運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)開展理化生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐研究

馬育國(guó)

摘 要：技術(shù)的革新對(duì)于研究進(jìn)展的突破往往起到關(guān)鍵作用。通過將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)運(yùn)用于高中理化生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，不僅可以激發(fā)學(xué)生興趣及參與度，還能夠拓展學(xué)生的探究空間，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究精神，提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率，真正推動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：數(shù)字化技術(shù);理化生實(shí)驗(yàn);核心素養(yǎng)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是基于現(xiàn)代信息技術(shù)、傳感器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集、智能控制等來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的技術(shù)系統(tǒng)，相對(duì)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式來(lái)說，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)更加精巧精確，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、測(cè)量和歸納上有著技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，在理化生的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與科學(xué)實(shí)踐中發(fā)揮了重要作用。筆者結(jié)合我校市級(jí)規(guī)劃課題，進(jìn)行了一系列運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)開展理化生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐研究，取得了一定的成效。

1.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)在理化生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

物理、化學(xué)、生物都是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在教學(xué)中具有舉足輕重的作用，通過將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)引入理科探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)，拓展實(shí)驗(yàn)探究的實(shí)踐和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，一定程度上改善了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)效。利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)在提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究興趣，培養(yǎng)學(xué)生的理科科學(xué)思維和開展科學(xué)探究的能力中發(fā)揮了一定的作用。

1.1創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)情景，激發(fā)學(xué)生探究欲望

愛因斯坦說過：興趣是最好的老師。它可激發(fā)人的創(chuàng)造熱情、好奇心和求知欲。在理科實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的直觀性創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)情景，可以激發(fā)學(xué)生的探究欲望，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)高質(zhì)量的開展奠定基礎(chǔ)。例如，課題研究中一位物理老師在上《電磁感應(yīng)現(xiàn)象》時(shí)，利用錄音機(jī)、線圈、磁鐵和振動(dòng)膜組成的“揚(yáng)聲器”播放音樂，同時(shí)利用聲波傳感器測(cè)得電磁裝置振動(dòng)時(shí)的聲波圖，引導(dǎo)學(xué)生回顧電流能夠產(chǎn)生磁場(chǎng)的物理概念，在感觀認(rèn)知中進(jìn)一步思考磁和電的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)探究的興趣。

1.2直觀實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果，突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)難點(diǎn)

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，受到觀察或測(cè)定裝置的限制，導(dǎo)致記錄數(shù)據(jù)不夠真實(shí)準(zhǔn)確，教師不能及時(shí)全面的檢測(cè)同學(xué)們的實(shí)驗(yàn)情況，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)所記錄、分析的數(shù)據(jù)也無(wú)法全面滿足當(dāng)前的中學(xué)理科實(shí)驗(yàn)探究需要。但數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的引入，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)字化分析、整合和管理，為定量、微觀、宏觀的探究實(shí)驗(yàn)操作提供了便利。再加上數(shù)字化實(shí)驗(yàn)曲線呈現(xiàn)的結(jié)果非常直觀，操作簡(jiǎn)便、靈活、減少了繁瑣的計(jì)算，大大簡(jiǎn)化了課堂教學(xué)程序，實(shí)驗(yàn)過程的電腦呈現(xiàn)及截圖功能，不但給予學(xué)生更真切直觀的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)，也有助于教師較快速準(zhǔn)確的了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)情況，突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重難點(diǎn)，切實(shí)強(qiáng)化中學(xué)理科實(shí)驗(yàn)的直觀性、可分析性、科學(xué)性，培養(yǎng)了科學(xué)探究意識(shí)和數(shù)據(jù)分析能力。如課題組的一位化學(xué)老師進(jìn)行《強(qiáng)電解質(zhì)和弱電解質(zhì)》這一高中化學(xué)教學(xué)難點(diǎn)的教學(xué)時(shí)，借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，使用電導(dǎo)率傳感器、數(shù)據(jù)采集器及電腦測(cè)量相同濃度不同溶液的電導(dǎo)率變化并進(jìn)行數(shù)據(jù)收集、整理及分析，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)中通過電導(dǎo)率的大小判斷強(qiáng)電解質(zhì)、弱電解質(zhì)及非電解質(zhì)，得出結(jié)論：在相同溫度和相同濃度條件下，強(qiáng)電解質(zhì)在溶液中完全電離，離子濃度大，電導(dǎo)率大，弱電解質(zhì)部分電離，離子濃度小，電離度小。利用傳感器技術(shù)改進(jìn)課本實(shí)驗(yàn)，有效的突破了教學(xué)難點(diǎn)，取得了良好的教學(xué)效果。

1.3 創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)

教育部在2014年3月30日印發(fā)了《關(guān)于全面深化課程改革落實(shí)立德樹人根本任務(wù)的意見》，第一次明確提出了“核心素養(yǎng)”的概念， 明確指出各級(jí)各類學(xué)校要將核心素養(yǎng)的發(fā)展落實(shí)到各學(xué)科教育教學(xué)中去[1]。理化生實(shí)驗(yàn)因其實(shí)驗(yàn)過程中特含的科學(xué)探究和科學(xué)思維要求，成為培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)的有效途徑。但在傳統(tǒng)的高中實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式下，學(xué)生只需按照實(shí)驗(yàn)步驟操作即可，很難發(fā)揮科學(xué)探究的優(yōu)勢(shì)。在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，教師設(shè)計(jì)并實(shí)施了以學(xué)生探究為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，有助于學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究體驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)觀察、實(shí)驗(yàn)分析中培養(yǎng)科學(xué)思維能力。如課題組一生物老師借助傳感器探究環(huán)境因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響的探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，先讓學(xué)生在認(rèn)知光照度傳感器和溶氧傳感器的基礎(chǔ)上，討論設(shè)計(jì)修正實(shí)驗(yàn)過程，然后全班分8個(gè)小組，每?jī)山M重復(fù)實(shí)驗(yàn)，分別利用光照度傳感器和溶氧傳感器探究了CO2濃度、光照強(qiáng)度、溫度、PH對(duì)植物（葉片小圓片）光合作用的影響，通過測(cè)定相同葉圓片，強(qiáng)光照下不同二氧化碳濃度、不同溫度、不同PH實(shí)驗(yàn)條件下15分鐘內(nèi)溶液中溶解氧初始數(shù)據(jù)（mg.l-1）、溶解氧終結(jié)數(shù)據(jù)（mg.l-1）以及20水溫時(shí)不同光照強(qiáng)度條件下溶解氧初始數(shù)據(jù)（mg.l-1）、溶解氧終結(jié)數(shù)據(jù)（mg.l-1），然后各小組分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及實(shí)驗(yàn)過程中曲線圖的收集與分析，交流不同影響因素對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響的認(rèn)識(shí)。各組間對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中出現(xiàn)的有關(guān)問題注意事項(xiàng)、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行交流探討，從而進(jìn)一步理解各種環(huán)境因素對(duì)植物光合作用強(qiáng)度影響情況。本節(jié)課的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅培養(yǎng)了學(xué)生學(xué)會(huì)控制自變量、觀察和檢測(cè)因變量變化，而且通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)過程的實(shí)施，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理以及實(shí)驗(yàn)曲線分析培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)探究意識(shí)、進(jìn)行科學(xué)思維的能力，從而較好了培養(yǎng)了學(xué)生的核心素養(yǎng)。

1.4 拓寬實(shí)驗(yàn)探究空間，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率

傳感器技術(shù)的應(yīng)用帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的定量性，使我們更容易測(cè)得微小的數(shù)據(jù)變化，實(shí)驗(yàn)成功的概率更高，結(jié)果更加準(zhǔn)確也更加清晰，讓學(xué)生更多的體驗(yàn)成功的快樂。傳感器種類豐富，可以讓學(xué)生更加側(cè)重在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，完成許多原來(lái)不能完成的實(shí)驗(yàn)，帶來(lái)了實(shí)驗(yàn)探究的多樣性，拓寬了學(xué)生的探究空間。由于傳感器實(shí)驗(yàn)技術(shù)可以持續(xù)地采集數(shù)據(jù)，可以保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)圖像，學(xué)生可以分析一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)變化并預(yù)測(cè)變化趨勢(shì)，這就打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的時(shí)間限制，在有限的時(shí)間內(nèi)完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法完成的內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。

2.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)在高中理化生實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的局限性

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)方便對(duì)于各項(xiàng)生化指標(biāo)的測(cè)量，也方便微觀世界的觀察，但數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室并不是在任何時(shí)候都能體現(xiàn)出其優(yōu)勢(shì)的，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在一定的局限性。1.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)受到設(shè)備經(jīng)費(fèi)的制約，數(shù)量和種類還不能滿足一些學(xué)校開足學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的需求。2.理化生實(shí)驗(yàn)中能夠運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)的內(nèi)容較少，一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、觀察類實(shí)驗(yàn)是無(wú)法用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)替代的。3.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)重結(jié)果而輕過程，不能滿足高考對(duì)一些內(nèi)容傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過程的考查要求，為了“直觀性”和“準(zhǔn)確性”犧牲實(shí)驗(yàn)的過程是不可取的。

綜上，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比具有一定的優(yōu)勢(shì)，極大的支持了高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革，提供了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新方法，是科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的重要工具，但也同樣存在有它的不足之處，這就要求我們根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)際情況具體分析，與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作相結(jié)合，在有限的時(shí)間內(nèi)合理使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，不斷提高我們實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率。

參考文獻(xiàn)

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基金項(xiàng)目：蘇州市2014年度規(guī)劃課題《葉圣陶“問題中心，實(shí)驗(yàn)探究”課程思想運(yùn)用于高中數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐研究》 課題編號(hào)：Y-B/2014/06/06。