王润琪

编者按：目前，所有中小学新课程都以“核心素养”为理念。核心素养条目较多，与具体学科知识有一定的差异，又有学科核心素养等概念，一线教师可能会很难一下子适应。本期解码，我们结合数字化学习实验设计和高中信息技术新教材即将采用的Python语言，共同探讨学科核心素养如何在学习实践中落地。

当数字化浪潮势不可挡地涌入世界的每个角落，渗入到生活和学习的方方面面时，教师必须要关注如何有效地利用这些水花映射出世界的模样。现在，随着新的课程标准大力提倡数字化学习与创新，教师显然不能还停留在以往数字现实的反射作用阶段，而应深入到学习本质与数字化实验的深度融合中去，由此迈向STEM、项目学习等新道路，达成数字化原住民应该具有的数字化学习与创新的思维逻辑。

运用开放型数字化学习平台超出软件模拟的意义在于经历思维逻辑的过程

利用数字化模拟电流之类的观察实验，难以使人理解和掌控抽象事物的本质。数字化实验就像一面镜子，能让大家看到事物的现象，或者将虚拟世界展现在眼前，却并不太深入其内在的逻辑。当然，我也经常利用技术直观体现复杂的具象事物，如通过一台运转的电动机来观察它的原理与过程，此时数字化模拟的电动机模型就是将那不锈钢外壳溶化后留下的最直观真实的核心骨架，于是学习变得简单明晰起来。

而如今，局限于对已知世界的解释和学习的过程，无疑是偏狭而浅显的，因为没有自己的思维，所以会阻碍创新的形成。而在此基础上，利用数字化技术进行研究和探索新的事物，把基于数字技术的思维与科学实验的学科思维结合起来，才是数字化学习的应有逻辑思维，也是其本质意义。

数字化技术趋向开放，给学习留有了更多的空间，使学习者更容易将技术与学科问题相结合。这实质上是基于计算思維的一种问题解决方式，这样一种深入的数字化实验设计，只让科学思维与计算思维相互交融，其学习状态及价值取向才是深刻的。当然，随着智能技术、模式识别技术等新技术的发展，数字化实验的开放性会越来越高，利用者会越来越深入地研究学科问题，从而减少对技术方法的刻意研究，让技术与科学的思维逻辑趋向融合。其间，使用者会发现所用数字化技术的优势与不足，由此也会促进学习者对技术的创新意识和创新行动，这是数字化学习过程对数字化技术创新的一种思维反哺。

实例分析如何进行基于数字化学习的实验设计

下面我以一个模拟小白鼠心血管系统（Rat Cardiovascular System）的软件Ratcvs为例，来探讨一下数字化学习下的实验设计方法。这个实验过程是有层次和递进的，先观察一种药物对小白鼠心血管系统的影响，再通过两种不同药物的叠加，观察总结药物的不同作用。

1.实验一：一种药物的实验

①选择实验对象。为了排除中枢神经的影响，在preparation选择框中选择“Pithed rat（毁脑脊髓小白鼠）”作为实验对象。

②各项心血管指标。点击“start”按钮，开始记录小白鼠的各项心血管指标：动脉血压（ABP）、左心室压（LVP）、静脉血压（VBP）、心收缩力（HF）、心率（HR）。

鼠标指针移向图形即可显示数据。

其中，在一个周期中，动脉血压的最高值即为收缩压（Systolic ABP），最低值即为舒张压（Diastolic ABP）。

③记录加药前数据。测量无药物注入时小白鼠的动脉收缩压、舒张压，以及心率并记录数据作为对照，填入表格内。

④记录加药后数据。从“standard drug（标准药物）”菜单中，选择去甲肾上腺素（Noradrenaline 10ug/kg）（注意：通过下拉列表选择计量，输入计量无效），执行“注射（Inject）”进入小白鼠体内，观察各项指标的变化。

在效果最大时，移动“+”光标，观察并记录此时小白鼠动的脉收缩压、舒张压，以及心率并记录数据，填入表格内。

对比计算加药前后指标的变化量，且将计算结果填入表1。

2.实验二：更换实验对象，进行实验

①选择新实验对象。从文件（file）中选择一只新的小白鼠（New Rat），在preparation中选择毁脑脊髓小白鼠（Pithed rat）作为实验对象。

②记录加药前数据。点击开始（start），测量无药物注入时小白鼠的动脉收缩压、舒张压，以及心率并记录数据作为对照，填入表格内。

③记录加药后数据。从标准药物（standard drug）选项中选择哌唑嗪（Prazosin 0.5mg/kg）注射（Inject）进入小白鼠体内，然后再注射（Inject）甲肾上腺素（Noradrenaline 10ug/kg）。如左图，观察各项指标的变化，等效果最大时记录此时小白鼠的动脉收缩压、舒张压，以及心率并记录数据，填入表格内。

对比计算加药前后指标的变化，且将计算结果填入上页表2。

3.分析实验结论

去甲肾上腺素（Noradrenaline）是α/β肾上腺素受体激动剂，它对α和β受体都起到刺激作用，且当其中一种受体被抑制时，去甲肾上腺素对另一种受体的刺激作用会稍有增强。其中，α受体主导血管平滑肌收缩，引起血压升高，而β受体则主导心率升高和心收缩力增强。受体激动剂的作用是激活受体，受体拮抗剂的作用是“封印”受体，抑制受体被激活。

结合给出的信息和前面的实验数据判断：

①推断注射哌唑嗪（prazosin）后再注射去甲肾上腺素（Noradr-enaline）的情况与只注射去甲肾上腺素的情况相比，血压和心率指标的变化是（ ）

A.血压升高，心率稍微加快

B.血压降低，心率稍微加快

C.血压升高，心率稍微减缓

D.血压降低，心率稍微减缓

②推断哌唑嗪对α或β肾上腺素受体的作用是（ ）。

A.α和β拮抗剂

B.β拮抗剂

C.α拮抗剂

D.β激动剂

运用计算思维与科学思维的交融达成数字化学习目的

数字化技术平台可以有效地将数字化技术手段和学科专业学习的目的结合在一起，相辅相成地提供直观而高效的学习和研究方法。例如，以上实验软件就为药物的药理学习和研究提供了一个数字化技术平台。

第一，作为一个虚拟而精确的实验模拟软件，在这里进行的实验操作能有效避免外部条件的不稳定因素带来的干扰和误差。例如，药物试剂的浓度在实际配制时的不准确性，小白鼠健康状况的不确定性，甚至实验器材清洗不干净等，都会造成实验结果的误差甚至错误。而这个数字化实验平台则能省去烦琐的实际实验步骤在这期间产生的大大小小的误差，将药物对小白鼠心血管系统各项指标产生的作用以波动线的形式直观而即时地表现出来。虽然，数字化技术平台存在的局限性和非生物性使它不能取代真实的动物实验，但它提供的数据却可以作为实际实验的参考。如在加药前先利用这个软件测出一个有效的剂量范围，这样在数字化平台上进行的即时性的预实验可以大大降低实验的盲目性，从而有效减少实验进程中时间、精力和财力的浪费，对科学研究无疑是很好的助力。因此，相比通过实验室的真实实验，这显然提供了更加高效清晰的学习方法，也为真实实验的进行打下了模拟过程、掌握原理、提高技术与策略的基础。

第二，基于这个数字化模拟实验平台，通过设计一步步递进叠加的实验方法来探究不同药物对心血管系统的作用。首先，是对比毁脑脊髓小白鼠（避免中枢神经系统的干扰）在不加药状态下和注射激动剂去甲肾上腺素后的各项心血管指标的不同；其次，进一步对比毁脑脊髓小白鼠在不加药状态下和注射拮抗剂哌唑嗪及激动剂去甲肾上腺素后各项心血管指标的差异；最后，通过观察注射哌唑嗪后再注射去甲肾上腺素的情况与只注射去甲肾上腺素的情况相比血压和心率指标的变化，思考哌唑嗪的作用，分析结论。这就是利用这个软件探索和研究药物对心血管系统作用的实验方法。比较真实实验，可以尝试更多的药物、剂量、过程以让实验具有探索性，这对学习的创新意义重大。

可见，当专业化和数字化技术得以交融，使数字化的学习方法服务于专业化学习和研究时，教师需要培养学生的计算思维在数字化学习中的具体应用。对于数字化平台，不能为了使用而使用，而是要真正地去探索和思考，不仅学习它表面所传达的功能，更要积极利用数字化工具解决问题和研究新事物，形成符合数字时代的思维逻辑。由此，数字化技术的水花，不應该仅仅被当作看世界的镜子，而应进一步加以应用，用它来培育新知识的美丽花朵和丰硕果实，这样才能为数字化学习赋予探索发现的深度。