信息技術(shù)賦能生物學實驗教學的實踐與思考

解凱彬

摘要： 為幫助學生提高科學探究能力，建構(gòu)生命觀念，發(fā)展生物學學科核心素養(yǎng)，適應未來社會競爭，研究者針對廣義數(shù)字化實驗，探討信息技術(shù)如何有效應用于生物學實驗，并著重探究虛擬仿真技術(shù)和傳感器技術(shù)賦能生物學實驗教學的新路徑，即突破時空限制，體驗探究全過程，深化對科學探究的理解；從靜態(tài)定性實驗向動態(tài)定量實驗轉(zhuǎn)變，加深對科學本質(zhì)的理解；堅持以學為中心，提升內(nèi)驅(qū)力，激發(fā)潛能和創(chuàng)造力；從單科學習邁向跨學科實踐，通過整合式學習建構(gòu)跨學科概念；突破傳統(tǒng)實驗的安全限制、避免倫理問題，培育良好的情感態(tài)度與價值觀。教師要認識到信息技術(shù)是手段而非目標，數(shù)字化實驗不可濫用，提高數(shù)字化實驗效能需要加強技術(shù)平臺建設和案例資源開發(fā)，只有數(shù)字化實驗與常規(guī)實驗教學優(yōu)勢互補，才能走出傳統(tǒng)實驗教學困境，回應新時代的教育訴求。

關鍵詞：信息技術(shù)；中學生物學；實驗教學；跨學科學習；數(shù)字化實驗

2015年，聯(lián)合國教科文組織發(fā)布了《2030年教育行動框架》，指出必須利用創(chuàng)新方法和信息技術(shù)強化教育體系，傳播知識，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)且有效的教學。數(shù)字化教學是基礎教育課程改革的巨大推動力?！镀胀ǜ咧猩飳W課程標準（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標”）指出：信息技術(shù)的快速發(fā)展為課堂提供了模擬實驗等豐富多樣的教學資源，充分利用以“互聯(lián)網(wǎng)+”為代表的教育技術(shù)可在一定程度上減少主動學習活動對實驗耗材及相關場地條件的依賴。信息技術(shù)的應用為中學生物學實驗教學注入新的活力，也為學生的科學實踐提供了強有力的技術(shù)支持。數(shù)字化實驗與常規(guī)實驗教學優(yōu)勢互補，有利于教師走出傳統(tǒng)實驗教學困境。

一、數(shù)字化實驗與生物學實驗教學的內(nèi)涵

什么是數(shù)字化實驗？國內(nèi)學者主要從組件構(gòu)成進行定義，廣義的數(shù)字化實驗涵蓋虛擬仿真實驗、借助多媒體展現(xiàn)的實驗和應用傳感器的實驗；狹義的數(shù)字化實驗則指用傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計算機構(gòu)建系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)實驗進行數(shù)據(jù)采集、處理和分析的新型實驗模式，即數(shù)字化信息系統(tǒng)（Digital Information System，簡稱DIS）。筆者將針對廣義數(shù)字化實驗，探討信息技術(shù)如何有效應用于生物學實驗教學。多媒體技術(shù)在教學中的應用歷史相對久遠且研究較為成熟，筆者著重探究虛擬仿真技術(shù)和傳感器技術(shù)如何賦能生物學實驗教學。

生物學作為科學教育的主要學科之一，是人們認識世界和生命的基礎，生物學本質(zhì)上是一門實驗科學。學生通過生物學實驗這一重要的探究和實踐形式參與科學探究活動，建構(gòu)科學概念，理解科學本質(zhì)，有利于發(fā)展生物學學科核心素養(yǎng)。生物學實驗既是學習形式，又是學習內(nèi)容。筆者探討的生物學實驗教學是，教師在教學過程中指導學生利用特定的儀器設備和藥品、材料等對生命現(xiàn)象進行觀察、對生命活動規(guī)律進行探究，幫助學生建構(gòu)生命觀念，提高科學探究能力，發(fā)展生物學核心素養(yǎng)的教學形式。

二、信息技術(shù)應用于生物學實驗教學的現(xiàn)狀

早期數(shù)字化實驗主要應用于高等教育，隨著信息技術(shù)日臻成熟，也逐漸應用于中小學實驗教學。我國開展數(shù)字化實驗時間較晚。2002年，上海率先將數(shù)字化實驗引入教學領域，隨后其他地區(qū)逐漸在教學中開展數(shù)字化實驗，目前已有14個?。ㄖ陛犑校┏雠_數(shù)字化探究實驗室配備標準。

數(shù)字化實驗最早應用在物理教學中，后擴展至化學、生物學等學科。目前，國內(nèi)對數(shù)字化實驗教學的研究也多集中于物理和化學學科，生物學方面的研究略顯匱乏。筆者對國內(nèi)相關文獻檢索并分析后發(fā)現(xiàn)，當前中學生物學數(shù)字化實驗教學研究主要存在以下問題：一是研究體量小，即整體論文量不足，明顯少于物理、化學學科；二是系統(tǒng)性不強，即現(xiàn)有研究多集中于個別數(shù)字化實驗案例的設計、開發(fā)，缺乏對中學生物學整體實驗課程的分配與規(guī)劃；三是缺乏有效評價，即大部分案例研究類文獻偏重于描述數(shù)字化實驗操作的流程，并未利用數(shù)字化實驗改變教學評價方式，使得形式大于內(nèi)容，沒有發(fā)揮出數(shù)字化實驗教學的全部潛力；四是實證性研究稀缺，即國內(nèi)很少有研究者對比并量化數(shù)字化實驗教學與傳統(tǒng)實驗教學效果的差異，對中學生物數(shù)字化實驗教學的效果、學生的興趣與實驗偏好、學習效果的提升幅度等，缺乏實證研究。

三、信息技術(shù)賦能生物學實驗教學的實踐

研究表明：受實驗設備限制、實驗課時不足、實驗安全隱患等因素影響，當前中學生物學實驗的開出率普遍較低，部分實驗甚至只存在于教材、課標中，從未真正落地開展。在實驗教學中，教師多以講述的方式介紹實驗過程以及步驟，習慣用多媒體課件演示實驗，逐漸形成了教師演示、學生模仿的被動實驗教學程式。教師在傳統(tǒng)實驗室教學，需要持續(xù)復雜的資源保障，包括人員、資金及空間等，確保實驗安全。

教師開展數(shù)字化實驗，可以拓寬實驗教學的實踐路徑，突破傳統(tǒng)實驗教學瓶頸，并應用于各類實驗，如課堂演示實驗、戶外實驗、學生分組實驗、驗證實驗和探究實驗等。21世紀的青少年接受信息技術(shù)的能力強，適合通過體驗式的實踐活動理解生物學知識并主動建構(gòu)生命觀念。相較于傳統(tǒng)實驗，數(shù)字化實驗更有利于學生開展生物學實驗，提升學生的素養(yǎng)和能力。

（一）突破時空限制，體驗科學探究全過程，深化對科學探究的理解

由于場地、設備及實驗過程等受限，中學生物學實驗教學中一些用時過長的實驗往往被刻意忽視，但有了信息技術(shù)的支持以后，教師可以突破時空限制，盡可能地讓學生體驗科學探究全過程，進而加深對科學探究的理解。例如，“培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化”這一探究實驗涉及酵母菌的培養(yǎng)、取樣、計數(shù)和數(shù)學建模（繪制種群數(shù)量變化曲線）等內(nèi)容，教師采用新方法教學，效率大大提高。按照常規(guī)方案，該實驗需要7天完成，歷時較長，且學生在對實驗條件控制不精準的情況下，即便用7天時間也難以繪制較為理想的S形曲線。一些教師對實驗進行改進，即讓學生間隔1小時或2小時取樣、計數(shù)，24小時便可完成實驗，繪制S形曲線，但24小時連續(xù)工作難度很大，學生仍無法獨立、全程參與探究活動。教師通過數(shù)字化實驗可以有效解決上述難題——將傳統(tǒng)實驗室教學與虛擬化技術(shù)結(jié)合，先讓學生在實驗室完成前期酵母菌培養(yǎng)、取樣、利用血細胞計數(shù)板計數(shù)等操作，學習基本的實驗操作技能；再讓學生利用虛擬實驗軟件（通過點擊按鈕）完成取樣和血細胞計數(shù)板計數(shù)工作，并用模擬數(shù)據(jù)建模。這樣，學生將現(xiàn)實實驗操作和虛擬實驗結(jié)合起來，既不影響對實驗過程的體驗和實驗技能的學習，又能在后期將重心真正放在基于證據(jù)的推理、論證和建模等能力的提升上。

此外，移動式數(shù)字化設備的應用為學生提供了更多戶外實驗的機會，從技術(shù)層面突破了傳統(tǒng)實驗室的條件限制。例如，對于“調(diào)查測量土壤酸堿度對植物的影響”實驗，傳統(tǒng)的做法是在實驗室中進行植物培養(yǎng)，人工模擬不同pH來探究酸堿度對植物生長發(fā)育的影響。由于植物生長周期長且人工控制的環(huán)境與實際環(huán)境條件差異較大，植物往往生長不好，探究成功率較低。師生利用pH傳感器可以將實驗從室內(nèi)轉(zhuǎn)到戶外，在真實的生長環(huán)境中開展探究活動，避免人為因素影響。實驗中，教師組織學生在校園的不同區(qū)域，使用便攜式pH傳感器測量土壤的酸堿度，同時記錄同一區(qū)域不同酸堿度土壤中植物生長的狀況，探究效果很好。學生在自然環(huán)境中基于真實場景進行探究，有利于深度學習，更好地理解科學探究的精髓。

新冠肺炎疫情期間，數(shù)字化實驗有了更加廣闊的應用空間，在無法線下教學時，數(shù)字化實驗能在一定程度上填補常規(guī)實驗教學空缺。

（二）實現(xiàn)靜態(tài)定性實驗向動態(tài)定量實驗轉(zhuǎn)變，加深對科學本質(zhì)的理解

新課標明確指出，在重視定性實驗的同時，也應重視定量實驗，讓學生在量的變化中了解事物的本質(zhì)。在傳統(tǒng)生物學實驗教學中，教師主要開展定性實驗，幫助學生了解一般的因果關系，但只有在對研究對象的各種屬性進行定量描述的基礎上，才能準確地解釋其規(guī)律和實質(zhì)。傳感器可以有效記錄實驗數(shù)據(jù)的實時變化情況，精準反映生命活動的變化過程。實驗數(shù)據(jù)一般以圖像形式直觀地呈現(xiàn)給學生，有利于他們更好地觀察實驗過程中的各種變化，從整體上科學準確地認識生命過程，加深對科學本質(zhì)的理解。例如，教學“探究綠色植物的呼吸作用”時，需要演示萌發(fā)種子與煮熟種子對比的實驗，即分別用溫度計、澄清石灰水和蠟燭的燃燒情況來定性展示呼吸作用過程中能量的釋放、CO的產(chǎn)生及O的消耗情況。該實驗流程煩瑣費時，對變量的控制也不精準，學生常常會質(zhì)疑實驗結(jié)果與結(jié)論的可靠性，如學生認為蠟燭熄滅不是因為O被消耗而是CO產(chǎn)生過多。此外，拆解呼吸作用這一生理過程，用三個實驗分開演示，不利于學生整體理解細胞呼吸。教學中，教師利用溫度傳感器、O傳感器、CO傳感器和濕度傳感器等設備，將萌發(fā)種子與煮熟種子分別置于獨立的空間，同時插入四種傳感器，讓學生觀察O、CO、溫度和濕度變化情況。在這種動態(tài)實時的量化數(shù)據(jù)支持下，學生既可以排除其他變量的影響，直觀地認識到“細胞呼吸是一個整體的生理過程，物質(zhì)的消耗與產(chǎn)生、能量的釋放是同時進行的”，又可以對比各物質(zhì)消耗與產(chǎn)生的比例，領悟細胞呼吸的實質(zhì)。學生通過這種定量實驗，能夠從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，提高自身科學思維和科學探究能力，理解科學本質(zhì)。

（三）堅持以學為中心，提升內(nèi)驅(qū)力，激發(fā)潛能和創(chuàng)造力

與傳統(tǒng)實驗相比，數(shù)字化實驗賦予學生更多的方法上的選擇和運用不同手段的可能性，有利于改變學生普遍被動學習的現(xiàn)狀，將主動權(quán)交予學生，讓他們在高度自主參與的過程中，提升內(nèi)驅(qū)力，激發(fā)學習潛能和創(chuàng)造力。例如，對于“比較過氧化氫在不同條件下的分解”實驗，以往教師通常是這樣教學的：在HO溶液中加入催化劑FeCl溶液和新鮮肝臟研磨液，讓學生通過觀察試管中氣泡的多少與衛(wèi)生香的復燃情況來判斷HO分解速率。這樣實驗，結(jié)果是學生對氣泡產(chǎn)生的多少雖有印象但缺乏對數(shù)量與尺度的思考，部分學生甚至形成“酶的活性高，產(chǎn)生的氣泡就多”的錯誤概念。事實上，這里應該是酶活性高，單位時間內(nèi)產(chǎn)生氣泡數(shù)量多（即氣泡產(chǎn)生的速率大）。有了信息技術(shù)的支持，學生可以選擇O傳感器實時記錄反應過程中O產(chǎn)生的速率，通過記錄紙上O變化曲線的斜率差異直觀地觀察到催化劑和酶的催化效率的差別，從而形成正確概念。同樣，在前述“探究綠色植物的呼吸作用”的實驗教學中，原本的教師演示實驗因信息技術(shù)的應用變?yōu)閷W生自主探究。這樣的自主選擇、自主開展實驗探究的轉(zhuǎn)變，使學生學習生物學變得更加積極，激發(fā)了創(chuàng)造力，實現(xiàn)認知導向的概念學習向自主建構(gòu)生命觀念的經(jīng)驗學習轉(zhuǎn)變。此外，學生在自主設計和實施實驗方案的過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題、修改方案，從實踐中總結(jié)經(jīng)驗，踐行了以學為中心的理念。

（四）從單科學習邁向跨學科實踐，通過整合式學習建構(gòu)跨學科概念

隨著人類社會不斷發(fā)展，信息時代信息、知識的作用發(fā)生了質(zhì)的變化，單學科學習導致學生思維產(chǎn)生路徑依賴的局限性愈發(fā)突出，數(shù)字化實驗融合應用于教學，作為載體與媒介，在相互關聯(lián)但在學校教育系統(tǒng)中又處于分離狀態(tài)的學科之間開展新的對話。

數(shù)字化實驗相較于傳統(tǒng)實驗，可以呈現(xiàn)更加豐富的實驗內(nèi)容，在一定程度上突破生物學單學科教學的限制和嚴格的學科界限，從而有效加強生物學與物理、化學和數(shù)學等學科的聯(lián)系，尤其是在探究式實驗的開展過程中，由于應用了理化數(shù)字傳感器，學生在設計實驗時不再局限于生物學范疇，而是融合應用化學、物理知識及相關技術(shù)手段。

例如，《義務教育生物學課程標準（2022年版）》設置了“制作水族箱，飼養(yǎng)熱帶魚”跨學科實踐活動，讓學生根據(jù)熱帶魚的生活史、生活習性、食性等制作水族箱，飼養(yǎng)并觀察熱帶魚的有性生殖。該活動中，環(huán)境因素對熱帶魚的生長、發(fā)育和有性生殖有較大的影響，尤其是對卵胎生的孔雀魚，有性生殖對溫度的要求是比較苛刻的。實踐中，學生在水族箱中放置溫度傳感器、O傳感器和pH傳感器，對水體的溫度、溶解氧、酸堿度等條件進行監(jiān)測和調(diào)控，探究熱帶魚的生長發(fā)育及生殖過程與環(huán)境因素的關系，綜合運用跨學科知識和技能完成對熱帶魚的飼養(yǎng)和觀察任務。教師組織跨學科活動，幫助學生建立不同學科知識之間的聯(lián)系，加深對“結(jié)構(gòu)與功能”“尺度、比例和數(shù)量”“因果關系”“穩(wěn)定與變化”等跨學科概念的理解，提高綜合運用所學知識分析和解決實際問題的能力。學生參與跨學科實踐活動，有效避免了僅用生物學學科知識來解決實驗中出現(xiàn)的問題，為學生能力的提升提供更有效的支持，落實了新課標對整合式學習的要求。

（五）突破實驗安全限制、避免倫理問題，培育良好的情感、態(tài)度和價值觀

數(shù)字化實驗的應用使以往出于實驗安全和生命倫理教育的考慮而無法開展的實驗有機會開展。在中學生物學實驗教學中是否應當使用動物進行實驗這一做法遭受很多質(zhì)疑，至今仍存在爭議，因此，很多解剖實驗、傷害性的動物實驗和涉及學生安全的實驗，已經(jīng)從生物學課程當中刪除或不再開展。教師設置虛擬化的實驗情境，可以為學生提供機會，完成生活中難以實現(xiàn)的實驗。例如，“探究魚鰭對魚游泳的影響”實驗因過程太過殘忍和血腥而難以正常開展，但借助信息技術(shù)問題迎刃而解。教師應用虛擬實驗平臺，為學生提供替代方案，讓學生在虛擬學習平臺上點擊按鈕選擇“剪去”魚的不同魚鰭，觀察虛擬的魚的運動情況。這樣在不對魚造成傷害的基礎上探究魚鰭對魚運動的影響，有利于學生建構(gòu)結(jié)構(gòu)與功能觀這一生命觀念。此外，“ABO血型鑒定”實驗因安全原因極少開設，教材提倡用化學藥物的沉淀反應來開展模擬實驗，但學生因為缺乏相應的化學基礎而難以操作，實驗效果較差。在虛擬實驗平臺的支持下，學生可以學習血型鑒定的基本操作，觀察ABO血型不同的凝集現(xiàn)象，實驗安全高效。

虛擬實驗平臺的應用不僅使得這些實驗探究能在中學生物課堂上正常開展，而且落實了人文關懷和安全、倫理教育，有利于培育學生良好的情感態(tài)度與價值觀。

四、信息技術(shù)應用于生物學實驗教學引發(fā)的思考

信息技術(shù)賦能生物學實驗對教學產(chǎn)生了積極影響，但因其在生物學教學中的應用尚處于探索和發(fā)展的過程中，教師信息技術(shù)素養(yǎng)有待提升。因此，數(shù)字化實驗教學仍存在不足。教師在開展數(shù)字化實驗的過程中需注意如下問題。

（一）信息技術(shù)是手段而非目標

教育工作者設計實驗或者課程方案，首要解決的問題是，如何有效地使用技術(shù)促進教學創(chuàng)新、達成教學目標。教師要充分考慮實驗性質(zhì)、作用、教學目標、預期成果，僅在傳統(tǒng)實驗條件不足或不易開展時才考慮用數(shù)字化實驗替代傳統(tǒng)實驗。數(shù)字化實驗因其獨特的新鮮感和視覺沖擊力容易激發(fā)學生的好奇心從而提升學生的實驗興趣，也豐富了實驗教學形式，因而受到一些教師的青睞。但實驗教學中存在信息技術(shù)應用過度的問題，轉(zhuǎn)移了師生的注意力，影響教學目標的達成。不能反客為主、喧賓奪主，這是教師開展數(shù)字化實驗教學應首先關注的問題。例如，教師在開展虛擬實驗時，不能讓學生過度關注虛擬現(xiàn)實（VR）頭盔和游戲手柄的操縱，而忽視探究的真正目的和要達成的目標。

（二）數(shù)字化實驗不可濫用

教師應堅持用數(shù)字化實驗改進教學的初衷而非用其取代實操性實驗，不能將數(shù)字化實驗過度覆蓋傳統(tǒng)實驗的授課形式。數(shù)字化實驗的濫用減弱了學生的實驗操作體驗，造成學生實驗技能不高，繪圖能力、數(shù)據(jù)處理能力、復雜情況判斷能力和解決問題能力加劇退化。正因如此，對于“培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化”實驗，筆者主張先讓學生參與酵母菌的培養(yǎng)、取樣和計數(shù)等操作活動，而非完全采用虛擬方式教學。

數(shù)字化虛擬實驗可以由個體單獨完成，在賦予了每個學生操作機會的同時，也減少了學生合作學習的機會，不利于培養(yǎng)學生的團隊精神與能力。再者，如實驗過程中缺乏教師的有效指導，則本質(zhì)上是將學習過程降低成一種信息傳輸?shù)臋C械活動。一旦教師在實驗教學中過度依賴數(shù)字化實驗教學，應用信息技術(shù)超過應有的尺度，學生就很難習得生物學實驗技能，未來進入高等教育體系會處于不利地位。

（三）提高數(shù)字化實驗效能需要加強技術(shù)平臺建設和案例資源開發(fā)

目前，中學生物學數(shù)字化實驗教學的資源開發(fā)尚不夠充分，虛擬實驗平臺建設仍處于初級階段，看似簡單的虛擬實驗軟件的開發(fā)和制作既需要技術(shù)的支撐，又需要大量的人力和資金的投入。傳感器應用于教學的案例研究仍有較大提升空間。當前，教師習慣傳統(tǒng)實驗教學，對數(shù)字化實驗仍然相對陌生，大多數(shù)教師并未很好地掌握數(shù)字化實驗技術(shù)，也缺乏將其運用于教學的能力。在數(shù)字化實驗教學領域，教師為學生提供技術(shù)支撐的能力和數(shù)字化實驗教學資源開發(fā)能力均顯薄弱。信息技術(shù)有效賦能生物學實驗教學，需要教師在常態(tài)化教學的基礎上深入學習、掌握信息技術(shù)并融合應用于生物學實驗教學中。當前已有少數(shù)教師和研究人員對信息技術(shù)應用于生物學實驗教學進行了案例研究，為物學數(shù)字化實驗教學提供了一些可借鑒的范例和資源。但這方面的工作做得還很不夠，虛擬實驗平臺的開發(fā)和高質(zhì)量數(shù)字化實驗教學案例的研究與設計，對于教師開展生物學教學來說是迫切需要。

杜威曾在《學校與社會》中指出：教育的目的就是創(chuàng)造、設計和實踐，數(shù)字化實驗的應用正體現(xiàn)了現(xiàn)代教育對學生這種學習品質(zhì)的追求，也是教育工作者回應科技進步、優(yōu)質(zhì)教育理念對基礎教育發(fā)展要求的結(jié)果。生物學教師應積極探索數(shù)字化實驗與生物學教學的深度融合方式，推動生物學實驗教學向縱深發(fā)展，讓學生具備21世紀應有的技能。

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（作者系南京師范大學教師教育學院教授，中國教育學會生物學教學專業(yè)委員會常務理事、副秘書長，中國教育技術(shù)協(xié)會微格教學專業(yè)委員會常務理事、副秘書長）

責任編輯：祝元志