劉波 李永團 劉文成

在基礎生物教學中，數字化實驗教學的實施是生物學核心素養(yǎng)落地的新向標，而對于生物學數字化實驗教學認識的淺表化，以及實驗教學體系的離散化、實驗教學評價的錯位化、數字化實驗教學培訓的同質化等現(xiàn)象，都與實現(xiàn)高質量生物學數字化實驗教學的旨趣相背離。為突破困境，應當以單元實驗教學為統(tǒng)領，正確處理數字化實驗和傳統(tǒng)實驗的關系，構建“備·教·學·評·研”一體化數字化實驗教學支撐體系，以“數字化實驗+”和“跨學科數字化實驗”為核心，利用數字化實驗操作系統(tǒng)，實施循證化教學測評與反饋，重構理論與實踐雙向融合的生物學數字化培訓范式，從而實現(xiàn)學科育人價值和科學思維品性的習得。

生物學；數字化實驗；數字化實驗教學

劉波，李永團，劉文成.生物學數字化實驗教學實施的困境與突破[J].教學與管理，2024（13）：59-62.

在回應“數字賦能助力教育高質量發(fā)展”的時代命題中，《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》（以下簡稱“意見”）指出，要促進傳統(tǒng)實驗教學與現(xiàn)代新興科技有機融合，對于因受時空限制而在現(xiàn)實世界中無法觀察和控制的事物和現(xiàn)象、變化太快或太慢的過程，可用增強現(xiàn)實、虛擬現(xiàn)實等技術手段呈現(xiàn)，切實增強實驗教學的趣味性和吸引力，提高實驗教學質量和效果[1]?！读x務教育生物學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）提出了教師要重視開發(fā)和利用數字化教學資源，豐富師生互動交流方式，促進學生個性化學習[2]。對于中學生物學學科而言，關鍵是在教學與培訓層面如何實施生物學數字化教學，有效落實生物學核心素養(yǎng)落地的學科實踐方式。

作為信息化技術與學科教學質量提升的有效手段，數字化實驗自提出以來，就受到學界的廣泛關注。迄今為止，基礎生物教育界對數字化實驗的探索停留在數字化的價值、課例應用、情境創(chuàng)設、基于生命觀念的部分數字化資源的初步開發(fā)等層面：有的認為數字化技術可以突破時空限制，生動再現(xiàn)生命世界，提高實驗教學的有效性，增強科學史與現(xiàn)實生活的聯(lián)系，在真實情境中促進概念的建構，也可保持學生注意力[3]；有的結合課例分析，立足素養(yǎng)為本，問題驅動學生觀察、思考與探究的教學設計，且利用數字化手段開展即時性評價 [4]；有的運用視頻技術、虛擬技術和智慧平臺等數字化手段，為學生創(chuàng)設時空穿梭、模擬仿真、便捷切換的情境，幫助學生理解與認知相關生物學知識，落實生物學核心素養(yǎng)[5]；有的基于生物學生命觀念素養(yǎng)，開發(fā)了部分章節(jié)數字化的教學資源 [6]。一線教師更多關注數字化實驗實踐層面的探索，但有關中學生物學數字化實驗的理論和實踐探索都很不充分，部分理論思考學理性過強，對素養(yǎng)本位的生物學數字化實驗教學實施的困境認識不足。

一、生物學數字化實驗教學的困境

數字化實驗指的是利用傳感器、數據采集器及數據分析軟件進行的實驗。在實驗過程中，根據計算機和傳感技術進行測量，自動搜集實驗數據，自動將獲得的數據進行處理和分析，能在最短的時間內得出實驗結果和結論[7] ，同時顯示實驗數據的圖像。生物學數字化實驗在數字化實驗的基礎上，根據研究對象是生命體的微觀且復雜現(xiàn)象的機理及過程，借助網絡平臺，將課程實物化、虛擬化（VR），有效利用和AI結合的教學資源，變難為易，實現(xiàn)不受時間和空間限制的個性化學習，從而提高學科教學質量。這是一種以“素養(yǎng)至上，育人為本”為核心的生物學數字化實驗教學理念。在實踐中，生物學數字化實驗教學往往表現(xiàn)出認識淺表化、以講代做、以視頻播放代替動手操作、體系離散化、評價趨同化等現(xiàn)象。

1.數字化實驗教學認識的淺表化

生物學數字化實驗教學既是生物學數字化教學的重要組分，不能獨立而存在，又是生物學數字化教學體系的重要支撐。后工業(yè)化時代，學校教學從關注知識的批量化生產模式逐漸演變?yōu)閭€性化學習的凸顯。數字化作為信息技術與學科教學融合的模式，在以美國為代表的發(fā)達國家基礎教育領域得到廣泛應用，已經證實其有效性和實用性。然而，這并不意味著學校教育教學受制于信息技術的驅動。

在近年來國內個別地區(qū)的實踐中，對生物學數字化實驗教學的認識出現(xiàn)了淺表化現(xiàn)象，具體表現(xiàn)在以下三方面：一是局限于將定性的實驗現(xiàn)象、結果轉化為定量的實驗現(xiàn)象、結果，同最初的線上教學遭遇同樣的悖論（僅是將線下教學平移至線上）。二是數字化實驗教學過度關注學生呈現(xiàn)實驗過程、結果數字化，過分強化了數字化在人的發(fā)展中的作用。數字化技術作為一種新的信息技術，在學科教學中表現(xiàn)為輔助性、支撐性作用，而非主導性作用。信息技術和學科教學之間的關系大體如此。三是數字化實驗虛化或弱化了實驗教學的核心價值（問題提出、作出假設與實驗設計、過程推理與論證、結果分析與表達）。

2.數字化實驗教學體系的離散化

《教育大辭典》對“教學系統(tǒng)論”的解釋涵蓋了多樣化的系統(tǒng)教學模式，且所有模式都包括確定教學目標、選擇達成教學目標的恰當教學方法或策略、根據教學目標評價教學的效果這三個主要方面[8]。換言之，教學體系包括了教學系統(tǒng)的主客體構成、教學過程的構成以及教學模式的構成。

然而，已有文獻顯示，當前生物學數字化實驗的發(fā)展主要集中在數字化具體案例的應用或改進上，沒有建立符合數字時代的實驗教學體系[9]，這種局部的視野觀阻礙了生物學實驗教學的全面發(fā)展。生物學數字化實驗教學體系應成為數字化實驗教學更好向正確方向發(fā)展的指引和支柱，從教的角度應涵蓋教學方式、教學資源（數字化的實驗教學資源包括教材）、教學過程、教學設計、教學評價；從學的角度應囊括學生學習方式、目標內容、學習資源以及學習效果的監(jiān)測；從支持系統(tǒng)角度要有相應的專業(yè)培訓和高素質且熱愛數字化實驗的教師隊伍，這是所有因素中的關鍵因素之一。

3.數字化實驗教學評價的錯位化

數字化實驗教學作為實驗教學的新樣態(tài)，在教學評價方面有以下三個困境：一是教師個人數字化實驗教學勞動較難獲得認可與認定。數字化實驗室建設易，“守”和“用”好數字化實驗難。首先，從教師職改評價制度歸因，雖各省評審文件單列了實驗教師的評價標準，但在執(zhí)行過程中只有省、市直屬及個別重點學校落實了，區(qū)縣層面大多數學校并沒有實施；其次，實驗教學工作量不計入教師的個人整體教學工作量，基層學校普遍認為科任教師就是實驗教師，實驗教學內容是科任教師的責任田；最后，學生實驗教學成績不計入初升高總成績，以陜西省為例，雖占中考比重10分，但不計入中考總分，無疑變相將教師教學勞動成果付之東流，雖然學生對數字化實驗熱情高、興趣濃，但教學中在雙主體一方工作得不到肯定的前提下，僅憑教師教學情懷難以為繼。二是實驗教學技能賽事數量還需提高比重。僅有教師實驗說課和實驗技能操作比賽兩項賽事，實驗教學說起來重要，做起來不重要，再加上課時緊張、實驗教師培訓和進修機會短缺，影響著教師教學積極性。三是數字化實驗教學教研體系真空化。數字化是未來較長時間的主流，但由于場地器材及培訓專業(yè)師資欠缺，很多地區(qū)較難開展線下數字化實驗的全員培訓和學生實驗考查工作。

4.數字化實驗教學培訓的同質化

隨著數字化實驗教學進入普及階段，數字化實驗教學培訓的方式和質量決定著實驗教學的取向，表現(xiàn)在以下三個方面：一是被培訓者少有經歷過數字化創(chuàng)新案例的經歷。一線教師的培訓普遍以講座、線上觀看視頻的方式進行，缺少實操；培訓發(fā)起方考量節(jié)約經濟成本，使得作為科學課堂代表的生物學教師少有接受過系統(tǒng)而全面的、涵蓋理論與實踐相結合的創(chuàng)新性實踐案例操作的培訓。二是部分培訓者對理科學科屬性和學習方式存在認知偏差。理科學科屬性的生物學本質上要求學生在科學推理與論證中形成批判性思維，理科典型的學習方式是做中學，生物學數字化實驗是將論證過程顯性化表達的工具，更是絕佳的教與學的載體和媒介。

二、生物學數字化實驗教學困境的突破

1.以單元實驗教學為統(tǒng)領，正確處理數字化實驗和傳統(tǒng)式實驗的關系

新課標提出，應加強實驗活動、數字化教學資源的開發(fā)與利用，為學生提供適應信息時代所需要的新型學習模式，挖掘信息化課程化資源教學內容的呈現(xiàn)方式，變革學生的學習方式，強調數字化實驗與傳統(tǒng)實驗教學協(xié)同育人的取向。因此，教師可以以單元主題為統(tǒng)領，挖掘其中蘊含的實驗協(xié)同育人價值，明確實驗服務教學內容的目標，設計傳統(tǒng)實驗與數字化實驗教學相結合的活動，從而開展單元整體實驗教學，落實生物學核心素養(yǎng)的培育。

以人教版七年級《生物學》上冊第五章“綠色植物與生物圈中的碳氧平衡”為例，教師可以利用數字化實驗將課本上的科學史、探究、演示實驗和技能訓練均改用數字化實驗進行探究實踐，讓學生分組選擇實驗，同時進行小組交流匯報。讓學生在實踐中通過收集數據，將原有的比較耗時的定性實驗（不能直接觀察過程變化）通過操作便捷的數字化實驗定量展示，在增強學生感性認識的基礎上，通過學生自己動手實踐，基于事實和證據形成并建構呼吸作用的相關概念（見表1）。

另外，不是所有實驗都需要定量化。應關注以下三種情況：一是定性和定量相結合。傳統(tǒng)實驗和數字化實驗相協(xié)同，根據教學發(fā)展的需要確定是否需要將傳統(tǒng)實驗改造為數字化實驗。二是厘清數字化實驗與高質量實驗教學的關系。數字化實驗教學對于實驗教學而言是輔助而不是決定的關系，二者都是促進學生生物學核心素養(yǎng)的達成。反觀當下的數字化實驗教學，更多是為了數字化實驗技能考試而開展，偏離了完整的人發(fā)展的價值旨歸。三是數字化實驗教學歸屬于數字化教學的一部分，一定要將數字化實驗教學置于學科整體數字化教學的框架下來界定其價值意蘊、實施路徑，如數字化教材要體現(xiàn)學生的思維進階，在借鑒國外數字化教材優(yōu)點后根據我國學生認知特點編排和呈現(xiàn)數字化實驗教材。

2.構建“備·教·學·評·研”一體化數字化實驗教學體系

生物學數字化實驗教學體系有力保障著高質量的實驗教學的開展，根據一線教學實踐著力構建“備·教·學·評·研”數字化的實驗教學體系。其中，“備”是指外部的資源支持系統(tǒng)，如數字化賦能的學科功能教室、實驗教師、數字化實驗教材等資源；“研”是指數字化實驗教研系統(tǒng)，既可以是垂直化的國家、省、市、區(qū)（縣）、校五級教研系統(tǒng)，也可以是扁平化、項目式的特定主體教研組；“教”是指從教師的教來說，包括教務管理系統(tǒng)、數據處理系統(tǒng)、器材準備系統(tǒng)；“學”是指從學生的學來說，包括實驗模擬系統(tǒng)、實驗操作系統(tǒng)；“評”是指數字化實驗教學的評價方式，包括過程性評價（基于數字化實驗操作系統(tǒng)）、終結性評價（數字化實驗報告）、增值性評價（基于學校數字化教學系統(tǒng)局域數據的前后對比評價）（如圖1）。

3.以“數字化實驗+”和“跨學科數字化實驗”為核心，利用數字化實驗操作系統(tǒng)，實施循證化教學測評與反饋

以“觀察人的口腔上皮細胞”實驗為例，利用數字化顯微鏡及相關軟件系統(tǒng)開展教學及測評與反饋（如圖2）。

一是探索基于“數字化實驗+”等循證化監(jiān)測數字化能力發(fā)展的指標維度，將學生的數字化實驗操作能力、數字化實驗的設計能力、數字化實驗結果的分析表達能力置于以“推理和論證”為核心的科學研究范式之中，助推學生數字素養(yǎng)的落地。二是跨學科數字化實驗旨在還原科學面貌的本真[10]。結合當下學科化教學的要求，我們要走出一條學科數字化到跨學科數字化教學，再到超學科數字化教學能力的發(fā)展路徑。

4.重構理論與實踐雙向融合的生物學數字化實驗教學師資培訓范式

在教師培訓過程中，應依托專業(yè)教師和一線骨干實驗教師，重構理論與實踐雙向融合的生物學數字化實驗教學師資培訓范式。在理論學習方面，開展如《數字化實驗在初中生物教學中的應用》《常用傳感器的工作原理及使用注意事項》《數字化實驗與實驗創(chuàng)新》《數字化實驗的組織與實施》《數字化實驗數據處理及實驗報告的生成》等培訓，切實提高教師理論水平；同時配合實際操作，如“數字化實驗操作實踐1：實踐操作至少2個數字化實驗，以‘研究種子的萌發(fā)為主”數字化實驗操作實踐2：以常用傳感器，如壓強傳感器、二氧化碳傳感器為主，進行實驗設計，并說明傳感器使用注意事項”“數字化實驗操作實踐3：以實驗創(chuàng)新說課為主”“數字化實驗操作實踐4：以《研究植物的蒸騰作用》為主”“數字化實驗操作實踐5：以數字化實驗教學實踐和展示為主，具體任務：學員在結束學習后，在本單位進行教學實踐，并對本校生物教師進行培訓指導，完成指導記錄、錄制2節(jié)數字化實驗教學錄像和1個實驗說課視頻”，使教師真正做到會做、會用，能在教學中積極使用數字化實驗進行教學及創(chuàng)新。

生物學數字化實驗的實施要摒棄并突破外在淺表離散的表象，秉持在師生數字素養(yǎng)培養(yǎng)中發(fā)展數字化實驗設計與評價能力，深化對科學本質的認識。通過構建“備·教·學·評·研”一體化數字化實驗教學體系，基于數字化實驗操作系統(tǒng)，實現(xiàn)循證化教學測評與反饋，這是生物學數字化實驗走向完整人的發(fā)展的根本旨趣。生物學數字化實驗是生物學理科課程屬性的加速器，既是一種實驗教學的方法論，也是具身認知主義的教學理念實踐觀。如何全面實現(xiàn)生物學數字化實驗的全面育人目標，將成為基礎教育生物學課堂發(fā)展完整人教育的永恒課題。

參考文獻

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