數(shù)智融創(chuàng)推動科學實驗教學數(shù)字化轉型實踐探索

摘 要：實驗教學是科學教育的主要特征和重要內(nèi)容。廣東中山市經(jīng)過10余年的迭代研究和實踐探索，提煉出“數(shù)智融創(chuàng)”推動科學實驗教學數(shù)字化轉型模式。該模式從環(huán)境、教師、實驗、教學等方面推動“數(shù)智技術+實驗教學”的融合創(chuàng)新，推動科學實驗教學數(shù)字化轉型，有效解決實驗教學工作中存在一些問題。該模式經(jīng)在中山市實踐應用，其可行性得到了充分驗證，成效顯著，為提升科學教育質(zhì)量、培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力提供了強有力的支撐。

關鍵詞：數(shù)智技術；實驗教學；科學教育；數(shù)字化轉型

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

實驗教學是科學教育的主要特征和重要內(nèi)容，是培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的重要途徑?！督逃筷P于加強和改進中小學實驗教學的意見》提出實驗教學要拓展創(chuàng)新，不斷將科技前沿知識和最新技術成果融入實驗教學，豐富內(nèi)容，改進方式[1]。廣東中山市教育技術中心自2013年起，聚焦數(shù)字技術和智能設備在實驗教學中的融合應用，開展了系列課題研究，逐步形成了“數(shù)智融創(chuàng)”推動科學實驗教學數(shù)字化轉型模式。該模式有效解決了實驗教學工作中存在的問題，顯著提高了科學實驗教學質(zhì)量，其可行性、有效性得到較充分的驗證。

一、問題的提出

實驗教學在科學教育中扮演著至關重要的角色，但科學實驗教學仍面臨著諸多不容忽視的問題和挑戰(zhàn)。這些問題不僅影響了實驗教學的質(zhì)量，也制約了學生實踐能力和創(chuàng)新精神的培養(yǎng)。問題突出表現(xiàn)在以下三個方面：

（一）實驗教學條件亟待改善

部分學校科學實驗室建設標準不高，數(shù)量不足，且經(jīng)常被其他用途擠占；實驗儀器、設備設施配置不均衡，智能化、數(shù)字化儀器嚴重缺乏，很難適應信息化時代和課程教學改革的需求；實驗器材在質(zhì)量、數(shù)量、結構以及功能方面存在問題，較難滿足教學要求，影響了實驗教學的效果。

（二）教師實驗能力急需提升

部分科學教師實驗教學能力薄弱，尤其是小學科學教師，專職少、兼職多，專業(yè)性不強，較難勝任實驗教學工作；教師普遍信息素養(yǎng)不高，難以適應信息化時代實驗教學的新要求；部分教師實驗教學理念和方法陳舊，缺乏創(chuàng)新意識和實踐能力。

（三）實驗教學水平有待提高

相當數(shù)量學校不開或少開實驗課，學生缺乏實驗操作的實踐機會，無法充分理解和掌握知識；講實驗代替做實驗的現(xiàn)象普遍存在，探究性實驗、創(chuàng)新性實驗、綜合性實驗開展的經(jīng)常性、有效性不夠，無法滿足課標要求和學生實踐創(chuàng)新能力培養(yǎng)的需求；實驗教學評價體系缺乏科學性和有效性，難以全面評估學生的實驗能力和創(chuàng)新精神。

二、解決問題的方法與過程

（一）解決問題的方法

基于以上問題，我們經(jīng)過不斷的研究和實踐，建構了“數(shù)智融創(chuàng)”推動科學實驗教學數(shù)字化轉型模式，如圖1所示。該模式將數(shù)智技術和實驗教學有機融合，通過建構數(shù)智融創(chuàng)實驗教學環(huán)境，建立數(shù)智融創(chuàng)教師共同體協(xié)同培育機制，開展基于數(shù)智融創(chuàng)實驗教學實踐研究、探索實驗創(chuàng)新方法和教學模式，實現(xiàn)環(huán)境、教師、實驗、教學四個方面的協(xié)同驅(qū)動，構建科學實驗教學數(shù)字化轉型新生態(tài)。

（二）解決問題的過程

科學實驗教學的“數(shù)智融創(chuàng)”主要從學校和教師兩個維度出發(fā)。

（1）學校層面

①政策引領。中山市教育事業(yè)“十三五”“十四五”規(guī)劃都對加大學校實驗室裝備投入，提升實驗室裝備現(xiàn)代化水平，加強信息技術在教學中的應用提出了明確要求?！吨猩绞薪逃畔⒒行膶W校建設方案》也把創(chuàng)新實驗室作為教育信息化中心學校建設必備條件之一?！吨猩绞嘘P于加強和改進中小學實驗教學的實施意見》提出，積極探索建設綜合實驗室、創(chuàng)新實驗室、教育創(chuàng)客空間等特色實驗教學空間，鼓勵對普通教室進行多功能技術改造，建設復合型綜合實驗教學環(huán)境，鼓勵實驗教學與現(xiàn)代新興科技有機融合。

②設備支持。中山市每年采購一批現(xiàn)代化實驗儀器設備，包括數(shù)字化實驗儀器、數(shù)碼顯微鏡、數(shù)學圖形計算器、教育創(chuàng)客、人工智能設備等，分配給部分學校試點應用。由中山市教育技術中心組織產(chǎn)品論證和統(tǒng)一招標采購，確保了設備的質(zhì)量和適用性。在試點應用的基礎上，這些設備得以在全市范圍內(nèi)推廣，持續(xù)優(yōu)化了學校的數(shù)智實驗教學環(huán)境。

③經(jīng)費保障。中山市教育技術中心積極爭取財政專項資金，支持學校進行現(xiàn)代教育裝備的建設和薄弱學校實驗室的改造。資金分配上，堅持效益優(yōu)先的原則，對實驗教學重視、積極探索、師資條件良好的學校給予重點支持。同時，通過督導檢查確保學校按照《廣東省城鄉(xiāng)義務教育補助經(jīng)費管理辦法》的要求，將年度公用經(jīng)費預算總額的10%用于購置儀器設備和圖書資料。

（2）教師層面

①課題驅(qū)動。如表1所示，2013至2023年，中山市開展了5項數(shù)智融創(chuàng)實驗教學課題研究。這些研究由中山市教育技術中心組織，課題組主要成員大多來自教學一線，定期組織開展實驗教學研討與交流活動。通過課題研究，探索了實驗創(chuàng)新的方法路徑、技術融合策略和教學效果評價，推動了數(shù)智技術在科學實驗教學中的廣泛應用。

②協(xié)同培育。為了引領廣大教師共同參與創(chuàng)新實驗教學研究，2019年中山市教育技術中心成立了實驗教學數(shù)智融創(chuàng)教師共同體，2023年成立了以科學實驗教學為主要研究方向的市級名師工作室。共同體和名師工作室為教師提供了一個交流學習和協(xié)同培育平臺，通過該平臺，教師可以學習新技術、應用新裝備、掌握新方法、設計新實驗，從而不斷提升自己的專業(yè)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

③平臺搭建。中山市定期舉辦實驗教學論文評選、自制教具評選、實驗教學精品課遴選、實驗教學說課活動、實驗操作與創(chuàng)新技能競賽等系列實驗教學活動。這些活動不僅為教師提供了展示教學成果的舞臺，也促進了教師之間的交流與學習。此外，中山市教育技術中心還建立了微信公眾號“愛上實驗課”，定期發(fā)布優(yōu)秀實驗教學創(chuàng)新案例，為教師提供了豐富的教學資源和學習靈感。

通過以上措施，中山市逐步建構起數(shù)智融創(chuàng)實驗教學的新生態(tài)系統(tǒng)，為推動全市科學實驗教學的數(shù)字化轉型奠定了堅實基礎。

三、主要成果

（一）科學實驗教學數(shù)智融創(chuàng)的“五步四法”

（1）數(shù)智融創(chuàng)實驗教學的“五步”路徑

如圖2所示，數(shù)智融創(chuàng)實驗教學遵循一條完整的路徑，包括“提出設想-優(yōu)化設計-實驗創(chuàng)作-實踐評價-成果推廣”五個步驟，這五個步驟緊密相連，層層遞進，共同構成了實驗教學創(chuàng)新的整個流程。

①提出設想：深入分析教材，查詢相關文獻，結合學生實際，提出具有創(chuàng)新性和可行性的實驗設想。

②優(yōu)化設計：與同行交流方案，共同研討實驗方法，通過集體智慧優(yōu)化實驗設計，確保實驗的科學性和可操作性。

③實驗創(chuàng)作：學習并掌握相關的數(shù)智技術，如數(shù)字探究、人工智能、AR/ VR等，利用這些技術和工具進行實驗操作，實現(xiàn)實驗的創(chuàng)新與改進。

④實踐檢驗：完成教學實施，收集學生的反饋意見，對實驗效果進行客觀評價，及時調(diào)整和優(yōu)化實驗方案。

⑤成果推廣：展示交流實驗成果，撰寫并發(fā)表相關論文，將成功經(jīng)驗分享給更多的教育工作者，推動實驗教學創(chuàng)新的發(fā)展。

（2）數(shù)智融創(chuàng)實驗教學的常用“四法”

在科學實驗創(chuàng)新中，數(shù)智技術發(fā)揮著舉足輕重的作用。它們?yōu)閷嶒瀯?chuàng)新提供了強有力的技術支持。利用數(shù)智技術進行實驗創(chuàng)新通常采用圖3所示的四種方法。

①縮放法：通過創(chuàng)新教具的使用，將那些因時間跨度長或空間呈現(xiàn)難的實驗現(xiàn)象直觀呈現(xiàn)于課堂，讓學生更容易理解和觀察。

②模擬法：設計實驗教具模擬某些課堂難開展的科學實驗過程，通過模擬實驗的方法，讓學生觀察現(xiàn)象，加深對科學原理的理解。

③轉化法：將原本用眼睛無法直接觀察到的現(xiàn)象通過其他器材或技術轉化為可見的實驗現(xiàn)象，使抽象的科學知識具象化，便于學生理解和接受。

④替代法：用新材料替代舊材料，用新技術替代老方法，提高實驗的嚴謹性和趣味性，同時激發(fā)學生的創(chuàng)新精神和探索欲望。

（二）數(shù)智融創(chuàng)（AMCMAE）教學模式

數(shù)智融創(chuàng)教學模式如圖4所示，分為六個核心環(huán)節(jié)：錨定（Anchor）、融創(chuàng)（Match）、搭建（Construct）、測量（Measure）、分析（Analysis）、暢享（Enjoy）。這一模式立足于學生終身發(fā)展的長遠視角，緊密對接社會需求，通過一系列系統(tǒng)化、實踐化的教學步驟，全面促進學生科學核心素養(yǎng)的提升[2]。

①錨定：準確定位關鍵問題，這不僅是教學過程的起點，更是激發(fā)學習興趣，激活學生數(shù)智知識儲備關鍵，能有效促進科學觀這一核心素養(yǎng)的發(fā)展。

②融創(chuàng)：教師引導學生篩選最恰當?shù)臄?shù)智技術與實驗器材，共同設計融創(chuàng)實驗方案。此過程鼓勵學生提出問題、建構模型、創(chuàng)新思維、科學解釋表達交流，從而在實踐中鍛煉學生探究能力、科學思維及責任感，多維度提升科學核心素養(yǎng)。

③搭建：學生動手搭建實驗裝置，調(diào)試程序，并不斷優(yōu)化實驗設計。通過動手實踐，有效促進學生思維進階，培養(yǎng)學生解決問題的能力。

④測量：小組合作模式下，學生共同參與探究實踐，觀察實驗現(xiàn)象，記錄實驗數(shù)據(jù)，獲取證據(jù)。學生經(jīng)歷科學論證的過程，培養(yǎng)了實證意識、態(tài)度責任及深度思考的科學素養(yǎng)。

⑤分析：對收集的實驗現(xiàn)象及數(shù)據(jù)分析提取關鍵信息，得出實驗結論。學生在此過程中需要勇于表達、實事求是、科學推理，可在探究實踐、科學思維、態(tài)度責任等方面得到綜合鍛煉。

⑥暢享：基于分析結果，學生形成新的科學觀念，并嘗試將其遷移應用在更廣泛的科學實驗中，享受知識探索與應用的樂趣。這是科學觀念、探究實踐、科學思維及態(tài)度責任四種核心素養(yǎng)全面提升的體現(xiàn)。

（三）數(shù)智融創(chuàng)教師共同體協(xié)同培育機制

數(shù)智融創(chuàng)實驗教學教師共同體（見圖5）由課題（工作室）主持人牽頭，核心成員（共同體成員）為骨干，同時吸納外圍成員（感興趣的教師）共同參與，形成設計、技術、實踐、推廣四大核心小組。每個小組均承載著獨特的職能，成員可根據(jù)個人的專業(yè)特長和興趣選擇加入一個或多個小組，共同為實驗教學的創(chuàng)新提供全流程支持。這種協(xié)同培育模式不僅助力了教師的發(fā)展，更為實驗教學的創(chuàng)新提供了源源不斷的動力。

數(shù)智融創(chuàng)教師共同體的建立，為教師的實踐研究、學習交流、技術支持、示范引領和宣傳推廣搭建了平臺。在這個平臺上，教師能夠相互學習、共同進步，從而有效提升實驗創(chuàng)新的質(zhì)量和效率。共同體專業(yè)的指導和強大的支持，助力教師突破知識和能力的限制，使教師在實驗創(chuàng)新的每一個階段都能順利完成相應的任務。這不僅提升了教師的專業(yè)素養(yǎng)（包括專業(yè)理念、職業(yè)道德、專業(yè)知識和專業(yè)能力），更為教師的全面發(fā)展奠定了堅實的基礎。

共同體尊重每位教師的獨特性和差異性，發(fā)掘他們的潛能，鼓勵相互合作，合力攻關。在這種機制下，每位教師都能找到自己的定位，實現(xiàn)個人的成長與發(fā)展，最終實現(xiàn)全員成長的目標。數(shù)智融創(chuàng)教師共同體協(xié)同培育機制如圖6所示。

四、創(chuàng)新點

（一）數(shù)智融創(chuàng)科學實驗的理念

實驗教學是科學教育的重要特征和重要內(nèi)容，而數(shù)智技術是推動實驗教學創(chuàng)新的關鍵要素。中山市教育技術中心始終秉持數(shù)智融創(chuàng)的核心理念，積極推動實驗教學創(chuàng)新，這一理念不僅增強了科學教育的實效性，促進了教師的專業(yè)發(fā)展，還極大地提升了學生的創(chuàng)新實踐能力，助推了區(qū)域?qū)嶒灲虒W的數(shù)字化。

（二）科學實驗數(shù)智融創(chuàng)的方法

基于對眾多優(yōu)秀創(chuàng)新實驗案例的深入分析，提煉了數(shù)智融合實驗創(chuàng)新的“五步四法”。這一“五步四法”不僅為教師提供了明確的實驗創(chuàng)新路徑，也為其提供了實用的方法指引，成功培育了大量數(shù)智融合的優(yōu)秀創(chuàng)新實驗案例。

（三）教師共同體協(xié)同培育機制

建立了教師共同體協(xié)同培育機制，這一機制打破了教師個人技術與能力的限制，顯著提升了實驗創(chuàng)新的效率，提高了創(chuàng)新實驗作品的質(zhì)量。在共同體的支持下，教師通過積極參與實驗創(chuàng)新，其專業(yè)知識和專業(yè)能力均得到了快速的提升。這一機制使得批量培育優(yōu)秀創(chuàng)新實驗作品、培育智慧型、創(chuàng)新型教師成為可能。

（四）數(shù)智融創(chuàng)實驗教學的模式

數(shù)智融創(chuàng)實驗教學模式包括6個教學環(huán)節(jié)、12個教學步驟。該模式將數(shù)字化、智能化技術與實驗教學深度融合，充分發(fā)揮智能化實驗教學環(huán)境的優(yōu)勢，能有效培養(yǎng)學生的數(shù)智融創(chuàng)意識，強化學生的創(chuàng)新實踐能力，落實學生的科學核心素養(yǎng)，從而提升實驗教學的效果與質(zhì)量。

五、主要成效

（一）科學實驗裝備：量質(zhì)齊升，賦能未來

中山市依托義務教育標準化學校建設及基礎教育高質(zhì)量發(fā)展等重大項目，全面加速學校實驗室裝備的現(xiàn)代化進程。截至目前，全市中小學已建成數(shù)字化實驗室98間、教育創(chuàng)客空間等前沿創(chuàng)新實驗室85間、特色鮮明的學科教室161間，數(shù)字化實驗儀器覆蓋率超過80%。這一系列現(xiàn)代化實驗裝備的部署，為“數(shù)智融創(chuàng)”模式的深入實施及科學教育數(shù)字化轉型提供了堅實的物質(zhì)基礎和技術支撐。

（二）科學實驗教學：數(shù)智融創(chuàng)，引領變革

自2013年起，中山市教育技術中心便深耕數(shù)智融創(chuàng)實驗教學領域，通過一系列課題研究與實踐探索，編寫了《數(shù)字探究實驗（小學版）》《數(shù)字探究實驗（中學版）》教材，制定了《中小學數(shù)字探究實驗室建設規(guī)范》；開發(fā)了“測試人體反應”等數(shù)智融合實驗教學案例130個，其中5個實驗微課獲得了廣東省教育出版集團的數(shù)字化出版[3]。此外，通過微信公眾號“愛上實驗課”，發(fā)布了創(chuàng)新實驗案例200余篇，激發(fā)了廣大師生對科學實驗創(chuàng)新的探索熱情，推動了科學教育教學方式的深刻變革。

（三）科學教師隊伍：智慧創(chuàng)新，共同生長

中山市教育技術中心通過構建數(shù)智融合實驗創(chuàng)新體系與共同體協(xié)同培育機制，成功打造了一支高素質(zhì)、專業(yè)化的教師隊伍。近年來，中山教師在各類省級以上實驗教學競賽中屢創(chuàng)佳績，不僅在全國中小學自制教具展評活動中斬獲多項大獎，還在實驗教學精品課遴選及說課活動中表現(xiàn)出色，充分展現(xiàn)了中山市教師的智慧與創(chuàng)新精神。同時，中山市數(shù)智融創(chuàng)教師共同體的成功經(jīng)驗及“技術賦能實驗教學、實驗助力教師發(fā)展”的先進理念，也在廣東省教育信息化教學應用創(chuàng)新實踐共同體項目培訓會議及廣東省教育裝備工作會議上作了分享[4]。

多年來，中山市秉持數(shù)智融創(chuàng)的核心理念，致力于推動科學實驗教學領域的數(shù)字化轉型實踐，不僅有效解決了實驗教學工作中存在的一些難題，提升了實驗教學的效率和質(zhì)量，更為科學實驗教學的數(shù)字化轉型開辟了新路徑。我們相信，隨著科技的飛速發(fā)展與深度融合應用，“數(shù)智融創(chuàng)”模式將為科學實驗教學帶來更多驚喜與突破，引領我們邁向更加輝煌的未來。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.關于加強和改進中小學實驗教學的意見[Z]. 2019-11-20.

[2]王東等.基于 Arduino 的小學科學教具設計制作及案例分析[J].教育信息技術，2020（5）：26-29.

[3]趙丹丹.“測試人體反應”數(shù)字化創(chuàng)新實驗的開發(fā)與實踐[J].實驗教學與儀器，2022（2）：66-65.

[4]劉建華.基于實驗教學的教師專業(yè)成長研究[J].實驗教學與儀器，2020（3）：77-79.

（責任編輯：加順花）