史 喆

(合肥市第八中學 安徽合肥 230071)

引言

高中生物教學中多重因素的影響導致實驗教學難以開展，而數(shù)字化實驗以其獨特的優(yōu)勢被廣泛應用，從而極大地提高了生物實驗教學的質(zhì)量和效率。在重視動手實驗和直觀展示的生物實驗課堂中添加數(shù)字化元素，通過直觀生動的呈現(xiàn)，使數(shù)字化的概念深入人心，能使學生愛上生物實驗，為適應未來的人工智能時代奠定基礎(chǔ)。因此，探討數(shù)字化探究實驗在高中生物教學中的應用具有十分重要的意義?；诖?，在生物實驗教學中，我們將數(shù)字化技術(shù)融入“教”“學”“評”三個層面，打造更加生動立體的課堂。

一、什么是數(shù)字化探究實驗

數(shù)字化探究實驗是利用先進的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、多媒體技術(shù)等，將傳統(tǒng)實驗室中的各種實驗資源數(shù)字化，并通過計算機實現(xiàn)實驗教學管理的高效化。筆者在生物實驗教學中所使用的數(shù)字化探究實驗系統(tǒng)主要為數(shù)字化信息實驗系統(tǒng)，此系統(tǒng)主要包含三個部分：一是傳感器，它主要負責把實驗中測量的各種非電信號如光照強度、pH值等轉(zhuǎn)換成標準的電信號；二是數(shù)據(jù)采集器，它是傳感器與計算機的接口，主要負責把傳感器的模擬電信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號并與計算機進行通信；三是軟件，它主要負責數(shù)據(jù)信號的顯示、處理與分析等。另外，數(shù)碼顯微鏡、實驗操作視頻及其他計算機處理程序也可作為數(shù)字化技術(shù)的輔助部分。

二、數(shù)字化探究實驗特點

(一)注重線上與線下實驗教學的融合，開發(fā)向?qū)W平臺

在高中生物實驗教學中應用數(shù)字化探究技術(shù)，核心是利用先進的信息技術(shù)、多媒體技術(shù)以及計算機技術(shù)等將傳統(tǒng)實驗教學中需要收集的各項實驗資源和實驗過程進行數(shù)字化處理，然后借助計算機進行高效的實驗管理。在長期的實踐發(fā)展中，數(shù)字化探究實驗技術(shù)形成了完善的體系，具有良好的應用效果。為了給學生提供更豐富立體的實驗課程資源，可以將“生物實驗”整合打造為教學資源庫，為學生提供實驗直播課程、實驗錄播課程、實驗研討授課等立體化課程資源，并提供視頻音頻課程、電子書籍、電子教案、PPT課件、學習任務單等各類資源，匯成一份生物實驗教學資源“大餐”。

(二)注重實驗探究，促進學生全面發(fā)展

要使實驗技能落地，需要推進當前實驗教學的大轉(zhuǎn)型。通過搭建生物學科數(shù)字化教室，將生物實驗效果展示到聲控智能顯示屏，促進教師與學生及時互動。使用VR技術(shù)輔助實驗課堂教學，學生可以點擊查看實驗過程中的動態(tài)變化，教學資源豐富多彩，提高了生物實驗的安全性，節(jié)省了實驗的時間，真正讓學生走進數(shù)字大課堂，拓寬視野，提升素養(yǎng)。

(三)優(yōu)化實驗結(jié)果的呈現(xiàn)，實現(xiàn)精準測量

學生在實驗的過程中，通過傳感器對需要用到的實驗量進行數(shù)據(jù)采集，然后對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，應用于接下來的實驗活動中。數(shù)據(jù)采集器將采集到的各種模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，利用計算機將其連接起來。軟件系統(tǒng)將最終的各種實驗過程以及實驗現(xiàn)象整理到一起展示出來，從而讓學生直觀地觀察到實驗的現(xiàn)象以及實驗的過程，最終得到實驗的結(jié)果。

三、數(shù)字化探究實驗在高中生物教學中的應用

(一)數(shù)字化探究實驗在“教”的層面的應用

1.充分利用先進設(shè)備，提高實驗教學的效率

數(shù)字化探究實驗，能夠極大地節(jié)約課堂實驗教學的時間，提高教學的效率。開展數(shù)字化探究實驗，在數(shù)據(jù)采集的過程中能夠更快更好地得到實驗數(shù)據(jù)，這樣能夠縮短學生處理數(shù)據(jù)的時間。而多出的時間，則可以引導學生進行知識的探究。

例如在指導學生學習《呼吸作用與光合作用》這一節(jié)知識點的過程中，實驗涉及大量的數(shù)據(jù)以及各種圖形分析，一部分學生往往難以得到精確的實驗結(jié)果，且由于這一部分實驗涉及時間周期較長，難以通過傳統(tǒng)方式開展探究。為此可以開展數(shù)字化探究實驗。首先，學生通過氧氣傳感器及二氧化碳傳感器，對綠色植物光合作用以及呼吸作用進行精確的測定。在這一測定過程中，學生能夠得到精確的數(shù)據(jù)。接下來，學生對測得的數(shù)據(jù)進行整理，根據(jù)實驗的需要繪制曲線圖以及柱形圖等進行分析，最終得到實驗結(jié)果。這樣的方式鍛煉了學生的數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)分析能力，有利于促進學生綜合素質(zhì)的發(fā)展。

2.實驗教學深度和廣度的延伸培養(yǎng)了創(chuàng)新能力

生物實驗教學中，最為關(guān)鍵的一環(huán)是要讓學生親身經(jīng)歷實驗過程，并且讓學生動手實踐操作。然而在常規(guī)的實驗教學中，由于一些生物實驗開展需要相應的場地，也需要相應的實踐驗證實驗，結(jié)果導致教師幾乎不可能在教室中開展實驗。針對這樣的現(xiàn)狀，一些教師采用多媒體的方式，通過視頻講解讓學生進行實驗學習探究。由于缺少了實踐環(huán)節(jié)，學生很難通過親身實踐掌握生物知識，因此影響了學習的質(zhì)量和效率，也不利于學生實踐能力的養(yǎng)成。通過數(shù)字化技術(shù)能夠在短時間內(nèi)獲得實驗數(shù)據(jù)和實驗結(jié)果。因此，學生能夠更好地參與到實驗過程，不斷地發(fā)現(xiàn)新問題，分析解決問題，改進實驗，從而在過程中培養(yǎng)學生的科學思維，鼓勵學生堅持創(chuàng)新精神。

例如，教師可以引導學生利用導電率傳感器、pH傳感器以及渾濁度傳感器對水質(zhì)凈化的方法進行研究。在實驗過程中，學生通過這些數(shù)字化技術(shù)的應用進行探究，并且得出了多種水質(zhì)凈化的方法，最后通過實踐驗證這些水質(zhì)凈化方法的可行性。這一教學活動中，學生更好地實現(xiàn)了在“做中學”，不但培養(yǎng)了學生的實驗探究能力，更能夠培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，使學生能夠在生物實驗學習中更好地發(fā)現(xiàn)問題，也能更好地解決問題。

(二)數(shù)字化技術(shù)在生物實驗課堂“學”的層面的應用

1.體驗式學習

生物實驗重在體驗。實驗課堂的體驗式學習已經(jīng)不再是單純的拓展活動，而是將其完整地嵌入到課程教學過程中，使教學目標的落實有了保障，兼顧學科大概念和學科知識，促進學生積極參與，進行反思發(fā)現(xiàn)。

2.基于數(shù)據(jù)精準學習，主動探究提升科學思維

著力通過信息技術(shù)的優(yōu)勢了解學生參與實驗過程的真實學習狀態(tài)，記錄學生在本次實驗中，哪個環(huán)節(jié)掌握得好，哪些掌握得不那么好，每個學生有怎樣的認知特征，動手能力如何?；诖丝梢蚤_展更有針對性的實驗指導。學困生可以借助VIP學習模式，跟隨老師練習，跟小組同學學習，還可以根據(jù)優(yōu)秀同學錄制的小視頻反復點播學習，隨時隨地都能直觀感受實驗效果。

3.理論實踐結(jié)合，建立社會責任

傳統(tǒng)的生物實驗只在課堂內(nèi).但數(shù)字化模式下，生物實驗更直觀、貼近生態(tài)、融入大自然，成為課堂創(chuàng)新的重要渠道?；诖耍瑪?shù)字化實驗教學打破學校的圍墻，農(nóng)場、田地、博物館、科技館，甚至重量級的生物實驗室，都是學生的體驗式學校，能夠全方位立體化的讓學生認識到知識的前因后果，為培養(yǎng)復合型人才提供便利條件。

(三)數(shù)字化技術(shù)在生物實驗課堂“評”的層面的應用

教學是學校全部教育活動的核心，科學、恰當?shù)慕虒W評價將能更好地促進教學的高效有序開展。為此，在生物實驗課堂教學中，必須將評價作為一種重要導向。

1.以學生為本，過程性評價和終結(jié)性評價結(jié)合

課程標準倡導評價要“立足過程，促進全面發(fā)展”，這不僅是評價體系的改革，更是評價理念、評價方法與手段以及評價實施過程的轉(zhuǎn)變。從關(guān)心學生的能力發(fā)展和成長需要出發(fā)，通過數(shù)字信息反饋，使評價結(jié)果盡可能符合學生的成長需求。評價基于數(shù)字化，在強調(diào)多元的同時，建立“在線”對話機制。師生之間進行平等地對話和討論，在對話中逐步消除學生關(guān)于實驗的知識盲點。

2.基于大數(shù)據(jù)的信息化教學評價

不同于傳統(tǒng)的總結(jié)性評價僅僅將關(guān)注點聚焦在學生能否通過實驗得到預期結(jié)果，數(shù)字化實驗教學評價系統(tǒng)會利用記錄的交互數(shù)據(jù)，對學生的實驗過程、動作要領(lǐng)進行全面分析，歸納出學生是否全面掌握實驗技術(shù)精髓，由此建立學生跟蹤檔案，幫助教師更全面地對學生進行評價，并對學生進行針對性的專題教育，精準做到“量體裁衣”“因材施教”。

四、數(shù)字化實驗的應用價值

1.信息技術(shù)與實驗課程的全面整合豐富了教學手段

信息技術(shù)的普及不僅使實驗結(jié)果的呈現(xiàn)更清晰、直觀、便捷，同時還培養(yǎng)了學生的實驗操作能力和實驗的探究精神。結(jié)合新課程、新教材中實驗教學的開展強調(diào)實驗操作和關(guān)鍵能力的培養(yǎng)。數(shù)字化實驗利用先進的設(shè)備，鼓勵學生去創(chuàng)造性地進行實驗改進甚至是設(shè)計實驗，充分利用數(shù)字化實驗設(shè)備來培養(yǎng)學生的科學思維和科學探究生物學科的核心素養(yǎng)。

2.改變學習方式，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力

數(shù)字化實驗作為新生事物，讓學生擁有更科學定量的技術(shù)手段，手腦相結(jié)合，打破學校的圍墻，將實驗基地與信息技術(shù)整合，有利于學生主動學習、探究學習和合作學習，從而讓學生通過自身體驗，養(yǎng)成積極的情感和態(tài)度，獲得創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的提高。

教師開發(fā)可行性案例創(chuàng)造教學資源豐富的環(huán)境，為高中生物學教學提供參考，發(fā)揮數(shù)字化實驗對高中生物學課堂的促進作用。學生在這種環(huán)境中利用技術(shù)，以小組形式進行合作，組內(nèi)交流、探究、探討、展示，不僅培養(yǎng)了生物學科的核心素養(yǎng)，同時將實驗技術(shù)用于解決生活中的實際問題，培養(yǎng)了創(chuàng)新精神和擔當意識。

綜上所述，利用數(shù)字化探究實驗進行高中生物教學為學生提供了必要的實驗條件，也能夠為學生創(chuàng)設(shè)安全的實驗設(shè)備，從而引導學生在實驗中進行探究學習，進一步提高了學生的實驗操作能力。學生不僅掌握了生物知識，也能夠促進自身生物綜合素質(zhì)的發(fā)展。將數(shù)字化應用于新時期高中生物實驗課堂，面向?qū)W生的未來，融合更加新穎的信息技術(shù)教學手段，能從注重學生獲取能力，轉(zhuǎn)向注重學生學習能力，從而引導學生更好地適應數(shù)字化的學習環(huán)境，讓學生未來走向社會多一份自信和力量。