乐于使用和主动研究数字化实验系统，就必须先让教师熟悉数字化实验系统的组成和使用方法，加强培训是首要之举。培训方式可以理论与实操相结合，有具体的参考案例，开展相关的课例研讨活动，围绕数字化实验设计与教学等方面进行有针对性的讨论交流。

1.由上级主管部门组织数字化实验技能培训

培训内容包括：组织教师学习国家政策文件，提高教师对信息化教学技术应用意义的认识；聘请高校专家教授作为顾问，定期开展数字化实验理论培训，结合操作和案例指导教师进行数字化实验的设计和使用策略训练，提高对数字化实验原理的理解和运用能力；长期聘请研发团队专家指导教师学习数字化实验系统的使用方法，解答和帮助解决教师在数字化教学中的应用难题。

2.举办数字化实验教学交流研讨活动

以课例或案例为主题内容，围绕数字化实验的实效性、实验设计、使用策略以及学生实验操作过程中可能遇到的困难和问题等，开展数字化实验教学研讨活动。

3.开展数字化实验设计与实操演示的评比活动

激发和鼓励教师主动参与研究数字化实验的使用策略，开发更多具有创新性的数字化实验方案，提升教师的创新性实验设计能力。

三、结语

综上所述，数字技术与教育的融合发展正逐步深入，实践证明，数字化实验教学对学生的科学素养提升具有良好的促进作用，解决数字化实验系统的应用难点，对推动数字化教育技术在教学中的普及应用具有积极意义。

参考文献

[1]卢福棠.小学科学数字化实验与传统实验的利与弊[J].教育信息技术，2015（8）：80-81.

[2]中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准[M].北京：北京师范大学出版社，2022.