田蓓

數(shù)字化實驗是以傳感器和計算機為主要工具的新型實驗方式，數(shù)字化實驗存在研究“熱”和常態(tài)化使用“冷”兩脫節(jié)的現(xiàn)象。針對于此，本文從文獻研究成果和一線教師的視角分析數(shù)字化實驗技術(shù)為什么在課堂教學中難以常態(tài)化使用的堵點和解決途徑，以期能更好地落實課標。

一、數(shù)字化實驗技術(shù)應用現(xiàn)狀

數(shù)字化實驗系統(tǒng)是以數(shù)字電路為基礎(chǔ)，以計算機或計算機的變形裝置為數(shù)據(jù)處埋核心，以各類傳感器為測量端的新型實驗方式。數(shù)字化實驗具有效率高、數(shù)據(jù)量大、數(shù)形結(jié)合便利、對學生的認知促進效果顯著等特點。

在中國知網(wǎng)上以“數(shù)字化實驗”為關(guān)鍵詞檢索，可檢索出近19萬篇論文。2007年至今，每年均有萬篇以上論文在進行這方面的研究。但是，筆者在教學實踐中觀察到，數(shù)字化實驗研究成果雖多，但在中學課堂實驗教學中實際使用率并不高。根據(jù)吳俊明教授的分類，依據(jù)實驗目的，化學實驗可分為科研化學實驗和教學化學實驗。閱讀數(shù)字化實驗技術(shù)研究相關(guān)文獻，不難發(fā)現(xiàn)很多實驗研究成果主要偏向于科研化學實驗方面，而專門研究數(shù)字化實驗技術(shù)在教學化學實驗中的應用成果較少。

盡管數(shù)字化實驗的理念和方法已經(jīng)被中國實驗教學界基本接受，但其在中學化學課堂實驗教學中的使用還遠未實現(xiàn)常態(tài)化，大部分教師只是將數(shù)字化實驗用于公開課和教學比賽。數(shù)字化實驗技術(shù)還處于“展示”和“應景”狀態(tài)。

二、數(shù)字化實驗技術(shù)在課堂教學中難以常態(tài)化使用的堵點

根據(jù)李鼎和艾倫運用ISM模型的研究成果《高中數(shù)字化實驗實施影響因素研究》一文，數(shù)字化實驗技術(shù)在課堂教學中使用的路徑是：課程標準→教材→學校規(guī)定、政策、學生教育→實驗室建設(shè)→教師培訓→儀器設(shè)備實驗狀況→數(shù)字化實驗實施?，F(xiàn)在，課標有要求，教材有內(nèi)容，設(shè)施有配備，教師有培訓，測試有規(guī)定，可為什么在課堂實驗教學中還是難以常態(tài)化使用呢？下面，筆者作為一線教師從中學教師的視角，談談數(shù)字化實驗技術(shù)在課堂實驗教學中難以常態(tài)化使用的原因。

（一）物質(zhì)設(shè)備條件造成難以常態(tài)化使用的問題

一是數(shù)字化實驗設(shè)備價格昂貴，學校配備數(shù)量有限。數(shù)字化實驗設(shè)備配套的傳感器都比較昂貴，所以學校一般配備的套數(shù)都是有限的。如果沒有給教師專門配備實驗設(shè)備，意味著每次實驗前都需要教師去實驗室履行繁瑣的借用手續(xù)，加之準備數(shù)字化演示實驗需要花費更多的時間，這導致教學任務繁重的教師不愿意去申請使用。

實驗設(shè)備有限除了造成教師使用困難外，還不能滿足學生實驗需求。依據(jù)2022年陜西省教育廳發(fā)布的《普通高級中學建設(shè)標準》，高中辦學規(guī)模宜為18班、24班、30班……班額人數(shù)設(shè)定為每班50人。一個年級最少有6個平行班。以一個班為例：如果是隨堂實驗，一般是4人一組，需要1+13套傳感器；如果是實驗課，一般是2人一組，需要1+25套傳感器。以現(xiàn)在常用的朗威品牌設(shè)備箱為例：一套高中數(shù)字化實驗室設(shè)備包價格高達數(shù)十萬元，理、化、生都要引入數(shù)字化實驗，要滿足學生實驗設(shè)備之需，這是一筆巨款。

二是實驗設(shè)備的維護和保養(yǎng)難問題。設(shè)備中的傳感器具有高度敏感性，需要專人做特殊的維護和保養(yǎng)。筆者2015年受聘于相關(guān)部門對A市的部分縣中督導檢查，也多次受邀到B市對市級骨干教師進行數(shù)字化實驗技能培訓，所到學校都有數(shù)字化探究實驗室，且設(shè)備都有專人保管，但管理員基本不懂相關(guān)技術(shù)。由于平時使用人少，沒有懂技術(shù)的專人維護，所以PH傳感器的保護液處于缺少或已干涸狀態(tài)，導致測量數(shù)據(jù)誤差大，影響正常使用。

三是實驗設(shè)備更新?lián)Q代問題。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，作為信息技術(shù)與理科實驗教學整合的產(chǎn)物，數(shù)字化實驗設(shè)備會不斷地進行升級改造，數(shù)字化實驗設(shè)備中的傳感器和數(shù)據(jù)采集器、軟件都是匹配的，實驗系統(tǒng)軟硬件更新?lián)Q代過程中就可能出現(xiàn)“不兼容”問題，導致難以常態(tài)化使用。不同品牌的軟件更是互不兼容。這就導致舊設(shè)備不好用或不能用，新設(shè)備一時又難以都配置到位，數(shù)字化實驗就只好不做了。

四是傳感器使用方法掌握難的問題。為了保證傳感器的靈敏性，傳感器都有使用規(guī)范要求和校準軟件，需要教師熟悉量程和使用方法。例如使用要求最簡單的傳感器就是溫度傳感器，在實際應用中要根據(jù)量程選擇：溫度傳感器（-20℃～130℃）和高溫傳感器（0℃～1200℃）。測量中和熱就要用溫度傳感器，測量酒精燈的火焰溫度就要用高溫傳感器。使用PH傳感器除了維護保養(yǎng)外還要用專用溶液、專用軟件校準等。

五是傳感器使用易損問題。數(shù)字化實驗技術(shù)如果應用于初、高中學生實驗課堂教學，根據(jù)青少年的心理特點就要考慮是否易損耐用問題。一旦實驗設(shè)備損壞，既難修又難以更換，設(shè)備損壞到一定數(shù)量后，就難以保障數(shù)字化實驗教學的常態(tài)化使用了。

（二）課堂實驗教學層面上難以常態(tài)化使用的問題

中學化學課堂教學實驗根據(jù)實驗的形式可分為演示實驗和學生實驗兩類。演示實驗是教師在課堂上進行示范操作和講解，并指導學生進行觀察和思考的實驗。要求教師做到：目的要明確，實驗安全可靠、保證成功、操作要規(guī)范，現(xiàn)象要清晰可見，同時要引導學生主動參與并指引學生觀察與思考，經(jīng)師生共同判斷，得出結(jié)論。學生實驗可分為隨堂實驗（邊講邊實驗）、分組實驗（實驗課）等。學生實驗是培養(yǎng)學生實驗技能、觀察能力、實驗能力、分析和解決問題的能力，訓練科學方法，養(yǎng)成科學習慣和科學態(tài)度的重要教學形式。不管是哪一類實驗，每節(jié)課都必須要在規(guī)定的時間內(nèi)完成教學任務，教師要把控好上課節(jié)奏。如果采用數(shù)字化實驗技術(shù)來完成實驗教學任務，往往會出現(xiàn)以下問題，導致一線教師不用數(shù)字化實驗技術(shù)。

一是數(shù)字化實驗平臺搭建麻煩，時間不好控制，導致難以常態(tài)化使用。數(shù)字化實驗除了傳統(tǒng)儀器外，還需要使用各種傳感器、連接線及固定的夾子。在教師實驗技能大賽中，就有一部分選手搭建數(shù)字化實驗平臺時，當各種夾子安裝完后，規(guī)定的實驗結(jié)束時間就快到了，實驗任務不能按時完成。所以賽教課、公開課很多教師采取提前錄制實驗視頻來解決時間控制方面的矛盾。如果教師在課堂上只單一地通過視頻演示實驗，學生就更沒有機會接觸和使用數(shù)字化實驗設(shè)備了。教師平時很少使用，數(shù)字化實驗操作技能就越不熟練，進入一個死循環(huán)。

二是教學評價造成數(shù)字化實驗難以常態(tài)化使用。進入新課程后，普通高中在高一年級化學課是每周3節(jié)，高二、高三要多一兩節(jié)課，高中化學教學普遍存在時間緊任務重的問題，只要教學達標測試時不考實際操作應用能力，應付筆試的最佳途徑就是多做相關(guān)習題。雖然政府加大了對學校實驗室的投入，高中學考、高考也增加了對數(shù)字化實驗的考查力度。但在實踐中教師多采取播放實驗視頻，講解實驗原理、操作要點、數(shù)形結(jié)合圖像分析，這樣更為高效。在一次數(shù)字化實驗線上研討會中，上海市中小學數(shù)字化實驗研發(fā)中心副主任李鼎老師提出高考每年都有數(shù)字化實驗相關(guān)試題，為什么在常規(guī)教學中教師還是很少做數(shù)字化實驗呢？山東師范大學畢華林教授的觀點是：高考試題呈現(xiàn)的是數(shù)字化實驗測得的數(shù)形結(jié)合的圖像，只要教師指導學生做過這樣的習題，高考時學生也就會分析，與學生會不會測量沒有必然關(guān)系。這就說明在實際教學中一線教師往往采用的是省時、省事又出成績的方法，而耗時、麻煩且成績難以保證的數(shù)字化實驗就不做或少做。

三、解決問題的辦法和途徑

（一）政策層面引導的解決方案

數(shù)字化實驗不是目的，而是教學改革的手段。數(shù)字化實驗技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)與理科實驗教學整合的產(chǎn)物?，F(xiàn)代信息技術(shù)高速發(fā)展，數(shù)字化實驗技能是教師、學生必須掌握的技能。而課堂實驗教學是培養(yǎng)學生數(shù)字化實驗技能的主要途徑，教材配套實驗是主要抓手。但要使數(shù)字化實驗技術(shù)常態(tài)化使用，還需要共同努力。

數(shù)字化實驗技術(shù)運用技能進課標、進教材?；瘜W教材應適當增加數(shù)字化實驗、定量實驗，讓學生在實驗探究活動中學習科學方法，認識科學探究過程，體會、認識技術(shù)手段的創(chuàng)新對化學科學的重要價值，形成嚴謹求實、勇于實踐的科學態(tài)度，發(fā)展實踐能力。在2017版新課標人教版等初、高中化學教材中已經(jīng)體現(xiàn)了數(shù)字化實驗技術(shù)方面的教學內(nèi)容。

解決數(shù)字化實驗技術(shù)運用技能培養(yǎng)的物質(zhì)條件投入問題。令人可喜的是，為了適應基礎(chǔ)教育均衡發(fā)展需要，各級政府加大了對基礎(chǔ)教育現(xiàn)代信息技術(shù)裝備的投入，教室大多都安裝了電子白板，普通高中學校陸續(xù)換裝了新的實驗室裝備，大多數(shù)學校還配備了數(shù)字化實驗室（探究實驗室）。這些投入為數(shù)字化實驗技術(shù)的使用提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

培訓教師和培養(yǎng)骨干。近年來，各地教育行政職能部門都加大了數(shù)字化實驗技術(shù)運用培訓和骨干教師的培養(yǎng)，以陜西省為例，從2015年開始進行省、市兩級理化生骨干教師數(shù)字化實驗操作技能培訓，開展各級理化生教師實驗操作技能大賽、實驗說課大賽等，引導和促進教師積極開展實驗研究。陜西省教育廳相關(guān)部門在2020 — 2022連續(xù)3年通過專題講座和實驗操作視頻在線上對全省初、高中理化生教師、實驗員進行數(shù)字化實驗技能全員培訓。全面普及和提高了教師的相關(guān)認知和操作技能，為實驗教學中應用數(shù)字化技術(shù)提供了師資保證。

要發(fā)揮引導作用。高考作為指揮棒已經(jīng)先行，數(shù)字化實驗技術(shù)得到的數(shù)形結(jié)合的圖像從2006年高考試題上海卷呈現(xiàn)開始到現(xiàn)在的全國卷、地方卷年年都有體現(xiàn)。引導教師在平時的教學中要關(guān)注宏微結(jié)合、符號、曲線四重表征。一些地方在畢業(yè)實驗操作考查中也開始試點增加數(shù)字化實驗內(nèi)容，促進學生學會運用數(shù)字化實驗工具進行簡單測量。普通中學化學教師在實驗教學中引入數(shù)字化實驗，既是落實課標要求、完成教學任務之必需，也是幫助學生通過高考及實驗水平學考之必要。

要出臺系統(tǒng)的措施和辦法，營造數(shù)字化實驗技術(shù)使用的良好環(huán)境。任何一項教育改革舉措的推行和教育技術(shù)的運用推廣都取決于學校的態(tài)度和應對之策，沒有學校層面的響應都是不可能達成的。學校應鼓勵教師教學研究，鉆研數(shù)字化實驗技術(shù)，在物質(zhì)上要提供方便。例如筆者所在校采取把數(shù)字化實驗裝備箱配備給每位需要的化學教師，鼓勵教師在平時的演示實驗中使用，從而提高了教師使用現(xiàn)代教育技術(shù)的水平，增強學生對宏觀現(xiàn)象、微觀粒子、符號表征、曲線表征四重表征的認識和理解，在提升學生的化學核心素養(yǎng)的同時，教師也得到成長。

（二）實驗設(shè)備軟硬件開發(fā)及使用保障的解決方案

要實現(xiàn)常態(tài)化的使用，數(shù)字化實驗軟硬件的開發(fā)生產(chǎn)廠商要做好兩方面的工作。一方面從改善數(shù)字化實驗硬件功能入手。接口設(shè)備要實現(xiàn)從單向到雙向。傳感器要實現(xiàn)從專業(yè)化到大眾化的發(fā)展，按照“小型、集成、兼容、價廉”要求進行研發(fā)，更新?lián)Q代。傳感器簡單好用了，對使用者技術(shù)要求降低了，學校用得起，教師敢用了，數(shù)字化實驗常態(tài)化就不遠了。數(shù)據(jù)傳輸要實現(xiàn)從有線到無線化。無線傳感器是通過藍牙技術(shù)實現(xiàn)無線連接的，在傳感器和接口設(shè)備上都有無線模塊存在實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳送。每組學生測試的圖像、實驗報告可傳輸給教師電子白板，教師可以及時組織評價反饋。實現(xiàn)以上技術(shù)的進步，讓操作更為簡便、價格更為低廉、界面更為友好。

另一方面是數(shù)字化實驗技術(shù)使用保障問題。供貨商或廠家從把產(chǎn)品賣給學校開始，就應該安排專門的技術(shù)人員主動開始售后服務，從新產(chǎn)品使用的培訓、傳感器的養(yǎng)護指導等方面，確保傳感器更實用，還要不斷完善傳感器的性能；當軟件版本升級時要兼容低版本傳感器，并及時提供技術(shù)支持，讓使用者更方便、數(shù)據(jù)更穩(wěn)定、安裝更簡捷，如筆者所在校物理實驗室先配備了十五套朗威牌6.8版本設(shè)備，化學實驗室后配備十五套朗威牌7.2版本設(shè)備，由于電腦操作系統(tǒng)的不斷升級，導致在電腦上無法識別傳感器，經(jīng)過與廠家聯(lián)系得到補丁，安裝在電腦或電子白板上，至今各種傳感器均可以正常使用。

（三）教師在課堂實驗教學層面上的解決方案

數(shù)字化實驗技術(shù)能否在課堂實驗教學中常態(tài)化使用，取決于教學一線教師的態(tài)度和行動，要做到以下幾點。一是查閱數(shù)字化實驗文獻，進行理論學習，積極參加相關(guān)操作運用培訓。二是向同伴學習，向?qū)＜覍W習，提升自己的運用技能。三是積極行動起來，演示實驗從操作簡單的傳感器應用開始，從不熟練到熟練是一個過程，教師會用了才會帶領(lǐng)學生用，只有多用才能達成使用技術(shù)的熟能生巧。四是積極參加數(shù)字化實驗技能賽教活動，以任務驅(qū)動促使自己快速成長。五是經(jīng)常瀏覽廠家官方網(wǎng)站或公眾號，下載軟件、補丁、操作視頻、尋求技術(shù)支持等，使自己成為這項技能操作的行家里手。

教師要學會搭建好用的兩個實驗平臺：教師演示實驗平臺電子白板替代電腦增強了測量結(jié)果的可視性，學生分組實驗平臺手機等替代電腦增強了實驗的便捷，減輕了學生對裝備的陌生度。將手中的各種現(xiàn)代信息技術(shù)裝備融合實現(xiàn)數(shù)字化實驗常態(tài)化，落實課標要求。

教師要以教材實驗為抓手，先從教學實驗中的難點實驗入手，把傳統(tǒng)實驗中的一些現(xiàn)象不直觀、不易觀察、數(shù)據(jù)處理大的實驗，在課堂教學中采用現(xiàn)代數(shù)字化實驗技術(shù)，在“做中學和教”，在真實情境中解決真問題，提高學生化學核心素養(yǎng)。在實踐中存在一些認識誤區(qū)影響了數(shù)字化實驗的使用，如一定要得到平滑的曲線，否則實驗效果就不好。測量酒精燈焰心、內(nèi)焰、外焰溫度，在教室環(huán)境里燈焰是不會靜止的，測出不平滑的曲線恰恰是真實實驗的體現(xiàn)，只要通過讀數(shù)證明三個位置的溫度是焰心＜內(nèi)焰＜外焰 ，通過實驗找到用酒精燈加熱的最佳位置就是成功實驗。又如為了使用數(shù)字化實驗忘了初心，簡單目標知識教學選用復雜實驗。

數(shù)學化實驗與傳統(tǒng)實驗各有優(yōu)勢，兩者是彼此融合相互彌補的關(guān)系。但數(shù)字化實驗可以放大人們的直覺觀察，系統(tǒng)生成的圖表可直觀地表示理論模型的核心組成部分，包含化學物質(zhì)的組成、數(shù)量、單位、狀態(tài)等信息，這些圖表有助于學生思考如何表征化學概念。研究表明數(shù)字化實驗對微觀和符號表征起到了促進作用，曲線圖作為一種符號表征，搭建了宏觀和微觀世界的橋梁。它的價值是傳統(tǒng)實驗無法替代的，而要使數(shù)字化實驗技術(shù)成為一種教學常態(tài)還有一段很長的路要走，需要共同努力。

作者單位? ?西安市第三十中學