张彩雯 李懿 杨春东

摘  要 中学理化生數字化实验系统能有效改进实验教学方式方法，提升实验教学效率和质量。对中学理化生数字化实验系统及系统在课标、教材、配置标准中的应用情况进行介绍，研究分析理化生数字化实验在实践应用中的优势，并给出数字化实验室建设及装备配备建议。

关键词 理化生数字化实验系统;数字化实验室;实验教学;核心素养

中图分类号：G482    文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2021）19-0004-07

0  前言

2019年11月，教育部发布《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，对加强和改进实验教学提出新要求，明确提出“拓展创新，不断将科技前沿知识和最新技术成果融入实验教学，丰富内容，改进方式”，同时强调“促进传统实验教学与现代新兴科技有机融合，切实增强实验教学的趣味性和吸引力，提高实验教学质量和效果”。数字化实验系统作为现代科技的研发成果，在理科实验教学中应用广泛，能有效改进实验教学方式方法、增强实验教学效果，为推动实验教学现代化、高质量发展提供技术支撑。

1  数字化实验系统的概念

数字化实验系统以传感器技术和高速数字电路技术为基础，由数据采集器、系列传感器、配套实验器材及教学软件构成，在传统实验模型基础上，以计算机（或其他具备计算机功能的手持设备）为终端，实现实验数据的自动采集、快速传输、精确计算、多模呈现，实现中学理科实验教学与信息技术的有机融合。运用数字化实验系统，既能完成教材要求的数字化物理、化学、生物等各学科实验，又能完成传统实验教学中无法完成或效果不理想的实验，实现课程学习方式的多样化，强化学生自主探究的能力，成为实验教学重要的方法和手段。

2  课标、教材、配置标准中数字化实验系统的应用情况

2.1  课程标准对数字化实验系统的要求

《义务教育物理课程标准（2011年版）》对数字化实验系统明确提出：“数字化实验室在中学物理实验中的应用越来越广泛，有条件的学校可以利用这类仪器做一些用传统仪器不易做或不能做的实验”。

《普通高中物理课程标准（2017年版 2020年修订）》也明确提出：“建议有条件的地区为学校专门创建数字化实验室，或引进教师演示用的数字实验系统。学校要重视引导教师研究数字实验系统对传统实验的改进方法，研究数字实验系统的教学方式，促进教学手段与方式的现代化”。

《普通高中化学课程标准（2017年版 2020年修订）》指出：“化学教材应精心设计学生必做实验，适当增加微型实验、家庭小实验、数字化实验、定量实验和创新实践活动等”。

课程标准不仅对数字化实验系统提出明确的装备和实用建议，而且指出数字化实验的作用在于“做一些传统仪器不易做或不能做的实验”。从本质上讲，数字化实验并不能替代传统实验，而是通过将先进的科学技术与传统实验相结合，从而提供一种更为先进的实验手段和实验方式，以优化改进原有实验或完成一些原本不能完成的实验。

2.2  教材应用案例

以人教版初中物理教科书为例，教材中应用数字化实验案例如表1所示，教材选用案例如图1所示。这些实验案例统一归类为扩展性实验，一方面向教师和学生展示新的实验手段，鼓励学校引入新技术、新装备，提升实验教学水平;另一方面考虑到不同地区的教育现状有差异，并不强制所有学校去完成相关实验，真正做到理念先导、技术优先、适度推进、兼顾各地。

2.3  配置标准

教育部2010年发布的JY/T 0406—2010《高中理科教学仪器配备标准》中已提到计算机数据采集处理系统，以传感器作为数据采集手段，与传统实验仪器设备配合使用;2019年发布的JY/T 0619—2019《初中物理教学装备配置标准》、JY/T 0620—2019《初中化学教学装备配置标准》、JY/T 0621—2019《初中生物教学装备配置标准》中对数字化实验系统则做了更为细致的配备要求，如图2、图3、图4所示。

物理配置标准将数字化实验系统定义为实验室基础器材，鼓励学校和师生将其作为常用仪器设备使用，提高使用效率;化学和生物配置标准将数字化实验系统定义为数字化探究实验，培养学生动手实践和自主探究能力。

规格、品名、教学性能要求和技术指标要求都以实现教学目标和满足实验需求为依据，科学设定各项参数。配备数量为1～13个或1～9个，兼顾教师演示实验和学生分组实验。配备要求为“选配”，充分考虑不同区域、不同学校的具体需求。“实践活动建议”一栏重点列举了拓展实验和探究性实验要求，对教学活动目标进行了明确的说明，为教师开展数字化实验提供了科学参考。

3  数字化实验的优势

3.1  提升实验教学质量和效率

3.1.1  数据精准稳定，实验效果更明显  传感器相对于传统仪器测量更方便、更准确。特别是对于中学理化生需要定量研究的规律，数字化实验往往比传统实验更精准稳定，实验效果更明显。

如高中物理“探究加速度与力、质量的关系”实验，探究加速度a和质量m成反比关系，传统实验使用打点计时器，教师很难将误差控制在5%以内，学生动手的分组实验失败率更高。借助数字化器材，可以将误差控制在3%以内。图5为动力学系统实验器所做出的实验数据图像，可以明显看出a和1/m呈正比关系，五个数据点基本在一条直线上，且拟合线很接近原点。这样的数据结果更具有说服力，令学生印象深刻。

3.1.2  测量方式多样，有更多的探究空间  传感器还可以测量一些传统实验仪器设备无法直接测量的量，比如光照强度、磁场强度和方向、气体浓度、离子浓度等。在数字化实验教学中会有更多的设计和组合方式，完成一些传统实验仪器无法完成的实验，获取传统实验无法直接获取的数据，为开展科学探究提供更为优质的工具和方法。

以初中生物七年级“光合作用吸收二氧化碳释放氧气”以及人教版高中生物必修1“能量之源——光与光合作用”等章节为例，虽然书中提到光合作用的概念，但学生很难理解其过程和原理，教师需要花费较长的时间，通过说实验等间接检验方式，让学生理解光合作用。而数字化实验运用O2和CO2传感器，可直接测量两种气体的浓度随时间变化的关系，在软件图像上直接观察到光合作用过程中二氧化碳和氧气的变化趋势，让学生更直观地理解光合作用的原料和产物。实验设备及实验数据如图6所示。

3.1.3  数据处理便捷，提高实验教学效率  数字化实验仪器相较于传统实验仪器，具有高速测量、记录、软件计算等优势，配套软件可以轻松地将实验数据以曲线、数字、仪表等形式呈现，大大缩短实验操作时间和数据计算、绘图时间。

如用打点计时器验证机械能守恒实验，教师操作并且计算出一组数据需要约五分钟，完成三组数据则需要约15分钟。如果由学生进行分组实验，并由教师对学生分组进行指导，则需要更多的时间。教师如要在一节课上由实验代入并讲解知识点，再简单进行习题巩固，很难按时完成教学任务;如果使用数字化实验仪器设备，本实验只需要三分钟即可测量得到九组数据，并由软件完成计算和绘图，且非常稳定，便于更好地完成教学任务。

3.1.4  数据便于呈现，为教学提供便利  通过传感器，可以直接将实验数据转化为数字信息。一方面通过配套软件和电子数据传输设备，轻松实现对实验数据的实时采集、传输和呈现，配合交互式一体机、交互式白板等设备，可以动态演示整个实验过程，使课堂展现更直观便捷;另一方面，实验数据的数字化便于对实验教学进行记录和评价。

3.2  促进学生综合能力的提升

3.2.1  器材新颖，更容易激发学生兴趣  数字化实验器材相对普通教具更新颖，从核心技术、外观外形上更加符合当下的材料、工艺和技术。另一方面，以数字化实验系统为技术支撑，通过创设学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考的数字化实验室[1]，更容易激发起学生的兴趣，引导学生进行自主学习和探究。

3.2.2  数据精确，有利于更科学地探究规律  标准的探究，要求在基本理论知识的基础上，假设物理量之间的关系，然后用实验来验证、修正或否定假设。相对现象和纯验证实验，这种情况下对实验器的精度要求就更高。

如“探究功与速度的关系”实验，在一维运动中，给初速度为0的物体做功，功W和速度v2成正比关系;但是作为探究实验，需要得到多组W和v的数据，对比分析W和、v、v2、v3之间的关系。如果使用传统的打点计时器很难得出同样的结果，而且实际操作后，发现很难判断W和v、v2、v3之间谁更像正比关系。这种情况下，数字化实验可以快速准确地得出数据及规律，更具说服力，实验结果如图7所示。

3.2.3  体现时代需求，有利于培养学生的信息化素养和能力  传感器作为现代科技发展所必需的基础性元器件，不仅在日常生活中应用广泛，在人工智能、大数据、物联网等高精尖技术中也必不可少。将传感器技术与实验教学相结合，体现了教学与生活生产、现代社会及科技发展的联系，反映了当代科技发展的成果和科学思想，有助于培养学生的信息化素养和能力。同时，数字化实验为科学探究提供更为先进的工具和方式，帮助学生更轻松地理解科学本质，增强科学探究能力和解决实际问题的能力。

4  对理化生数字化实验室建设及装备配备的几点建议

鉴于课程标准和教材对数字化实验提出的要求，以及数字化实验系统本身所具有的教学优势，建议有条件的学校建设独立的理化生数字化实验室，并注重对实验室内涵的建设，用数字化技术促进实验教学和育人方式变革，满足新时代对实验教学高质量发展的新要求。具体提出以下几点建议。

4.1  应体现学科核心素养要求

理化生数字化实验室建设应充分适应新时代改革和发展的新要求，满足当前和未来培养学生创新能力和核心素养的新需要。数字化实验系统作为一种先进的工具，是对原有教学的有效补充，不能一味地求新、求变而脱离课标和教学实际。在建设时只有把握住对学科核心素养培养这一原则，才能充分发挥实验教学的育人作用。这就要求在对数字化实验室进行裝备配置时考虑：必须配备哪些仪器设备以达到课标和教材中对数字化实验的要求？应配备哪些数字化仪器设备以优化原有实验效果、提升实验效率？可以配备哪些数字化仪器设备以满足教师和学生开展探究性实验的需求？

4.2  应体现实践育人的理念

数字化实验作为实验教学的一种新形式、新方法，应充分体现实验教学实践育人的功能，在实验教学中推动学生开展项目化、问题式、合作式学习，通过新颖有趣的数字化实验仪器设备激发学生自主探究的兴趣和爱好，提升学生观察能力、实践操作能力、创造性思维能力和团队合作能力，实现对学生创新精神、科学素养和意志品质的培养。

为充分满足教师教学方法的多样性和学生的个性化学习，在对数字化实验室进行装备配置时应充分考虑不同学校、不同师生对数字化仪器设备种类、数量和规格型号的不同需求，“以人为本”开展实验室装备建设和管理工作，最大限度地发挥数字化实验室实践育人的功能。

4.3  应注重传统教学与数字化实验有机融合

要正确认识数字化实验在教育教学中的功能与作用，并充分考虑学生、师资、管理机制等因素的影响，科学地开展数字化实验教学，促进传统教学与数字化实验有机融合。要鼓励教师利用数字化实验创新实验教学方式，丰富教学内容，增强实验教学趣味性，不断提高实验教学的效率和质量;要完善实验室管理体制机制，向学生开放实验室，鼓励学生利用课余时间开展实验探究;要科学设计实验活动，利用数字化实验设备便于携带、操作简单的特点，鼓励学生开展校外的、与生活实践紧密联系的探究活动。此外，可以定期举办相关数字化实验比赛，以赛促学、以赛促用。

4.4  开展数字化实验相关培训

为深化数字化实验室在教学中的应用，建议对学校教师开展相关培训，旨在提高参培教师对教育教学新思想、新理念、新技术、新方法的认识，能科学应用创新实验室开展教学活动，提升实验教学能力，同时发挥示范引领作用，整体提升学校实验教学水平。培训可以采取专家理论指导、教师说课分享和实操培训相结合的方式开展。通过以上培训，打破师资因素对数字化实验教学的束缚，充分释放数字化实验教学的活力。

参考文献

[1]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2020.