解凱彬

摘要： 為幫助學(xué)生提高科學(xué)探究能力，建構(gòu)生命觀念，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，適應(yīng)未來社會競爭，研究者針對廣義數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，探討信息技術(shù)如何有效應(yīng)用于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，并著重探究虛擬仿真技術(shù)和傳感器技術(shù)賦能生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新路徑，即突破時(shí)空限制，體驗(yàn)探究全過程，深化對科學(xué)探究的理解；從靜態(tài)定性實(shí)驗(yàn)向動態(tài)定量實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變，加深對科學(xué)本質(zhì)的理解；堅(jiān)持以學(xué)為中心，提升內(nèi)驅(qū)力，激發(fā)潛能和創(chuàng)造力；從單科學(xué)習(xí)邁向跨學(xué)科實(shí)踐，通過整合式學(xué)習(xí)建構(gòu)跨學(xué)科概念；突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的安全限制、避免倫理問題，培育良好的情感態(tài)度與價(jià)值觀。教師要認(rèn)識到信息技術(shù)是手段而非目標(biāo)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不可濫用，提高數(shù)字化實(shí)驗(yàn)效能需要加強(qiáng)技術(shù)平臺建設(shè)和案例資源開發(fā)，只有數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢互補(bǔ)，才能走出傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)困境，回應(yīng)新時(shí)代的教育訴求。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)；中學(xué)生物學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；跨學(xué)科學(xué)習(xí)；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

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(qiáng)化教育體系，傳播知識，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)且有效的教學(xué)。數(shù)字化教學(xué)是基礎(chǔ)教育課程改革的巨大推動力?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡稱“新課標(biāo)”）指出：信息技術(shù)的快速發(fā)展為課堂提供了模擬實(shí)驗(yàn)等豐富多樣的教學(xué)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(xué)習(xí)活動對實(shí)驗(yàn)耗材及相關(guān)場地條件的依賴。信息技術(shù)的應(yīng)用為中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入新的活力，也為學(xué)生的科學(xué)實(shí)踐提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢互補(bǔ)，有利于教師走出傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)困境。

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)涵

什么是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)？國內(nèi)學(xué)者主要從組件構(gòu)成進(jìn)行定義，廣義的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)涵蓋虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、借助多媒體展現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用傳感器的實(shí)驗(yàn)；狹義的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)則指用傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)構(gòu)建系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和分析的新型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，即?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(shí)驗(yàn)，探討信息技術(shù)如何有效應(yīng)用于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。多媒體技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用歷史相對久遠(yuǎn)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(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

生物學(xué)作為科學(xué)教育的主要學(xué)科之一，是人們認(rèn)識世界和生命的基礎(chǔ)，生物學(xué)本質(zhì)上是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)。學(xué)生通過生物學(xué)實(shí)驗(yàn)這一重要的探究和實(shí)踐形式參與科學(xué)探究活動，建構(gòu)科學(xué)概念，理解科學(xué)本質(zhì)，有利于發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。生物學(xué)實(shí)驗(yàn)既是學(xué)習(xí)形式，又是學(xué)習(xí)內(nèi)容。筆者探討的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是，教師在教學(xué)過程中指導(dǎo)學(xué)生利用特定的儀器設(shè)備和藥品、材料等對生命現(xiàn)象進(jìn)行觀察、對生命活動規(guī)律進(jìn)行探究，幫助學(xué)生建構(gòu)生命觀念，提高科學(xué)探究能力，發(fā)展生物學(xué)核心素養(yǎng)的教學(xué)形式。

二、信息技術(shù)應(yīng)用于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

早期數(shù)字化實(shí)驗(yàn)主要應(yīng)用于高等教育，隨著信息技術(shù)日臻成熟，也逐漸應(yīng)用于中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。我國開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)時(shí)間較晚。2002年，上海率先將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)引入教學(xué)領(lǐng)域，隨后其他地區(qū)逐漸在教學(xué)中開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，目前已有14個(gè)省（直轄市）出臺數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室配備標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)最早應(yīng)用在物理教學(xué)中，后擴(kuò)展至化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科。目前，國內(nèi)對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究也多集中于物理和化學(xué)學(xué)科，生物學(xué)方面的研究略顯匱乏。筆者對國內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)檢索并分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前中學(xué)生物學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(xué)學(xué)科；二是系統(tǒng)性不強(qiáng)，即現(xiàn)有研究多集中于個(gè)別數(shù)字化實(shí)驗(yàn)案例的設(shè)計(jì)、開發(fā)，缺乏對中學(xué)生物學(xué)整體實(shí)驗(yàn)課程的分配與規(guī)劃；三是缺乏有效評價(jià)，即大部分案例研究類文獻(xiàn)偏重于描述數(shù)字化實(shí)驗(yàn)操作的流程，并未利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)改變教學(xué)評價(jià)方式，使得形式大于內(nèi)容，沒有發(fā)揮出數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全部潛力；四是實(shí)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(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的差異，對中學(xué)生物數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果、學(xué)生的興趣與實(shí)驗(yàn)偏好、學(xué)習(xí)效果的提升幅度等，缺乏實(shí)證研究。

三、信息技術(shù)賦能生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐

研究表明：受實(shí)驗(yàn)設(shè)備限制、實(shí)驗(yàn)課時(shí)不足、實(shí)驗(yàn)安全隱患等因素影響，當(dāng)前中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的開出率普遍較低，部分實(shí)驗(yàn)甚至只存在于教材、課標(biāo)中，從未真正落地開展。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師多以講述的方式介紹實(shí)驗(yàn)過程以及步驟，習(xí)慣用多媒體課件演示實(shí)驗(yàn)，逐漸形成了教師演示、學(xué)生模仿的被動實(shí)驗(yàn)教學(xué)程式。教師在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)，需要持續(xù)復(fù)雜的資源保障，包括人員、資金及空間等，確保實(shí)驗(yàn)安全。

教師開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，可以拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐路徑，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)瓶頸，并應(yīng)用于各類實(shí)驗(yàn)，如課堂演示實(shí)驗(yàn)、戶外實(shí)驗(yàn)、學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和探究實(shí)驗(yàn)等。21世紀(jì)的青少年接受信息技術(shù)的能力強(qiáng)，適合通過體驗(yàn)式的實(shí)踐活動理解生物學(xué)知識并主動建構(gòu)生命觀念。相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)更有利于學(xué)生開展生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生的素養(yǎng)和能力。

（一）突破時(shí)空限制，體驗(yàn)科學(xué)探究全過程，深化對科學(xué)探究的理解

由于場地、設(shè)備及實(shí)驗(yàn)過程等受限，中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中一些用時(shí)過長的實(shí)驗(yàn)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(shí)空限制，盡可能地讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究全過程，進(jìn)而加深對科學(xué)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(shí)驗(yàn)涉及酵母菌的培養(yǎng)、取樣、計(jì)數(shù)和數(shù)學(xué)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(xué)，效率大大提高。按照常規(guī)方案，該實(shí)驗(yàn)需要7天完成，歷時(shí)較長，且學(xué)生在對實(shí)驗(yàn)條件控制不精準(zhǔn)的情況下，即便用7天時(shí)間也難以繪制較為理想的S形曲線。一些教師對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，即讓學(xué)生間隔1小時(shí)或2小時(shí)取樣、計(jì)數(shù)，24小時(shí)便可完成實(shí)驗(yàn)，繪制S形曲線，但24小時(shí)連續(xù)工作難度很大，學(xué)生仍無法獨(dú)立、全程參與探究活動。教師通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以有效解決上述難題——將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)與虛擬化技術(shù)結(jié)合，先讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室完成前期酵母菌培養(yǎng)、取樣、利用血細(xì)胞計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)等操作，學(xué)習(xí)基本的實(shí)驗(yàn)操作技能；再讓學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件（通過點(diǎn)擊按鈕）完成取樣和血細(xì)胞計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)工作，并用模擬數(shù)據(jù)建模。這樣，學(xué)生將現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)操作和虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來，既不影響對實(shí)驗(yàn)過程的體驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)技能的學(xué)習(xí)，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(shè)備的應(yīng)用為學(xué)生提供了更多戶外實(shí)驗(yàn)的機(jī)會，從技術(shù)層面突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的做法是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)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(shí)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(shí)驗(yàn)從室內(nèi)轉(zhuǎn)到戶外，在真實(shí)的生長環(huán)境中開展探究活動，避免人為因素影響。實(shí)驗(yàn)中，教師組織學(xué)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(shí)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(xué)生在自然環(huán)境中基于真實(shí)場景進(jìn)行探究，有利于深度學(xué)習(xí)，更好地理解科學(xué)探究的精髓。

新冠肺炎疫情期間，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有了更加廣闊的應(yīng)用空間，在無法線下教學(xué)時(shí)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)茉谝欢ǔ潭壬咸钛a(bǔ)常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)空缺。

（二）實(shí)現(xiàn)靜態(tài)定性實(shí)驗(yàn)向動態(tài)定量實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變，加深對科學(xué)本質(zhì)的理解

新課標(biāo)明確指出，在重視定性實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，也應(yīng)重視定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)。在傳統(tǒng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師主要開展定性實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生了解一般的因果關(guān)系，但只有在對研究對象的各種屬性進(jìn)行定量描述的基礎(chǔ)上，才能準(zhǔn)確地解釋其規(guī)律和實(shí)質(zhì)。傳感器可以有效記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化情況，精準(zhǔn)反映生命活動的變化過程。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一般以圖像形式直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，有利于他們更好地觀察實(shí)驗(yàn)過程中的各種變化，從整體上科學(xué)準(zhǔn)確地認(rèn)識生命過程，加深對科學(xué)本質(zhì)的理解。例如，教學(xué)“探究綠色植物的呼吸作用”時(shí)，需要演示萌發(fā)種子與煮熟種子對比的實(shí)驗(yàn)，即分別用溫度計(jì)、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(shí)驗(yàn)流程煩瑣費(fèi)時(shí)，對變量的控制也不精準(zhǔn)，學(xué)生常常會質(zhì)疑實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論的可靠性，如學(xué)生認(rèn)為蠟燭熄滅不是因?yàn)镺被消耗而是CO產(chǎn)生過多。此外，拆解呼吸作用這一生理過程，用三個(gè)實(shí)驗(yàn)分開演示，不利于學(xué)生整體理解細(xì)胞呼吸。教學(xué)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(shè)備，將萌發(fā)種子與煮熟種子分別置于獨(dú)立的空間，同時(shí)插入四種傳感器，讓學(xué)生觀察O、CO、溫度和濕度變化情況。在這種動態(tài)實(shí)時(shí)的量化數(shù)據(jù)支持下，學(xué)生既可以排除其他變量的影響，直觀地認(rèn)識到“細(xì)胞呼吸是一個(gè)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(shí)進(jìn)行的”，又可以對比各物質(zhì)消耗與產(chǎn)生的比例，領(lǐng)悟細(xì)胞呼吸的實(shí)質(zhì)。學(xué)生通過這種定量實(shí)驗(yàn)，能夠從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，提高自身科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，理解科學(xué)本質(zhì)。

（三）堅(jiān)持以學(xué)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(shí)驗(yàn)相比，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)賦予學(xué)生更多的方法上的選擇和運(yùn)用不同手段的可能性，有利于改變學(xué)生普遍被動學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀，將主動權(quán)交予學(xué)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(xué)習(xí)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(shí)驗(yàn)，以往教師通常是這樣教學(xué)的：在HO溶液中加入催化劑FeCl溶液和新鮮肝臟研磨液，讓學(xué)生通過觀察試管中氣泡的多少與衛(wèi)生香的復(fù)燃情況來判斷HO分解速率。這樣實(shí)驗(yàn)，結(jié)果是學(xué)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(xué)生甚至形成“酶的活性高，產(chǎn)生的氣泡就多”的錯(cuò)誤概念。事實(shí)上，這里應(yīng)該是酶活性高，單位時(shí)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(xué)生可以選擇O傳感器實(shí)時(shí)記錄反應(yīng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)中，原本的教師演示實(shí)驗(yàn)因信息技術(shù)的應(yīng)用變?yōu)閷W(xué)生自主探究。這樣的自主選擇、自主開展實(shí)驗(yàn)探究的轉(zhuǎn)變，使學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)變得更加積極，激發(fā)了創(chuàng)造力，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知導(dǎo)向的概念學(xué)習(xí)向自主建構(gòu)生命觀念的經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變。此外，學(xué)生在自主設(shè)計(jì)和實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案的過程中不斷發(fā)現(xiàn)問題、修改方案，從實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，踐行了以學(xué)為中心的理念。

（四）從單科學(xué)習(xí)邁向跨學(xué)科實(shí)踐，通過整合式學(xué)習(xí)建構(gòu)跨學(xué)科概念

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

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，可以呈現(xiàn)更加豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在一定程度上突破生物學(xué)單學(xué)科教學(xué)的限制和嚴(yán)格的學(xué)科界限，從而有效加強(qiáng)生物學(xué)與物理、化學(xué)和數(shù)學(xué)等學(xué)科的聯(lián)系，尤其是在探究式實(shí)驗(yàn)的開展過程中，由于應(yīng)用了理化數(shù)字傳感器，學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)不再局限于生物學(xué)范疇，而是融合應(yīng)用化學(xué)、物理知識及相關(guān)技術(shù)手段。

例如，《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》設(shè)置了“制作水族箱，飼養(yǎng)熱帶魚”跨學(xué)科實(shí)踐活動，讓學(xué)生根據(jù)熱帶魚的生活史、生活習(xí)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(shí)踐中，學(xué)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(jìn)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(guān)系，綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識和技能完成對熱帶魚的飼養(yǎng)和觀察任務(wù)。教師組織跨學(xué)科活動，幫助學(xué)生建立不同學(xué)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(guān)系”“穩(wěn)定與變化”等跨學(xué)科概念的理解，提高綜合運(yùn)用所學(xué)知識分析和解決實(shí)際問題的能力。學(xué)生參與跨學(xué)科實(shí)踐活動，有效避免了僅用生物學(xué)學(xué)科知識來解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，為學(xué)生能力的提升提供更有效的支持，落實(shí)了新課標(biāo)對整合式學(xué)習(xí)的要求。

（五）突破實(shí)驗(yàn)安全限制、避免倫理問題，培育良好的情感、態(tài)度和價(jià)值觀

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用使以往出于實(shí)驗(yàn)安全和生命倫理教育的考慮而無法開展的實(shí)驗(yàn)有機(jī)會開展。在中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是否應(yīng)當(dāng)使用動物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)、傷害性的動物實(shí)驗(yàn)和涉及學(xué)生安全的實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)從生物學(xué)課程當(dāng)中刪除或不再開展。教師設(shè)置虛擬化的實(shí)驗(yàn)情境，可以為學(xué)生提供機(jī)會，完成生活中難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。例如，“探究魚鰭對魚游泳的影響”實(shí)驗(yàn)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(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，為學(xué)生提供替代方案，讓學(xué)生在虛擬學(xué)習(xí)平臺上點(diǎn)擊按鈕選擇“剪去”魚的不同魚鰭，觀察虛擬的魚的運(yùn)動情況。這樣在不對魚造成傷害的基礎(chǔ)上探究魚鰭對魚運(yùn)動的影響，有利于學(xué)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(shí)驗(yàn)因安全原因極少開設(shè)，教材提倡用化學(xué)藥物的沉淀反應(yīng)來開展模擬實(shí)驗(yàn)，但學(xué)生因?yàn)槿狈ο鄳?yīng)的化學(xué)基礎(chǔ)而難以操作，實(shí)驗(yàn)效果較差。在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的支持下，學(xué)生可以學(xué)習(xí)血型鑒定的基本操作，觀察ABO血型不同的凝集現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)安全高效。

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺的應(yīng)用不僅使得這些實(shí)驗(yàn)探究能在中學(xué)生物課堂上正常開展，而且落實(shí)了人文關(guān)懷和安全、倫理教育，有利于培育學(xué)生良好的情感態(tài)度與價(jià)值觀。

四、信息技術(shù)應(yīng)用于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)引發(fā)的思考

信息技術(shù)賦能生物學(xué)實(shí)驗(yàn)對教學(xué)產(chǎn)生了積極影響，但因其在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)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(shí)驗(yàn)教學(xué)仍存在不足。教師在開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的過程中需注意如下問題。

（一）信息技術(shù)是手段而非目標(biāo)

教育工作者設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(jìn)教學(xué)創(chuàng)新、達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。教師要充分考慮實(shí)驗(yàn)性質(zhì)、作用、教學(xué)目標(biāo)、預(yù)期成果，僅在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件不足或不易開展時(shí)才考慮用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)因其獨(dú)特的新鮮感和視覺沖擊力容易激發(fā)學(xué)生的好奇心從而提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，也豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，因而受到一些教師的青睞。但實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在信息技術(shù)應(yīng)用過度的問題，轉(zhuǎn)移了師生的注意力，影響教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。不能反客為主、喧賓奪主，這是教師開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)首先關(guān)注的問題。例如，教師在開展虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，不能讓學(xué)生過度關(guān)注虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）頭盔和游戲手柄的操縱，而忽視探究的真正目的和要達(dá)成的目標(biāo)。

（二）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不可濫用

教師應(yīng)堅(jiān)持用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)教學(xué)的初衷而非用其取代實(shí)操性實(shí)驗(yàn)，不能將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)過度覆蓋傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的授課形式。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的濫用減弱了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作體驗(yàn)，造成學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能不高，繪圖能力、數(shù)據(jù)處理能力、復(fù)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(shí)驗(yàn)，筆者主張先讓學(xué)生參與酵母菌的培養(yǎng)、取樣和計(jì)數(shù)等操作活動，而非完全采用虛擬方式教學(xué)。

數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)可以由個(gè)體單獨(dú)完成，在賦予了每個(gè)學(xué)生操作機(jī)會的同時(shí)，也減少了學(xué)生合作學(xué)習(xí)的機(jī)會，不利于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神與能力。再者，如實(shí)驗(yàn)過程中缺乏教師的有效指導(dǎo)，則本質(zhì)上是將學(xué)習(xí)過程降低成一種信息傳輸?shù)臋C(jī)械活動。一旦教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中過度依賴數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，應(yīng)用信息技術(shù)超過應(yīng)有的尺度，學(xué)生就很難習(xí)得生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能，未來進(jìn)入高等教育體系會處于不利地位。

（三）提高數(shù)字化實(shí)驗(yàn)效能需要加強(qiáng)技術(shù)平臺建設(shè)和案例資源開發(fā)

目前，中學(xué)生物學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的資源開發(fā)尚不夠充分，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺建設(shè)仍處于初級階段，看似簡單的虛擬實(shí)驗(yàn)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(yīng)用于教學(xué)的案例研究仍有較大提升空間。當(dāng)前，教師習(xí)慣傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)仍然相對陌生，大多數(shù)教師并未很好地掌握數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，也缺乏將其運(yùn)用于教學(xué)的能力。在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域，教師為學(xué)生提供技術(shù)支撐的能力和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開發(fā)能力均顯薄弱。信息技術(shù)有效賦能生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，需要教師在常態(tài)化教學(xué)的基礎(chǔ)上深入學(xué)習(xí)、掌握信息技術(shù)并融合應(yīng)用于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。當(dāng)前已有少數(shù)教師和研究人員對信息技術(shù)應(yīng)用于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了案例研究，為物學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)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(shí)驗(yàn)平臺的開發(fā)和高質(zhì)量數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例的研究與設(shè)計(jì)，對于教師開展生物學(xué)教學(xué)來說是迫切需要。

杜威曾在《學(xué)校與社會》中指出：教育的目的就是創(chuàng)造、設(shè)計(jì)和實(shí)踐，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用正體現(xiàn)了現(xiàn)代教育對學(xué)生這種學(xué)習(xí)品質(zhì)的追求，也是教育工作者回應(yīng)科技進(jìn)步、優(yōu)質(zhì)教育理念對基礎(chǔ)教育發(fā)展要求的結(jié)果。生物學(xué)教師應(yīng)積極探索數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與生物學(xué)教學(xué)的深度融合方式，推動生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)向縱深發(fā)展，讓學(xué)生具備21世紀(jì)應(yīng)有的技能。

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

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