如何用數字化創新實驗教學

　　編者按

　　實驗教學是培養學生創新精神和實踐能力的重要途徑，是新時代提高科學教育育人質量的關鍵之舉。在深入推進教育數字化轉型的背景下，如何以數字化賦能實驗教學，培養學生的創新思維，提升學生解決實際問題的能力？本期專刊特編發一組稿件，敬請關注。

　　觀點

　　數字化促實驗教學走向跨學科

　　黃靜 魯正超

　　當前，以數字化資源與工具助力實驗主題突破教材局限，向真實問題、學科融合與認知挑戰三個方向拓展。

　　一是基于真實情境的數據探究。引導學生利用物聯網設備、在線數據庫等，圍繞環境、能源、校園生活等真實議題開展數據采集、分析與建模。如“教室光環境優化”項目融合科學測量、數學分析與節能理念，培養學生數據素養與社會責任感。

　　二是依托虛擬仿真的跨學科整合。通過虛擬實驗室、跨學科建模軟件（如GeoGebra、NetLogo）打破學科壁壘，開展綜合性的項目學習。如“設計可持續城市排水系統”項目，可整合地理、物理、工程與數學知識，在仿真測試與方案優化中培養系統思維。

　　三是激發認知沖突的互動實驗。利用交互式模擬創設思維挑戰情境，如通過動態幾何探索非歐空間、借助物理引擎對比理想與實際運動差異，引導學生突破思維定式，培養批判性思維。

　　在以上實驗教學內容重構的基礎上，實驗教學中借助傳感器、虛擬仿真、動態建模等工具，學生能夠進行自主設計、實時觀測、多輪迭代與模擬驗證，在“假設—檢驗—修正”的完整科學過程中深化理解。可見，以人工智能為代表的數字技術已經從教師“演示的輔助”轉向學生“探究的伙伴”，并在過程中，以快速反饋、數據分析等確保跨學科實驗教學的順利推進與開展。

　　此外，教學過程也從單一課程轉向長周期、項目化、協同式的學習流程。課前，通過微視頻、交互式預習任務激發興趣，引導學生形成初步問題。課中，借助實時數據采集、協作分析工具開展小組探究，聚焦深度研討與迭代優化。課后，利用數字作品集等進行成果整理與展示，并通過在線社區開展跨班級、跨學校的交流互評，形成可持續的學習閉環。如“校園植物數字圖譜”項目可貫穿整個學期，學生持續記錄、分析并共享植物生長數據，在長期實踐中提升觀察、合作與表達能力。

　　數字化賦能實驗教學，本質是通過技術與教育的深度融合，釋放學生的探究潛能。探究無學科界限，所以未來需進一步拓展以數字化推動實驗教學走向跨學科，以培養學生探究精神。

　　（作者單位：河南省羅山縣第四實驗初級中學）

　　建言

　　數字化可以讓實驗學習流動起來

　　周群

　　上學期，學校幾位生物教師把數碼顯微鏡搬到了教室，課上讓學生們輪流使用數碼顯微鏡，制作番茄果肉、人口腔上皮細胞的臨時裝片，并鼓勵課下學生們隨時用數碼顯微鏡觀察。

　　起初只是幾個好奇的學生課間湊近看看，后來逐漸變成了三五成群的小組探究。他們自發從家里帶來各種材料：橘子瓣膜、青菜葉表皮、花瓣碎片……辦公室的顯微鏡區，儼然一個“一米實驗室”和一個“流動觀察站”。

　　而教室里的顯微鏡，不再只是教學工具，而成了學生自主探索的窗口和師生和諧交流的橋梁。

　　后來，我們陸續把“觀察種子的結構”“解剖觀察花的結構”“觀察根尖的結構”等實驗都搬進了教室，學生們自發將各種實驗材料帶來，小組分工合作解剖觀察。我投屏孩子們的操作過程，大家一起評議操作是否規范；建立班級生物學實驗素材庫，將大家的操作視頻、實驗圖片、繪制結果等都上傳進去，學生們化身一個個小小的科學家，時而專注地操作，時而激烈地研討……

　　這一探索讓我意識到，數字化賦能實驗教學，關鍵在于讓技術“流動”起來，而非固定在某個空間。

　　從“課時實驗”到“時段探究”：顯微鏡常駐教室或辦公室，打破了實驗課的時間邊界。學生可以在最佳學習時刻進行觀察，而不是等待每周固定的實驗課。這種自主節奏，尊重了學生的個體認知差異。

　　從“教師主導”到“學生發起”：當設備可隨時使用，探究的主動權轉移到了學生手中。他們開始自帶樣本、自設問題、自主記錄，教師角色從講解者轉變為資源提供者和思維引導者。

　　從“教室空間”到“學習場域”：一臺移動的顯微鏡，將教室、辦公室、校園走廊連接成了連續的學習環境。物理空間的界限變得模糊，學習發生在任何好奇產生的地方。

　　在推進教育數字化的今天，或許每一間教室都可以成為“實驗室”，每一位教師都可以成為“實驗創新者”。當技術賦能教育，限制條件也能轉化為創新契機，而這正是新時代教師的責任與使命——在任何環境下，都為孩子打開探索科學的大門。

　　（作者系四川省成都玉林中學副校長）

　　讓常規實驗和數字化實驗各司其職

　　楊超

　　在四年級“探究蠟燭燃燒的變化”一課中，我曾陷入兩難：只靠常規實驗，學生對“燃燒產物”的認知模糊且有爭議；全靠數字化實驗，又讓學生沒有了動手探究的樂趣，成為“看數據、記結論”的旁觀者。

　　基于常規實驗是探究的基礎，也是激發學生思考的起點，課堂上，我先讓學生分組開展常規實驗：每組配備蠟燭、燒杯、澄清石灰水、氯化鈷試紙等器材，小組自主設計“驗證蠟燭燃燒產物”的實驗方案。學生們有的小心翼翼地用燒杯罩住燃燒的蠟燭，觀察到蠟燭熄滅、燒杯內壁出現水霧的現象；有的嘗試用澄清石灰水檢驗收集到的氣體，卻因裝置漏氣、石灰水濃度不當，始終看不到渾濁現象……

　　就“不順利”的環節，我沒有急于糾正，而是引導他們反復調試裝置、更換試劑，最終，學生們都觀察到了水霧和石灰水渾濁的現象。觀察到現象，學生卻無法精準證明“水和二氧化碳是燃燒的唯一產物”，對“燃燒過程中氣體變化”的認知也僅停留在表面。

　　此時，我為每組配備了簡易的數字化傳感設備，將氧氣、二氧化碳濃度傳感器和濕度傳感器放入密閉實驗箱中，點燃蠟燭后，設備實時記錄各項數據，并自動生成變化曲線。

　　當屏幕上的氧氣濃度曲線逐漸下降、二氧化碳濃度曲線同步上升，濕度曲線急劇攀升時，學生們瞬間明白了蠟燭燃燒的本質是消耗氧氣，生成二氧化碳和水。同時，我引導學生對比“常規實驗中水霧的出現”與“數字化曲線中濕度的變化”，以數據分析，徹底打消學生的疑慮。更意外的是，有學生通過觀察曲線，發現蠟燭熄滅前，氧氣濃度并未降至零，進而提出“蠟燭熄滅是否與二氧化碳濃度過高有關”的新問題，延伸了探究的深度。

　　教學實踐讓我深刻體會到，數字化融入實驗教學并非“常規實驗+數字化實驗”的簡單疊加，而是要找準融合的切入點，讓二者各司其職、互補共生。

　　常規實驗側重“動手體驗、激發疑問”，讓學生在實踐中發現問題、積累經驗。數字化實驗側重“精準賦能、深化探究”，用數據支撐結論、解決爭議，引導學生從感性認知走向理性認知。這樣的“雙軌融合”讓學生在動手實踐、感受科學樂趣的同時，也實現了精準探究、理解科學本質。

　　（作者系山東省泰安市寧陽縣教育科學研究中心小學科學教研員）

　　探索1

　　用平板“種”出觀察日記

　　林梅珠

　　四年級科學課有個經典實驗——觀察綠豆發芽。“第三天，長了2厘米；第四天，長了3厘米……”在語文課上，每看到這樣的日記，我就想：這不是觀察，是報數。

　　去年秋天，我被臨時安排帶兩周科學課。我一個教語文的，怎么帶學生做實驗？

　　某天無意間，我了解到兒子利用平板設置固定機位、間隔拍攝，并自動生成延時視頻。我大受觸動，立馬用一次性杯子種了5顆綠豆，架好平板，3秒一張拍了好幾張。6天后，15秒的視頻里，豆子破皮、扎根、頂土、展葉，發芽過程有圖、有視頻，整個過程完整清晰。

　　于是，我和幾位班級家長聯系，湊齊了6臺平板。“這次我們分為6組，每組種三顆綠豆，每天只能澆一次水，其他什么都不用做。平板的攝像頭固定好，對準花盆，打開延時攝影，放學開機，早讀收。”我頓了一下，“期待兩周后你們的‘電影’。”因為要拍“電影”，學生們瞬間興奮起來了。

　　然而，第一周是災難。一組澆了3次水，豆子被淹死；一組嫌發芽慢，偷偷把盆挪到窗臺曬太陽，平板還杵在原位，拍了5天白墻；另一組最離譜，為了“畫面好看”，把綠豆排成心形種下去。對于學生們的嘗試，我沒有批評，僅是在課上把自己的視頻放了3遍，通過引導學生說看到了什么，來理解“看見了別人沒看見的，就是發現和觀察”。

　　學生們吸取經驗，第二次每組都成功了。作文課上，我讓他們邊看自己的“電影”邊寫。沒有提綱，沒有好詞好句的要求，但學生們都寫得極其認真。小杰寫：“綠豆的根像白胡須，先往下鉆，再往旁邊探，仿佛在認路。”小萱寫：“下雨那天我沒拍到，但我猜泥土里面是亮的，因為有顆豆子頂著水滴鉆出來，像舉著一盞燈。”

　　又過了幾天，班上好些學生在窗臺上養上了蔥頭、家里的花生米……還有家長發消息說：“林老師，我家孩子說以后要學生物。”其實，我沒教她生物，僅是給了她一臺平板，讓她看見自己想看見的。

　　新學期，學校采購了12臺數碼顯微鏡。科學教師找到我，請教延時攝影。交流中科學教師戲稱：“我們這個小城里的孩子也和數字時代接軌了。”

　　更驚喜的是，昨天學生小雅給我看她已經拍了23天的菠蘿蜜核生長視頻。我問她：“你打算拍到什么時候？”她得意地說：“拍到它開花，‘種’出觀察日記。”

　　（作者單位：江西省上饒市廣信區第五小學）

　　探索2

　　“智慧花房”里的實驗與創新

　　袁軍輝

　　“快瞧！土壤濕度跌到30%了，水泵該啟動澆水啦！”“趕緊加延時程序，把停機閾值調到50%試試！”

　　在學校“智慧花房”虛擬仿真實驗課上，學生們三人一組圍坐在一起，指尖在鼠標上麻利地拖拽土壤濕度傳感器、微型水泵等虛擬組件。導線連接錯了就刪掉重連，參數不合適就反復修改，嘰嘰喳喳的討論聲里滿是實驗探究的熱情。

　　隨著技術的發展，運用線上實驗、模擬、仿真等創新型學習方式，對硬件資源匱乏的鄉村小學而言，猶如一場“及時雨”。

　　鄉村學校普遍缺少傳感器、主控板等實驗器材，專用實驗室更是稀缺，甚至連實驗教學中的“傳感器”“閾值”等概念，教師講半天，學生依舊一知半解。虛擬實驗課時，就有學生問：“老師，閾值到底是啥呀？”直到他們親手連接傳感器與主控板，設定30%的啟動閾值，卻發現水泵一直運轉、虛擬花盆里的“水”快溢出時，才急著喊停。學生們湊在一起反復調整數值、試錯驗證，終于恍然大悟：“原來閾值是傳感器‘發號施令’的臨界點！”

　　就在小組用光敏傳感器實現了“天黑自動加溫”時，小組里的成員突然皺起眉頭：“我爺爺家花房冬天會突然升溫，加溫器一直開著會烤蔫花！”這個來自生活的疑問瞬間點燃了學生的探索欲，他們分工協作：有人檢查線路，有人琢磨程序，有人記錄參數。從28℃到25℃的閾值調整，從頻繁啟停到穩定運行，最終實現“天黑且溫度低于20℃加溫，達到25℃停機”的效果。這個過程中，學生們解決的是真實問題，觀察力、創新思維在一次次試錯中不斷沉淀。

　　去年，在學校“紅領巾尋訪家鄉科技”活動中，學生們走進村里的智能糧倉。管理員大叔指著溫濕度顯示屏笑著說：“以前測濕度得爬梯子、鉆糧堆，現在傳感器實時監測、超標報警，省了不少力！”學生們圍著設備興奮地說：“這和我們實驗課上的監測原理一樣！”當親眼見到虛擬創意變成實用工具，學生們發自內心地體會到：科技的價值在于解決真實的難題。

　　（作者系江蘇省丹陽市折柳中心小學校長）

　　探索3

　　模擬器讓遺傳定律變得可感可探

　　劉小潔

　　“黃與綠、圓與皺，四種組合，九三三一的數字背后是遺傳的奧秘。”這曾是高中生物教師口中抽象的基因定律。如今，學生們只需輕點鼠標，便能“種”出虛擬豌豆，讓孟德爾一百六十年前的發現，在屏幕前以秒級速度重現、驗證。

　　一次教研活動中，霍州一中一位生物教師向我訴苦：“孟德爾那點事兒，我都講10多年了，可孩子們還是搞不懂9∶3∶3∶1到底怎么來的。”當時，我們從教學難點聊到學生認知規律，從技術可能性聊到課堂應用場景。正是在這次深入交流中，我們萌生了共同開發一款模擬小程序的念頭。我負責技術實現，生物教師負責教學設計和效果驗證。幾輪打磨之后，“豌豆性狀遺傳模擬器”就這樣誕生了，讓抽象的遺傳定律在數字世界里變得可感、可探。

　　實驗過程的“高復現”與“高擴展”。學生可自由選擇不同性狀組合的親本，一鍵完成從雜交到F2代的多輪實驗。短短幾分鐘，便能積累遠超傳統教學的數據樣本。實驗過程可快速重復，相同或不同的遺傳假設能在短時間內得到多次驗證。這種高效復現與對比驗證，將靜態結論轉化為可探索的問題，激發了學生的探究內驅力。

　　抽象思維變得“可視化”與“可統計”。軟件將不同性狀的豌豆以色彩和形態直觀呈現，每一粒“數字豌豆”都對應特定的遺傳組合。實時更新的統計圖表清晰地展示各表型的數量與比例變化，使微觀的遺傳機制轉變為宏觀的數據規律。這種數據驅動的學習方式，幫助學生從單純記憶比例，進階到理解比例背后的統計學邏輯。

　　支持分層探究與個性化學習。教師可設計不同層級的實驗任務：基礎任務重演經典實驗，進階任務探索不同遺傳組合。模擬器成為每名學生的“數字試驗田”，支持在反復操作中自主建構知識。教師的角色也從講授者轉變為學習設計者和思維引導者。

　　這款“豌豆性狀遺傳模擬器”讓學生親歷“觀察—假設—驗證—分析—結論”的完整探究過程，在數據波動中理解隨機性與統計規律的辯證關系。當學生在反復實驗中自主歸納出規律時，科學思維正在悄然生長。

　　（作者單位：山西省霍州市教育體育局電化教育館）

　　大家談

　　廣東省深圳市觀瀾中學教育集團辦公室主任李旭強：傳感器的精準、虛擬的安全、數據的直觀，都是為了讓學生更深入地參與科學探究。如同一實驗可多次開展，不同條件下的數據直觀可比，如通過控制變量調整溫度、濃度，幫助學生更清晰地發現科學規律。實驗可重復對比的操作，真實地解決了實驗教學中的一大難點。

　　山東省汶上縣第二實驗中學教師王祥海：“紅磷也燃燒！”面對學生的疑問，我也不確定，于是我們用溫度傳感器，重新設計了實驗方案：不同質量的白磷或紅磷，白磷與紅磷之間的距離……多種變量，多次實驗，電腦上的溫度曲線隨著銅片的溫度一直變化……不管實驗結果如何，在學生有想法時，數字化手段提供了快速驗證的機會，這正是培養學生探索精神所需要的。

　　浙江省湖州市織里鎮晟舍小學教師沈杰耀：就操場夏日地表溫度過高，學生利用紅外熱成像傳感器（連接平板電腦）采集數據，通過建模軟件分析不同材質、顏色的地面對熱量的反射與吸收。不僅形成了翔實的《校園地面降溫建議報告》，更設計并3D打印出了帶有散熱孔紋的創意地磚模型。數字化工具將一個物理現象轉化為可量化的數據問題，將創意構想轉化為可測試的模型，將跨學科知識融匯為具體的解決方案。