王渙文

為了加快教育信息化目標(biāo)的實施進(jìn)程，探索一條利用信息技術(shù)創(chuàng)新課程的新路子，上海市洋涇—菊園實驗學(xué)校選擇了九年一貫制科學(xué)實驗課程，開展了實驗教學(xué)改革的探索。為什么要選擇實驗教學(xué)？因為實驗教學(xué)是中小學(xué)實施科學(xué)實驗課程目標(biāo)的重要組成部分，它對于培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，提升學(xué)生的自主探究能力、動手操作能力、觀察分析能力、數(shù)據(jù)處理能力等有著重要的意義。但是，學(xué)?，F(xiàn)有的科學(xué)實驗室信息化、數(shù)字化、智能化程度較低，實驗教學(xué)基本上僅能滿足“觀察”和“驗證”的需要，不能真正滿足培養(yǎng)學(xué)生想象力、創(chuàng)造力和實踐能力的需要。所以，學(xué)校選擇科學(xué)實驗課程，開展了基于數(shù)字化實驗的九年一貫制科學(xué)實驗校本課程建設(shè)的研究。

學(xué)校數(shù)字化實驗裝備

學(xué)校數(shù)字化實驗系統(tǒng)是由理科實驗室和信息技術(shù)、傳感器技術(shù)相融合而成。它分為理科實驗裝置、傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機應(yīng)用軟件四部分。它是一種能夠定量采集數(shù)據(jù)，并以圖表的形式清晰、明確地呈現(xiàn)出來的新型實驗技術(shù)手段。

（1）理科實驗裝置。理科實驗裝置用于學(xué)生的科學(xué)實驗教學(xué)。

（2）傳感器。傳感器負(fù)責(zé)理科實驗裝置實驗量的采集，形成模擬電信號。

（3）數(shù)據(jù)采集器。數(shù)據(jù)采集器負(fù)責(zé)把傳感器的模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并與計算機進(jìn)行通信。

（4）計算機及應(yīng)用軟件。計算機及應(yīng)用軟件負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信號的顯示、處理與分析等。

與傳統(tǒng)實驗相比，數(shù)字化實驗有如下特點。

（1）直觀、實時。數(shù)字化實驗可以實時動態(tài)地呈現(xiàn)實驗過程的變化，可根據(jù)實驗需要，將實驗數(shù)據(jù)以圖表或曲線的形式呈現(xiàn)，學(xué)生能夠清晰、直觀地觀察到實驗的變化，提高其分析問題、解釋現(xiàn)象、找出規(guī)律、得出結(jié)論的能力，從而為學(xué)生開展科學(xué)探究提供技術(shù)支撐。

（2）便攜、綠色。數(shù)字化實驗儀器的體積一般都比較小，便于攜帶和操作，使用時不受時間、地點的限制，能夠滿足學(xué)生對于學(xué)習(xí)和生活中的科學(xué)問題的探究欲，彌補了傳統(tǒng)實驗的不足。數(shù)字化實驗一般藥品用量少，滿足可測量、能顯示相關(guān)變量的數(shù)字和曲線即可。

（3）綜合、兼容。在數(shù)字化實驗中，根據(jù)要求可以連接多個傳感器，并可以同時對不同的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。也可以連接TI圖形計算器、樂高單片機等智能控制終端，實現(xiàn)實驗變量的更精細(xì)化控制，學(xué)生可以從多個角度綜合地了解科學(xué)實驗，從而極大地拓展了課程內(nèi)容，有利于各學(xué)科之間的融會貫通。

基于數(shù)字化實驗的校本課程建設(shè)

有了數(shù)字化實驗室還必須要有與之配套的課程。學(xué)校按照科學(xué)實驗課程設(shè)置要求，從實驗教學(xué)目標(biāo)、實驗教學(xué)內(nèi)容、實驗教學(xué)方式和實驗教學(xué)資源等多個層面、多個角度、多個途徑開展了科學(xué)實驗校本課程建設(shè)。

1.數(shù)字化實驗校本課程的基本框架

根據(jù)九年一貫制學(xué)校的特點，學(xué)校打破學(xué)科之間的界限，將九年間各學(xué)科的實驗教學(xué)進(jìn)行了梳理和分類，將科學(xué)實驗校本課程設(shè)置（表1）為啟心、啟智、啟新、啟航四個學(xué)段。

2.數(shù)字化實驗校本課程的特點

（1）關(guān)注學(xué)科交叉融合，培養(yǎng)學(xué)生綜合能力。學(xué)科交叉是不同學(xué)科之間相互交叉、融合。它強調(diào)知識跨學(xué)科，學(xué)習(xí)場景多元，教學(xué)綜合化、實踐化、活動化，課程回歸生活、回歸社會、回歸自然。學(xué)科交叉融合是未來科學(xué)發(fā)展的必然趨勢，是加速科技創(chuàng)新的重要驅(qū)動力。

學(xué)校數(shù)字化實驗校本課程針對不同學(xué)段的實驗教學(xué)目的，關(guān)注學(xué)科交叉融合，體現(xiàn)出育人為本、素養(yǎng)為核、情境為場、問題為綱、技術(shù)為翼等價值取向和發(fā)展趨勢。通過課程實施引導(dǎo)學(xué)生跨學(xué)科發(fā)展和提高，培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

（2）重視實驗資源整合，提高實驗教學(xué)效益。學(xué)校數(shù)字化實驗校本課程充分運用理科實驗室資源，通過直接利用、改造利用、共建共用等形式，保障實驗資源對實驗教學(xué)的支持和服務(wù)。同時通過與高校、高新企業(yè)、科普基地、科普扶智等合作項目，整合校內(nèi)外實驗教學(xué)資源，拓寬實驗教學(xué)邊界。

學(xué)校數(shù)字化實驗校本課程積極開展基于數(shù)字化實驗的觀察、觀測、模擬、體驗、設(shè)計、編程、制作、加工、飼養(yǎng)、種植、參觀、調(diào)查等科學(xué)實驗教學(xué)活動，讓學(xué)生體驗基于信息技術(shù)和傳感器技術(shù)的創(chuàng)新實驗課堂，切實增強實驗教學(xué)的趣味性和吸引力，提高實驗教學(xué)的質(zhì)量和效果。

（3）開放實驗教學(xué)管理，發(fā)揮學(xué)生主體作用?？茖W(xué)實驗教學(xué)的主體是學(xué)生，為真正發(fā)揮學(xué)生主體作用，學(xué)校數(shù)字化實驗室管理變封閉管理為開放管理，讓學(xué)生自主、自由地開展科學(xué)實驗。

為此，學(xué)校數(shù)字化實驗校本課程開發(fā)了開放式管理平臺。該平臺有“裝備查詢”“項目申報”“項目成員”“裝備借用”“成果展示”五大模塊。學(xué)生可以在平臺上查詢數(shù)字化實驗室實驗器材、器材功能和使用方法。然后，根據(jù)需要提出項目申請。經(jīng)過項目審核團(tuán)隊批準(zhǔn)的實驗項目組同學(xué)可以在項目實施期間刷臉進(jìn)出數(shù)字化實驗室，掃碼借用實驗裝備。完成項目研究后在平臺上提交實驗報告。

數(shù)字化實驗校本課程的實施成效

隨著數(shù)字化實驗校本課程的深化實施，信息技術(shù)、傳感器技術(shù)與課程融合的優(yōu)勢越來越強，實驗教學(xué)方法改革的成效越來越大。

1.通過數(shù)字化實驗解決課時矛盾

科學(xué)實驗中好多實驗項目需要學(xué)生長時間觀測和記錄事物發(fā)生的變化。傳統(tǒng)實驗教學(xué)中教師為完成教學(xué)任務(wù)，往往縮短學(xué)生觀測事物變化的時間，直接提供事物變化前后的數(shù)據(jù)或結(jié)果。這樣的實驗，學(xué)生缺乏完整的探究體驗，科學(xué)實驗的興趣受到抑制，實踐動手的能力得不到提高。

數(shù)字化實驗應(yīng)用信息技術(shù)能完整記錄、保存、分析、再現(xiàn)事物變化的數(shù)據(jù)。應(yīng)用這些數(shù)據(jù)，能合理地縮短實驗教學(xué)時間，有效解決課時矛盾。

如“探究綠色植物光合作用的條件”實驗項目，需要對綠色植物暗處理3天后進(jìn)行強光照射，再用水浴加熱后的酒精溶解葉綠素，過程復(fù)雜、耗時較長，可能會因加熱不當(dāng)造成實驗失敗。項目組老師應(yīng)用TI（Texas Instruments）數(shù)字信號處理及模擬技術(shù)和圖形計算器技術(shù)建立了智能溫室。通過信息技術(shù)及時有效地探測綠色植物光合作用和呼吸作用過程中二氧化碳、氧氣、水分、溫度、光照度的變化。同時將實驗現(xiàn)象顯性化，以圖表和圖像的形式呈現(xiàn)出來。實驗教學(xué)中，學(xué)生通過分析系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)，理解光合作用、呼吸作用的條件和反應(yīng)原理，取得了較好的實驗教學(xué)效益。

2.通過數(shù)字化實驗豐富學(xué)習(xí)體驗

數(shù)字化實驗?zāi)芨淖儗W(xué)生機械地照著書本做實驗的局面，讓學(xué)生以數(shù)字化實驗裝備為工具，開展創(chuàng)新性、綜合性、開發(fā)性的實驗活動。數(shù)字化實驗教學(xué)能充分發(fā)揮學(xué)生的主體作用，通過對程序指令、數(shù)據(jù)、圖形等的處理和分析，增進(jìn)對科學(xué)現(xiàn)象和原理本質(zhì)的認(rèn)識，提高分析問題、解決問題的方法和能力，最大限度地豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗。

如“基于傳感器的氣壓與噴泉實驗”項目，教師指導(dǎo)學(xué)生利用Vernier壓強傳感器、TI圖形計算器、TI創(chuàng)新者系統(tǒng)等數(shù)字化技術(shù)對“氨氣噴泉實驗”“化學(xué)燈塔實驗”中壓強的變化進(jìn)行實時監(jiān)測，實驗方案留出了學(xué)生學(xué)習(xí)的空間，鼓勵學(xué)生創(chuàng)造性地應(yīng)用數(shù)字化實驗裝備。教學(xué)中好多學(xué)生在數(shù)據(jù)輸出設(shè)計上體現(xiàn)了創(chuàng)造性和趣味性，當(dāng)實驗中壓強為98千帕?xí)r，背景燈自動打開;當(dāng)壓強為90千帕?xí)r，花朵自動打開。整個實驗過程，將氨氣的水溶性、氨水呈堿性、化學(xué)振蕩反應(yīng)、智能控制技術(shù)集于一體，實驗效果明顯，學(xué)生的實驗體驗得到了豐富。

3.通過數(shù)字化實驗轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)方式

學(xué)校數(shù)字化實驗室對學(xué)生實行開放管理后，極大地調(diào)動了學(xué)生自主學(xué)習(xí)、自主探究的積極性。學(xué)生們根據(jù)自己的興趣、愛好和特長，積極尋找學(xué)習(xí)和生活中的問題，然后設(shè)計成科學(xué)實驗項目，向?qū)W校數(shù)字化實驗團(tuán)隊申報，經(jīng)過學(xué)校審核批準(zhǔn)就能自主開展數(shù)字化實驗。

一年來，學(xué)校共收到了近百份包含自然、生活、科學(xué)等方面的探究實驗申報書，絕大部分的申報得到了數(shù)字化實驗審核團(tuán)隊的認(rèn)可。數(shù)字化實驗促進(jìn)了學(xué)生學(xué)習(xí)方式的轉(zhuǎn)變。

例如，在教師的指導(dǎo)下，學(xué)生們開展了“防紫外線玻璃真的防紫外線嗎”項目的探究。學(xué)生們在數(shù)字化實驗室上網(wǎng)查詢了什么是紫外線，知道了日常生活中太陽光對人體皮膚的傷害主要來自于紫外線A（即UVA）與紫外線B（即UVB）。但適量的日曬，UVB能幫助人體合成維生素D，對身體有益。

學(xué)生們設(shè)計了實驗方案：實驗地點選在學(xué)校教師停車場內(nèi)，時間定在晴朗天氣的中午，分別選一輛有防紫外線玻璃和一輛沒有防紫外線玻璃且車窗沒有貼膜的小汽車做檢測樣本。

經(jīng)過數(shù)據(jù)比對，學(xué)生們得出實驗結(jié)果：防紫外線玻璃能有效阻擋UVA和UVB，普通玻璃對于UVA有部分阻擋作用，但能有效阻擋絕大部分的UVB。

通過實驗，學(xué)生了解了防紫外線玻璃確實能防紫外線，同時也額外收獲了隔著玻璃曬太陽不能補充維生素D的知識。

綜上所述，將信息技術(shù)、傳感器技術(shù)和科學(xué)實驗課程融合，開展基于數(shù)字化實驗的九年一貫制科學(xué)實驗校本課程的教學(xué)活動，是創(chuàng)新實驗課教學(xué)方式，培養(yǎng)學(xué)生想象力，激發(fā)學(xué)生求知欲，提升學(xué)生實踐能力和創(chuàng)新能力的有效途徑。

作者單位：上海市洋涇—菊園實驗學(xué)校