數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用*

史 喆

(合肥市第八中學(xué) 安徽合肥 230071)

引言

高中生物教學(xué)中多重因素的影響導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以開展，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)以其獨(dú)特的優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用，從而極大地提高了生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和效率。在重視動手實(shí)驗(yàn)和直觀展示的生物實(shí)驗(yàn)課堂中添加數(shù)字化元素，通過直觀生動的呈現(xiàn)，使數(shù)字化的概念深入人心，能使學(xué)生愛上生物實(shí)驗(yàn)，為適應(yīng)未來的人工智能時代奠定基礎(chǔ)。因此，探討數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用具有十分重要的意義。基于此，在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們將數(shù)字化技術(shù)融入“教”“學(xué)”“評”三個層面，打造更加生動立體的課堂。

一、什么是數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)

數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)是利用先進(jìn)的計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、多媒體技術(shù)等，將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中的各種實(shí)驗(yàn)資源數(shù)字化，并通過計算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)管理的高效化。筆者在生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所使用的數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要為數(shù)字化信息實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，此系統(tǒng)主要包含三個部分：一是傳感器，它主要負(fù)責(zé)把實(shí)驗(yàn)中測量的各種非電信號如光照強(qiáng)度、pH值等轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的電信號；二是數(shù)據(jù)采集器，它是傳感器與計算機(jī)的接口，主要負(fù)責(zé)把傳感器的模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并與計算機(jī)進(jìn)行通信；三是軟件，它主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信號的顯示、處理與分析等。另外，數(shù)碼顯微鏡、實(shí)驗(yàn)操作視頻及其他計算機(jī)處理程序也可作為數(shù)字化技術(shù)的輔助部分。

二、數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)

(一)注重線上與線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合，開發(fā)向?qū)W平臺

在高中生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用數(shù)字化探究技術(shù)，核心是利用先進(jìn)的信息技術(shù)、多媒體技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)等將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中需要收集的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)資源和實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行數(shù)字化處理，然后借助計算機(jī)進(jìn)行高效的實(shí)驗(yàn)管理。在長期的實(shí)踐發(fā)展中，數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)技術(shù)形成了完善的體系，具有良好的應(yīng)用效果。為了給學(xué)生提供更豐富立體的實(shí)驗(yàn)課程資源，可以將“生物實(shí)驗(yàn)”整合打造為教學(xué)資源庫，為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)直播課程、實(shí)驗(yàn)錄播課程、實(shí)驗(yàn)研討授課等立體化課程資源，并提供視頻音頻課程、電子書籍、電子教案、PPT課件、學(xué)習(xí)任務(wù)單等各類資源，匯成一份生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源“大餐”。

(二)注重實(shí)驗(yàn)探究，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展

要使實(shí)驗(yàn)技能落地，需要推進(jìn)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的大轉(zhuǎn)型。通過搭建生物學(xué)科數(shù)字化教室，將生物實(shí)驗(yàn)效果展示到聲控智能顯示屏，促進(jìn)教師與學(xué)生及時互動。使用VR技術(shù)輔助實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)，學(xué)生可以點(diǎn)擊查看實(shí)驗(yàn)過程中的動態(tài)變化，教學(xué)資源豐富多彩，提高了生物實(shí)驗(yàn)的安全性，節(jié)省了實(shí)驗(yàn)的時間，真正讓學(xué)生走進(jìn)數(shù)字大課堂，拓寬視野，提升素養(yǎng)。

(三)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)結(jié)果的呈現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測量

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中，通過傳感器對需要用到的實(shí)驗(yàn)量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，應(yīng)用于接下來的實(shí)驗(yàn)活動中。數(shù)據(jù)采集器將采集到的各種模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，利用計算機(jī)將其連接起來。軟件系統(tǒng)將最終的各種實(shí)驗(yàn)過程以及實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象整理到一起展示出來，從而讓學(xué)生直觀地觀察到實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象以及實(shí)驗(yàn)的過程，最終得到實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

三、數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)在高中生物教學(xué)中的應(yīng)用

(一)數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)在“教”的層面的應(yīng)用

1.充分利用先進(jìn)設(shè)備，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效率

數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)，能夠極大地節(jié)約課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時間，提高教學(xué)的效率。開展數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)，在數(shù)據(jù)采集的過程中能夠更快更好地得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這樣能夠縮短學(xué)生處理數(shù)據(jù)的時間。而多出的時間，則可以引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行知識的探究。

例如在指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)《呼吸作用與光合作用》這一節(jié)知識點(diǎn)的過程中，實(shí)驗(yàn)涉及大量的數(shù)據(jù)以及各種圖形分析，一部分學(xué)生往往難以得到精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，且由于這一部分實(shí)驗(yàn)涉及時間周期較長，難以通過傳統(tǒng)方式開展探究。為此可以開展數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)。首先，學(xué)生通過氧氣傳感器及二氧化碳傳感器，對綠色植物光合作用以及呼吸作用進(jìn)行精確的測定。在這一測定過程中，學(xué)生能夠得到精確的數(shù)據(jù)。接下來，學(xué)生對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需要繪制曲線圖以及柱形圖等進(jìn)行分析，最終得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。這樣的方式鍛煉了學(xué)生的數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)分析能力，有利于促進(jìn)學(xué)生綜合素質(zhì)的發(fā)展。

2.實(shí)驗(yàn)教學(xué)深度和廣度的延伸培養(yǎng)了創(chuàng)新能力

生物實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，最為關(guān)鍵的一環(huán)是要讓學(xué)生親身經(jīng)歷實(shí)驗(yàn)過程，并且讓學(xué)生動手實(shí)踐操作。然而在常規(guī)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于一些生物實(shí)驗(yàn)開展需要相應(yīng)的場地，也需要相應(yīng)的實(shí)踐驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，結(jié)果導(dǎo)致教師幾乎不可能在教室中開展實(shí)驗(yàn)。針對這樣的現(xiàn)狀，一些教師采用多媒體的方式，通過視頻講解讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)探究。由于缺少了實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生很難通過親身實(shí)踐掌握生物知識，因此影響了學(xué)習(xí)的質(zhì)量和效率，也不利于學(xué)生實(shí)踐能力的養(yǎng)成。通過數(shù)字化技術(shù)能夠在短時間內(nèi)獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，學(xué)生能夠更好地參與到實(shí)驗(yàn)過程，不斷地發(fā)現(xiàn)新問題，分析解決問題，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，從而在過程中培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維，鼓勵學(xué)生堅(jiān)持創(chuàng)新精神。

例如，教師可以引導(dǎo)學(xué)生利用導(dǎo)電率傳感器、pH傳感器以及渾濁度傳感器對水質(zhì)凈化的方法進(jìn)行研究。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生通過這些數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行探究，并且得出了多種水質(zhì)凈化的方法，最后通過實(shí)踐驗(yàn)證這些水質(zhì)凈化方法的可行性。這一教學(xué)活動中，學(xué)生更好地實(shí)現(xiàn)了在“做中學(xué)”，不但培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)探究能力，更能夠培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，使學(xué)生能夠在生物實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)中更好地發(fā)現(xiàn)問題，也能更好地解決問題。

(二)數(shù)字化技術(shù)在生物實(shí)驗(yàn)課堂“學(xué)”的層面的應(yīng)用

1.體驗(yàn)式學(xué)習(xí)

生物實(shí)驗(yàn)重在體驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)課堂的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)已經(jīng)不再是單純的拓展活動，而是將其完整地嵌入到課程教學(xué)過程中，使教學(xué)目標(biāo)的落實(shí)有了保障，兼顧學(xué)科大概念和學(xué)科知識，促進(jìn)學(xué)生積極參與，進(jìn)行反思發(fā)現(xiàn)。

2.基于數(shù)據(jù)精準(zhǔn)學(xué)習(xí)，主動探究提升科學(xué)思維

著力通過信息技術(shù)的優(yōu)勢了解學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)過程的真實(shí)學(xué)習(xí)狀態(tài)，記錄學(xué)生在本次實(shí)驗(yàn)中，哪個環(huán)節(jié)掌握得好，哪些掌握得不那么好，每個學(xué)生有怎樣的認(rèn)知特征，動手能力如何?；诖丝梢蚤_展更有針對性的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。學(xué)困生可以借助VIP學(xué)習(xí)模式，跟隨老師練習(xí)，跟小組同學(xué)學(xué)習(xí)，還可以根據(jù)優(yōu)秀同學(xué)錄制的小視頻反復(fù)點(diǎn)播學(xué)習(xí)，隨時隨地都能直觀感受實(shí)驗(yàn)效果。

3.理論實(shí)踐結(jié)合，建立社會責(zé)任

傳統(tǒng)的生物實(shí)驗(yàn)只在課堂內(nèi).但數(shù)字化模式下，生物實(shí)驗(yàn)更直觀、貼近生態(tài)、融入大自然，成為課堂創(chuàng)新的重要渠道?；诖耍瑪?shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)打破學(xué)校的圍墻，農(nóng)場、田地、博物館、科技館，甚至重量級的生物實(shí)驗(yàn)室，都是學(xué)生的體驗(yàn)式學(xué)校，能夠全方位立體化的讓學(xué)生認(rèn)識到知識的前因后果，為培養(yǎng)復(fù)合型人才提供便利條件。

(三)數(shù)字化技術(shù)在生物實(shí)驗(yàn)課堂“評”的層面的應(yīng)用

教學(xué)是學(xué)校全部教育活動的核心，科學(xué)、恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)評價將能更好地促進(jìn)教學(xué)的高效有序開展。為此，在生物實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中，必須將評價作為一種重要導(dǎo)向。

1.以學(xué)生為本，過程性評價和終結(jié)性評價結(jié)合

課程標(biāo)準(zhǔn)倡導(dǎo)評價要“立足過程，促進(jìn)全面發(fā)展”，這不僅是評價體系的改革，更是評價理念、評價方法與手段以及評價實(shí)施過程的轉(zhuǎn)變。從關(guān)心學(xué)生的能力發(fā)展和成長需要出發(fā)，通過數(shù)字信息反饋，使評價結(jié)果盡可能符合學(xué)生的成長需求。評價基于數(shù)字化，在強(qiáng)調(diào)多元的同時，建立“在線”對話機(jī)制。師生之間進(jìn)行平等地對話和討論，在對話中逐步消除學(xué)生關(guān)于實(shí)驗(yàn)的知識盲點(diǎn)。

2.基于大數(shù)據(jù)的信息化教學(xué)評價

不同于傳統(tǒng)的總結(jié)性評價僅僅將關(guān)注點(diǎn)聚焦在學(xué)生能否通過實(shí)驗(yàn)得到預(yù)期結(jié)果，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)評價系統(tǒng)會利用記錄的交互數(shù)據(jù)，對學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過程、動作要領(lǐng)進(jìn)行全面分析，歸納出學(xué)生是否全面掌握實(shí)驗(yàn)技術(shù)精髓，由此建立學(xué)生跟蹤檔案，幫助教師更全面地對學(xué)生進(jìn)行評價，并對學(xué)生進(jìn)行針對性的專題教育，精準(zhǔn)做到“量體裁衣”“因材施教”。

四、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用價值

1.信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)課程的全面整合豐富了教學(xué)手段

信息技術(shù)的普及不僅使實(shí)驗(yàn)結(jié)果的呈現(xiàn)更清晰、直觀、便捷，同時還培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力和實(shí)驗(yàn)的探究精神。結(jié)合新課程、新教材中實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)操作和關(guān)鍵能力的培養(yǎng)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)利用先進(jìn)的設(shè)備，鼓勵學(xué)生去創(chuàng)造性地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)改進(jìn)甚至是設(shè)計實(shí)驗(yàn)，充分利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備來培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和科學(xué)探究生物學(xué)科的核心素養(yǎng)。

2.改變學(xué)習(xí)方式，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為新生事物，讓學(xué)生擁有更科學(xué)定量的技術(shù)手段，手腦相結(jié)合，打破學(xué)校的圍墻，將實(shí)驗(yàn)基地與信息技術(shù)整合，有利于學(xué)生主動學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)和合作學(xué)習(xí)，從而讓學(xué)生通過自身體驗(yàn)，養(yǎng)成積極的情感和態(tài)度，獲得創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的提高。

教師開發(fā)可行性案例創(chuàng)造教學(xué)資源豐富的環(huán)境，為高中生物學(xué)教學(xué)提供參考，發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對高中生物學(xué)課堂的促進(jìn)作用。學(xué)生在這種環(huán)境中利用技術(shù)，以小組形式進(jìn)行合作，組內(nèi)交流、探究、探討、展示，不僅培養(yǎng)了生物學(xué)科的核心素養(yǎng)，同時將實(shí)驗(yàn)技術(shù)用于解決生活中的實(shí)際問題，培養(yǎng)了創(chuàng)新精神和擔(dān)當(dāng)意識。

綜上所述，利用數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行高中生物教學(xué)為學(xué)生提供了必要的實(shí)驗(yàn)條件，也能夠?yàn)閷W(xué)生創(chuàng)設(shè)安全的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，從而引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行探究學(xué)習(xí)，進(jìn)一步提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力。學(xué)生不僅掌握了生物知識，也能夠促進(jìn)自身生物綜合素質(zhì)的發(fā)展。將數(shù)字化應(yīng)用于新時期高中生物實(shí)驗(yàn)課堂，面向?qū)W生的未來，融合更加新穎的信息技術(shù)教學(xué)手段，能從注重學(xué)生獲取能力，轉(zhuǎn)向注重學(xué)生學(xué)習(xí)能力，從而引導(dǎo)學(xué)生更好地適應(yīng)數(shù)字化的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)生未來走向社會多一份自信和力量。