整合装备,解决堵点,落实课标

田蓓

数字化实验是以传感器和计算机为主要工具的新型实验方式，数字化实验存在研究“热”和常态化使用“冷”两脱节的现象。针对于此，本文从文献研究成果和一线教师的视角分析数字化实验技术为什么在课堂教学中难以常态化使用的堵点和解决途径，以期能更好地落实课标。

一、数字化实验技术应用现状

数字化实验系统是以数字电路为基础，以计算机或计算机的变形装置为数据处埋核心，以各类传感器为测量端的新型实验方式。数字化实验具有效率高、数据量大、数形结合便利、对学生的认知促进效果显著等特点。

在中国知网上以“数字化实验”为关键词检索，可检索出近19万篇论文。2007年至今，每年均有万篇以上论文在进行这方面的研究。但是，笔者在教学实践中观察到，数字化实验研究成果虽多，但在中学课堂实验教学中实际使用率并不高。根据吴俊明教授的分类，依据实验目的，化学实验可分为科研化学实验和教学化学实验。阅读数字化实验技术研究相关文献，不难发现很多实验研究成果主要偏向于科研化学实验方面，而专门研究数字化实验技术在教学化学实验中的应用成果较少。

尽管数字化实验的理念和方法已经被中国实验教学界基本接受，但其在中学化学课堂实验教学中的使用还远未实现常态化，大部分教师只是将数字化实验用于公开课和教学比赛。数字化实验技术还处于“展示”和“应景”状态。

二、数字化实验技术在课堂教学中难以常态化使用的堵点

根据李鼎和艾伦运用ISM模型的研究成果《高中数字化实验实施影响因素研究》一文，数字化实验技术在课堂教学中使用的路径是：课程标准→教材→学校规定、政策、学生教育→实验室建设→教师培训→仪器设备实验状况→数字化实验实施。现在，课标有要求，教材有内容，设施有配备，教师有培训，测试有规定，可为什么在课堂实验教学中还是难以常态化使用呢？下面，笔者作为一线教师从中学教师的视角，谈谈数字化实验技术在课堂实验教学中难以常态化使用的原因。

（一）物质设备条件造成难以常态化使用的问题

一是数字化实验设备价格昂贵，学校配备数量有限。数字化实验设备配套的传感器都比较昂贵，所以学校一般配备的套数都是有限的。如果没有给教师专门配备实验设备，意味着每次实验前都需要教师去实验室履行繁琐的借用手续，加之准备数字化演示实验需要花费更多的时间，这导致教学任务繁重的教师不愿意去申请使用。

实验设备有限除了造成教师使用困难外，还不能满足学生实验需求。依据2022年陕西省教育厅发布的《普通高级中学建设标准》，高中办学规模宜为18班、24班、30班……班额人数设定为每班50人。一个年级最少有6个平行班。以一个班为例：如果是随堂实验，一般是4人一组，需要1+13套传感器；
如果是实验课，一般是2人一组，需要1+25套传感器。以现在常用的朗威品牌设备箱为例：一套高中数字化实验室设备包价格高达数十万元，理、化、生都要引入数字化实验，要满足学生实验设备之需，这是一笔巨款。

二是实验设备的维护和保养难问题。设备中的传感器具有高度敏感性，需要专人做特殊的维护和保养。笔者2015年受聘于相关部门对A市的部分县中督导检查，也多次受邀到B市对市级骨干教师进行数字化实验技能培训，所到学校都有数字化探究实验室，且设备都有专人保管，但管理员基本不懂相关技术。由于平时使用人少，没有懂技术的专人维护，所以PH传感器的保护液处于缺少或已干涸状态，导致测量数据误差大，影响正常使用。

三是实验设备更新换代问题。随着信息技术的飞速发展，作为信息技术与理科实验教学整合的产物，数字化实验设备会不断地进行升级改造，数字化实验设备中的传感器和数据采集器、软件都是匹配的，实验系统软硬件更新换代过程中就可能出现“不兼容”问题，导致难以常态化使用。不同品牌的软件更是互不兼容。这就导致旧设备不好用或不能用，新设备一时又难以都配置到位，数字化实验就只好不做了。

四是传感器使用方法掌握难的问题。为了保证传感器的灵敏性，传感器都有使用规范要求和校准软件，需要教师熟悉量程和使用方法。例如使用要求最简单的传感器就是温度传感器，在实际应用中要根据量程选择：温度传感器（-20℃～130℃）和高温传感器（0℃～1200℃）。测量中和热就要用温度传感器，测量酒精灯的火焰温度就要用高温传感器。使用PH传感器除了维护保养外还要用专用溶液、专用软件校准等。

五是传感器使用易损问题。数字化实验技术如果应用于初、高中學生实验课堂教学，根据青少年的心理特点就要考虑是否易损耐用问题。一旦实验设备损坏，既难修又难以更换，设备损坏到一定数量后，就难以保障数字化实验教学的常态化使用了。

（二）课堂实验教学层面上难以常态化使用的问题

中学化学课堂教学实验根据实验的形式可分为演示实验和学生实验两类。演示实验是教师在课堂上进行示范操作和讲解，并指导学生进行观察和思考的实验。要求教师做到：目的要明确，实验安全可靠、保证成功、操作要规范，现象要清晰可见，同时要引导学生主动参与并指引学生观察与思考，经师生共同判断，得出结论。学生实验可分为随堂实验（边讲边实验）、分组实验（实验课）等。学生实验是培养学生实验技能、观察能力、实验能力、分析和解决问题的能力，训练科学方法，养成科学习惯和科学态度的重要教学形式。不管是哪一类实验，每节课都必须要在规定的时间内完成教学任务，教师要把控好上课节奏。如果采用数字化实验技术来完成实验教学任务，往往会出现以下问题，导致一线教师不用数字化实验技术。

一是数字化实验平台搭建麻烦，时间不好控制，导致难以常态化使用。数字化实验除了传统仪器外，还需要使用各种传感器、连接线及固定的夹子。在教师实验技能大赛中，就有一部分选手搭建数字化实验平台时，当各种夹子安装完后，规定的实验结束时间就快到了，实验任务不能按时完成。所以赛教课、公开课很多教师采取提前录制实验视频来解决时间控制方面的矛盾。如果教师在课堂上只单一地通过视频演示实验，学生就更没有机会接触和使用数字化实验设备了。教师平时很少使用，数字化实验操作技能就越不熟练，进入一个死循环。

二是教学评价造成数字化实验难以常态化使用。进入新课程后，普通高中在高一年级化学课是每周3节，高二、高三要多一两节课，高中化学教学普遍存在时间紧任务重的问题，只要教学达标测试时不考实际操作应用能力，应付笔试的最佳途径就是多做相关习题。虽然政府加大了对学校实验室的投入，高中学考、高考也增加了对数字化实验的考查力度。但在实践中教师多采取播放实验视频，讲解实验原理、操作要点、数形结合图像分析，这样更为高效。在一次数字化实验线上研讨会中，上海市中小学数字化实验研发中心副主任李鼎老师提出高考每年都有数字化实验相关试题，为什么在常规教学中教师还是很少做数字化实验呢？山东师范大学毕華林教授的观点是：高考试题呈现的是数字化实验测得的数形结合的图像，只要教师指导学生做过这样的习题，高考时学生也就会分析，与学生会不会测量没有必然关系。这就说明在实际教学中一线教师往往采用的是省时、省事又出成绩的方法，而耗时、麻烦且成绩难以保证的数字化实验就不做或少做。

三、解决问题的办法和途径

（一）政策层面引导的解决方案

数字化实验不是目的，而是教学改革的手段。数字化实验技术是现代信息技术与理科实验教学整合的产物。现代信息技术高速发展，数字化实验技能是教师、学生必须掌握的技能。而课堂实验教学是培养学生数字化实验技能的主要途径，教材配套实验是主要抓手。但要使数字化实验技术常态化使用，还需要共同努力。

数字化实验技术运用技能进课标、进教材。化学教材应适当增加数字化实验、定量实验，让学生在实验探究活动中学习科学方法，认识科学探究过程，体会、认识技术手段的创新对化学科学的重要价值，形成严谨求实、勇于实践的科学态度，发展实践能力。在2017版新课标人教版等初、高中化学教材中已经体现了数字化实验技术方面的教学内容。

解决数字化实验技术运用技能培养的物质条件投入问题。令人可喜的是，为了适应基础教育均衡发展需要，各级政府加大了对基础教育现代信息技术装备的投入，教室大多都安装了电子白板，普通高中学校陆续换装了新的实验室装备，大多数学校还配备了数字化实验室（探究实验室）。这些投入为数字化实验技术的使用提供了物质基础。

培训教师和培养骨干。近年来，各地教育行政职能部门都加大了数字化实验技术运用培训和骨干教师的培养，以陕西省为例，从2015年开始进行省、市两级理化生骨干教师数字化实验操作技能培训，开展各级理化生教师实验操作技能大赛、实验说课大赛等，引导和促进教师积极开展实验研究。陕西省教育厅相关部门在2020 — 2022连续3年通过专题讲座和实验操作视频在线上对全省初、高中理化生教师、实验员进行数字化实验技能全员培训。全面普及和提高了教师的相关认知和操作技能，为实验教学中应用数字化技术提供了师资保证。

要发挥引导作用。高考作为指挥棒已经先行，数字化实验技术得到的数形结合的图像从2006年高考试题上海卷呈现开始到现在的全国卷、地方卷年年都有体现。引导教师在平时的教学中要关注宏微结合、符号、曲线四重表征。一些地方在毕业实验操作考查中也开始试点增加数字化实验内容，促进学生学会运用数字化实验工具进行简单测量。普通中学化学教师在实验教学中引入数字化实验，既是落实课标要求、完成教学任务之必需，也是帮助学生通过高考及实验水平学考之必要。

要出台系统的措施和办法，营造数字化实验技术使用的良好环境。任何一项教育改革举措的推行和教育技术的运用推广都取决于学校的态度和应对之策，没有学校层面的响应都是不可能达成的。学校应鼓励教师教学研究，钻研数字化实验技术，在物质上要提供方便。例如笔者所在校采取把数字化实验装备箱配备给每位需要的化学教师，鼓励教师在平时的演示实验中使用，从而提高了教师使用现代教育技术的水平，增强学生对宏观现象、微观粒子、符号表征、曲线表征四重表征的认识和理解，在提升学生的化学核心素养的同时，教师也得到成长。

（二）实验设备软硬件开发及使用保障的解决方案

要实现常态化的使用，数字化实验软硬件的开发生产厂商要做好两方面的工作。一方面从改善数字化实验硬件功能入手。接口设备要实现从单向到双向。传感器要实现从专业化到大众化的发展，按照“小型、集成、兼容、价廉”要求进行研发，更新换代。传感器简单好用了，对使用者技术要求降低了，学校用得起，教师敢用了，数字化实验常态化就不远了。数据传输要实现从有线到无线化。无线传感器是通过蓝牙技术实现无线连接的，在传感器和接口设备上都有无线模块存在实现数据的无线传送。每组学生测试的图像、实验报告可传输给教师电子白板，教师可以及时组织评价反馈。实现以上技术的进步，让操作更为简便、价格更为低廉、界面更为友好。

另一方面是数字化实验技术使用保障问题。供货商或厂家从把产品卖给学校开始，就应该安排专门的技术人员主动开始售后服务，从新产品使用的培训、传感器的养护指导等方面，确保传感器更实用，还要不断完善传感器的性能；
当软件版本升级时要兼容低版本传感器，并及时提供技术支持，让使用者更方便、数据更稳定、安装更简捷，如笔者所在校物理实验室先配备了十五套朗威牌6.8版本设备，化学实验室后配备十五套朗威牌7.2版本设备，由于电脑操作系统的不断升级，导致在电脑上无法识别传感器，经过与厂家联系得到补丁，安装在电脑或电子白板上，至今各种传感器均可以正常使用。

（三）教师在课堂实验教学层面上的解决方案

数字化实验技术能否在课堂实验教学中常态化使用，取决于教学一线教师的态度和行动，要做到以下几点。一是查阅数字化实验文献，进行理论学习，积极参加相关操作运用培训。二是向同伴学习，向专家学习，提升自己的运用技能。三是积极行动起来，演示实验从操作简单的传感器应用开始，从不熟练到熟练是一个过程，教师会用了才会带领学生用，只有多用才能达成使用技术的熟能生巧。四是积极参加数字化实验技能赛教活动，以任务驱动促使自己快速成长。五是经常浏览厂家官方网站或公众号，下载软件、补丁、操作视频、寻求技术支持等，使自己成为这项技能操作的行家里手。

教师要学会搭建好用的两个实验平台：教师演示实验平台电子白板替代电脑增强了测量结果的可视性，学生分组实验平台手机等替代电脑增强了实验的便捷，减轻了学生对装备的陌生度。将手中的各种现代信息技术装备融合实现数字化实验常态化，落实课标要求。

教师要以教材实验为抓手，先从教学实验中的难点实验入手，把传统实验中的一些现象不直观、不易观察、数据处理大的实验，在课堂教学中采用现代数字化实验技术，在“做中学和教”，在真实情境中解决真问题，提高学生化学核心素养。在实践中存在一些认识误区影响了数字化实验的使用，如一定要得到平滑的曲线，否则实验效果就不好。测量酒精灯焰心、內焰、外焰温度，在教室环境里灯焰是不会静止的，测出不平滑的曲线恰恰是真实实验的体现，只要通过读数证明三个位置的温度是焰心＜内焰＜外焰 ，通过实验找到用酒精灯加热的最佳位置就是成功实验。又如为了使用数字化实验忘了初心，简单目标知识教学选用复杂实验。

数学化实验与传统实验各有优势，两者是彼此融合相互弥补的关系。但数字化实验可以放大人们的直觉观察，系统生成的图表可直观地表示理论模型的核心组成部分，包含化学物质的组成、数量、单位、状态等信息，这些图表有助于学生思考如何表征化学概念。研究表明数字化实验对微观和符号表征起到了促进作用，曲线图作为一种符号表征，搭建了宏观和微观世界的桥梁。它的价值是传统实验无法替代的，而要使数字化实验技术成为一种教学常态还有一段很长的路要走，需要共同努力。

作者单位   西安市第三十中学

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