數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用難點(diǎn)及其對(duì)策

張潔瑩

〔摘? ? 要〕? 在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，是推進(jìn)教育數(shù)字化的一項(xiàng)重要舉措。早在2002年，數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室已在上海率先推廣應(yīng)用，并把它作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求寫入上海中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)。然而，盡管數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已推廣應(yīng)用了多年，但在課堂教學(xué)中普及應(yīng)用率卻不盡如人意，在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用比例更低，這可能與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用難點(diǎn)有關(guān)。

〔關(guān)鍵詞〕? 小學(xué)科學(xué)；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；應(yīng)用難點(diǎn)；對(duì)策

〔中圖分類號(hào)〕? G424? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A? ? ? ? 〔文章編號(hào)〕? 1674-6317? （2023）? 13-0034-03

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容和組織形式。2019年11月，教育部下發(fā)《關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見》，明確了實(shí)驗(yàn)教學(xué)是國家課程的重要內(nèi)容之一，是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要途徑。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)、移動(dòng)終端或數(shù)據(jù)顯示模塊等設(shè)備組成，在教學(xué)軟件的支持下，適用于理科實(shí)驗(yàn)的一種現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，是推進(jìn)教育數(shù)字化的一項(xiàng)重要舉措。2021年7月8日，教育部等六部門聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于推進(jìn)教育新型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)?構(gòu)建高質(zhì)量教育支撐體系的指導(dǎo)意見》，指出要將信息技術(shù)融合于教育教學(xué)，推進(jìn)教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

早在2002年，數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室已在上海率先推廣應(yīng)用，并把它作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求寫入上海中學(xué)物理課程標(biāo)準(zhǔn)。隨著上海的成功經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)成果在全國推廣，《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017?年版）》和《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》也分別引入了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。可是，盡管數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)推廣應(yīng)用了多年，但在課堂教學(xué)中普及應(yīng)用率卻不盡如人意。

為了了解數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用情況，筆者對(duì)作為國家級(jí)信息化教學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)的所在區(qū)域的小學(xué)科學(xué)教師進(jìn)行了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀調(diào)查（以下簡(jiǎn)稱為“調(diào)查”），發(fā)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)85.71%的學(xué)校沒有配置任何數(shù)字化實(shí)驗(yàn)器材，14.29%的學(xué)校配置了部分?jǐn)?shù)字化實(shí)驗(yàn)器材，沒有一所學(xué)校配置了完整的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；教師對(duì)于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)了解的只有5.56%，58.33%有些了解，不了解的占36.11%；41.64%從未組織開展過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。調(diào)查結(jié)果顯示，區(qū)域內(nèi)學(xué)校在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的比例很低。

近年來，筆者經(jīng)過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)應(yīng)用實(shí)踐探索，認(rèn)為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用比例低，可能與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用難點(diǎn)有關(guān)。

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用難點(diǎn)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用難點(diǎn)與教材中的適用內(nèi)容比例、教學(xué)經(jīng)費(fèi)投入、實(shí)驗(yàn)室環(huán)境、教師的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力、學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力等有關(guān)，這些因素都有可能制約數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用。

（一）在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用需求不大

筆者查看了2022年版《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中的“學(xué)生必做探究實(shí)踐活動(dòng)”，小學(xué)階段有78項(xiàng)學(xué)生必做探究實(shí)踐活動(dòng)，再對(duì)照目前已開發(fā)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)適合采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)輔助教學(xué)的有23項(xiàng)，占29.49%，可見小學(xué)科學(xué)課程內(nèi)容對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用需求較低。據(jù)調(diào)查，75%的教師按照教材內(nèi)容開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，只有11.1%的教師會(huì)創(chuàng)新性地使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)開展實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步降低了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用需求。

（二）經(jīng)費(fèi)投入過高

筆者比較數(shù)字化實(shí)驗(yàn)器材與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材，以溫度計(jì)為例，朗威的溫度傳感器和傳感器數(shù)據(jù)顯示模塊的最新報(bào)價(jià)每個(gè)分別是人民幣680元和1100元，總共是1780元，使用時(shí)還要配上數(shù)據(jù)采集器、計(jì)算機(jī)等設(shè)備；網(wǎng)購平臺(tái)的電子測(cè)溫儀和水銀溫度計(jì)每個(gè)分別是人民幣8.45元和5.58元，無須配上其他設(shè)備就能直接使用。顯然，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的經(jīng)費(fèi)投入的確要高許多。雖然電子溫度計(jì)和水銀溫度計(jì)沒有溫度傳感器的精確度高、測(cè)量準(zhǔn)和測(cè)量速度快，但已經(jīng)可以滿足傳統(tǒng)常規(guī)實(shí)驗(yàn)需要。按仍以傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)為主導(dǎo)的情況，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的性價(jià)比較低。

此外，手機(jī)或平板電腦等移動(dòng)終端工具，附帶部分傳感器，下載安裝軟件后，同樣具備數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的部分功能，可以開展如聲、光、磁等內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)，而且學(xué)生容易獲取，更便于開展課外實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。因此，相對(duì)于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使用自帶傳感器的移動(dòng)終端的性價(jià)比更高。

綜合以上兩點(diǎn)可見，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用需求低和經(jīng)費(fèi)投入高等問題，致使學(xué)校在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)投入的意愿低。巧婦難為無米之炊，教師沒有適用的硬件設(shè)施支持，難以激發(fā)使用和創(chuàng)新數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的興趣，也降低了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在教學(xué)中的應(yīng)用比例。

（三）教師對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)認(rèn)識(shí)不足

對(duì)區(qū)域內(nèi)小學(xué)科學(xué)教師進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果顯示：有50%的教師沒有參加過任何數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用策略培訓(xùn)；在參加過培訓(xùn)的教師中，有66.66%的教師認(rèn)為培訓(xùn)效果一般甚至不佳；教師對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)了解的只有5.56%，58.33%有些了解，不了解的占36.11%；55.56%的教師不清楚數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的科學(xué)性，甚至有16.67%的教師認(rèn)為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是虛構(gòu)的、沒有科學(xué)意義及不能反映真實(shí)現(xiàn)象的。

（四）對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境及學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力要求高

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的傳感器是一種精確度和靈敏度高的電子儀器，檢測(cè)到的數(shù)據(jù)容易受實(shí)驗(yàn)環(huán)境影響而出現(xiàn)數(shù)據(jù)快速變動(dòng)現(xiàn)象，因此對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)操作能力要求都比較高。

1.實(shí)驗(yàn)環(huán)境對(duì)數(shù)據(jù)采集有較大影響

光和聲音在傳播過程中容易受干擾，使用傳感器測(cè)量光度值和聲級(jí)數(shù)值時(shí)，數(shù)據(jù)顯示模塊中的數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)變動(dòng)現(xiàn)象，給學(xué)生讀取數(shù)據(jù)造成極大困擾，不僅增長讀數(shù)時(shí)間，干擾嚴(yán)重時(shí)還容易發(fā)生讀數(shù)錯(cuò)誤問題。

2.對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作能力要求高

雖然學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前已基本獲知實(shí)驗(yàn)方法與步驟，但如果實(shí)驗(yàn)操作能力較弱，實(shí)驗(yàn)操作不規(guī)范而未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)調(diào)整，采集的數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)較大誤差甚至錯(cuò)誤。例如，光的傳播具有明顯的方向性，學(xué)生使用光照度傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí)，當(dāng)光源或傳感器放置的位置稍微有偏差，測(cè)量的數(shù)據(jù)就會(huì)隨之變動(dòng)，若學(xué)生沒有及時(shí)發(fā)現(xiàn)并進(jìn)行調(diào)整，采集到的數(shù)據(jù)就會(huì)有較大誤差甚至錯(cuò)誤。

3.對(duì)教師的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力要求高

2022年版《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》強(qiáng)調(diào)，學(xué)生的實(shí)踐活動(dòng)要從學(xué)生熟悉的日常生活出發(fā)，鼓勵(lì)學(xué)生針對(duì)身邊的生活現(xiàn)象，通過親身經(jīng)歷探究實(shí)踐方式，獲得對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)。小學(xué)生的思維水平仍處于具體運(yùn)算階段，最佳的學(xué)習(xí)方式是在真實(shí)情境中學(xué)習(xí)。但是，真實(shí)情境具有不確定性與復(fù)雜性，真實(shí)情境中的實(shí)驗(yàn)不同于已經(jīng)擬定好程序與方法的常規(guī)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容需要根據(jù)學(xué)習(xí)任務(wù)設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)方法與程序要重新設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)工具就要有針對(duì)性，特別是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器，若沒有購買配套設(shè)備，或許還要教師另尋或自制實(shí)驗(yàn)輔助裝置。這些都要求教師具有創(chuàng)新意識(shí)和較強(qiáng)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用難點(diǎn)及其對(duì)策

（一）建立區(qū)域資源共享機(jī)制，促進(jìn)教育資源均衡分配

共享機(jī)制有利于促進(jìn)教育公平和均衡發(fā)展，符合改革教育供給側(cè)的要求。在經(jīng)費(fèi)有限情況下，建立數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝備資源共享機(jī)制，有利于解決有使用需求但經(jīng)費(fèi)缺乏或高額經(jīng)費(fèi)購置設(shè)備卻使用率低等問題。為此，筆者建議如下。

由區(qū)域主管部門申請(qǐng)資金，購買滿足演示與分組實(shí)驗(yàn)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝備，裝備由主管部門負(fù)責(zé)管理和分配，建立裝備檔案、管理制度和借用制度，按需供給各校輪流使用。

以學(xué)區(qū)或集團(tuán)為單位，由學(xué)區(qū)或集團(tuán)內(nèi)各學(xué)校共籌資金購買滿足演示與分組實(shí)驗(yàn)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝備，裝備由學(xué)區(qū)長學(xué)?；蚣瘓F(tuán)領(lǐng)頭學(xué)校負(fù)責(zé)管理和分配，學(xué)區(qū)或集團(tuán)內(nèi)各校共同建立裝備檔案、管理制度和借用制度，按需供給各校輪流使用。

動(dòng)員廠家或已購數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝備的學(xué)校，外借或出租設(shè)備，出租所得資金用于維護(hù)和置換損壞或老舊的設(shè)備。

按需租借，既能滿足使用需求，又能化解大額經(jīng)費(fèi)使用短缺問題，還能提高設(shè)備使用率，有利于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的推廣，促進(jìn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新研發(fā)。

（二）研發(fā)適合小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)使用的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品

數(shù)字化教學(xué)案例顯示，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì)逐漸顯現(xiàn)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)或數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相融合，是當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)。研發(fā)適合小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品是加快數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用推廣的有效方法之一。

1.配備數(shù)字化實(shí)驗(yàn)專用教室

據(jù)調(diào)查，47.22%的教師認(rèn)為需要配置專門的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室。筆者經(jīng)歷了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐探索，也認(rèn)為配備專門的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)專用室，能更好地保障數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的順利開展。如，使用聲音傳感器測(cè)量聲音的強(qiáng)弱、高低、方向等，由于聲音容易受干擾、反射等影響，致使測(cè)量數(shù)據(jù)容易出現(xiàn)誤差或不準(zhǔn)，若能在室內(nèi)四周安裝隔音和吸音材料，可降低周圍聲音的干擾與反射，讓測(cè)量更加快捷準(zhǔn)確。

2.研發(fā)適用于小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)產(chǎn)品

據(jù)調(diào)查，75%的教師按照教材內(nèi)容開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)。圍繞2022年版《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中提出的78項(xiàng)必做實(shí)驗(yàn)，根據(jù)小學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，研發(fā)適用于小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)器材和相關(guān)配套產(chǎn)品，可讓教師更愿意應(yīng)用和鉆研數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

（三）加強(qiáng)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)芰ε嘤?xùn)，提升教師創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力

要讓教師樂于使用和主動(dòng)研究數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，就必須先讓教師熟悉數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成和使用方法，加強(qiáng)培訓(xùn)是首要之舉。培訓(xùn)方式可以理論與實(shí)操相結(jié)合，有具體的參考案例，開展相關(guān)的課例研討活動(dòng)，圍繞數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與教學(xué)等方面進(jìn)行有針對(duì)性的討論交流。

1.由上級(jí)主管部門組織數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技能培訓(xùn)

培訓(xùn)內(nèi)容包括：組織教師學(xué)習(xí)國家政策文件，提高教師對(duì)信息化教學(xué)技術(shù)應(yīng)用意義的認(rèn)識(shí)；聘請(qǐng)高校專家教授作為顧問，定期開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)理論培訓(xùn)，結(jié)合操作和案例指導(dǎo)教師進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)和使用策略訓(xùn)練，提高對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)原理的理解和運(yùn)用能力；長期聘請(qǐng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)專家指導(dǎo)教師學(xué)習(xí)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用方法，解答和幫助解決教師在數(shù)字化教學(xué)中的應(yīng)用難題。

2.舉辦數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)交流研討活動(dòng)

以課例或案例為主題內(nèi)容，圍繞數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的實(shí)效性、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、使用策略以及學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過程中可能遇到的困難和問題等，開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討活動(dòng)。

3.開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)操演示的評(píng)比活動(dòng)

激發(fā)和鼓勵(lì)教師主動(dòng)參與研究數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的使用策略，開發(fā)更多具有創(chuàng)新性的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)方案，提升教師的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能力。

三、結(jié)語

綜上所述，數(shù)字技術(shù)與教育的融合發(fā)展正逐步深入，實(shí)踐證明，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)對(duì)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)提升具有良好的促進(jìn)作用，解決數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用難點(diǎn)，對(duì)推動(dòng)數(shù)字化教育技術(shù)在教學(xué)中的普及應(yīng)用具有積極意義。

參考文獻(xiàn)

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