解凱彬

摘要： 為幫助學(xué)生提高科學(xué)探究能力，建構(gòu)生命觀念，發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)，適應(yīng)未來(lái)社會(huì)競(jìng)爭(zhēng)，研究者針對(duì)廣義數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，探討信息技術(shù)如何有效應(yīng)用于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，并著重探究虛擬仿真技術(shù)和傳感器技術(shù)賦能生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的新路徑，即突破時(shí)空限制，體驗(yàn)探究全過(guò)程，深化對(duì)科學(xué)探究的理解；從靜態(tài)定性實(shí)驗(yàn)向動(dòng)態(tài)定量實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變，加深對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解；堅(jiān)持以學(xué)為中心，提升內(nèi)驅(qū)力，激發(fā)潛能和創(chuàng)造力；從單科學(xué)習(xí)邁向跨學(xué)科實(shí)踐，通過(guò)整合式學(xué)習(xí)建構(gòu)跨學(xué)科概念；突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的安全限制、避免倫理問(wèn)題，培育良好的情感態(tài)度與價(jià)值觀。教師要認(rèn)識(shí)到信息技術(shù)是手段而非目標(biāo)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不可濫用，提高數(shù)字化實(shí)驗(yàn)效能需要加強(qiáng)技術(shù)平臺(tái)建設(shè)和案例資源開(kāi)發(fā)，只有數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，才能走出傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)困境，回應(yīng)新時(shí)代的教育訴求。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù)；中學(xué)生物學(xué)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；跨學(xué)科學(xué)習(xí)；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

2015年，聯(lián)合國(guó)教科文組織發(fā)布了《2030年教育行動(dòng)框架》，指出必須利用創(chuàng)新方法和信息技術(shù)強(qiáng)化教育體系，傳播知識(shí)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)且有效的教學(xué)。數(shù)字化教學(xué)是基礎(chǔ)教育課程改革的巨大推動(dòng)力?！镀胀ǜ咧猩飳W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》（以下簡(jiǎn)稱“新課標(biāo)”）指出：信息技術(shù)的快速發(fā)展為課堂提供了模擬實(shí)驗(yàn)等豐富多樣的教學(xué)資源，充分利用以“互聯(lián)網(wǎng)+”為代表的教育技術(shù)可在一定程度上減少主動(dòng)學(xué)習(xí)活動(dòng)對(duì)實(shí)驗(yàn)耗材及相關(guān)場(chǎng)地條件的依賴。信息技術(shù)的應(yīng)用為中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入新的活力，也為學(xué)生的科學(xué)實(shí)踐提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，有利于教師走出傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)困境。

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)涵

什么是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)？國(guó)內(nèi)學(xué)者主要從組件構(gòu)成進(jìn)行定義，廣義的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)涵蓋虛擬仿真實(shí)驗(yàn)、借助多媒體展現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用傳感器的實(shí)驗(yàn)；狹義的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)則指用傳感器、數(shù)據(jù)采集器和計(jì)算機(jī)構(gòu)建系統(tǒng)，替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和分析的新型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，即?shù)字化信息系統(tǒng)（Digital Information System，簡(jiǎn)稱DIS）。筆者將針對(duì)廣義數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，探討信息技術(shù)如何有效應(yīng)用于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。多媒體技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用歷史相對(duì)久遠(yuǎn)且研究較為成熟，筆者著重探究虛擬仿真技術(shù)和傳感器技術(shù)如何賦能生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

生物學(xué)作為科學(xué)教育的主要學(xué)科之一，是人們認(rèn)識(shí)世界和生命的基礎(chǔ)，生物學(xué)本質(zhì)上是一門實(shí)驗(yàn)科學(xué)。學(xué)生通過(guò)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)這一重要的探究和實(shí)踐形式參與科學(xué)探究活動(dòng)，建構(gòu)科學(xué)概念，理解科學(xué)本質(zhì)，有利于發(fā)展生物學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)。生物學(xué)實(shí)驗(yàn)既是學(xué)習(xí)形式，又是學(xué)習(xí)內(nèi)容。筆者探討的生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是，教師在教學(xué)過(guò)程中指導(dǎo)學(xué)生利用特定的儀器設(shè)備和藥品、材料等對(duì)生命現(xiàn)象進(jìn)行觀察、對(duì)生命活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行探究，幫助學(xué)生建構(gòu)生命觀念，提高科學(xué)探究能力，發(fā)展生物學(xué)核心素養(yǎng)的教學(xué)形式。

二、信息技術(shù)應(yīng)用于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀

早期數(shù)字化實(shí)驗(yàn)主要應(yīng)用于高等教育，隨著信息技術(shù)日臻成熟，也逐漸應(yīng)用于中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。我國(guó)開(kāi)展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)時(shí)間較晚。2002年，上海率先將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)引入教學(xué)領(lǐng)域，隨后其他地區(qū)逐漸在教學(xué)中開(kāi)展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，目前已有14個(gè)?。ㄖ陛犑校┏雠_(tái)數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室配備標(biāo)準(zhǔn)。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)最早應(yīng)用在物理教學(xué)中，后擴(kuò)展至化學(xué)、生物學(xué)等學(xué)科。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究也多集中于物理和化學(xué)學(xué)科，生物學(xué)方面的研究略顯匱乏。筆者對(duì)國(guó)內(nèi)相關(guān)文獻(xiàn)檢索并分析后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前中學(xué)生物學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究主要存在以下問(wèn)題：一是研究體量小，即整體論文量不足，明顯少于物理、化學(xué)學(xué)科；二是系統(tǒng)性不強(qiáng)，即現(xiàn)有研究多集中于個(gè)別數(shù)字化實(shí)驗(yàn)案例的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)，缺乏對(duì)中學(xué)生物學(xué)整體實(shí)驗(yàn)課程的分配與規(guī)劃；三是缺乏有效評(píng)價(jià)，即大部分案例研究類文獻(xiàn)偏重于描述數(shù)字化實(shí)驗(yàn)操作的流程，并未利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)改變教學(xué)評(píng)價(jià)方式，使得形式大于內(nèi)容，沒(méi)有發(fā)揮出數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的全部潛力；四是實(shí)證性研究稀缺，即國(guó)內(nèi)很少有研究者對(duì)比并量化數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的差異，對(duì)中學(xué)生物數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果、學(xué)生的興趣與實(shí)驗(yàn)偏好、學(xué)習(xí)效果的提升幅度等，缺乏實(shí)證研究。

三、信息技術(shù)賦能生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐

研究表明：受實(shí)驗(yàn)設(shè)備限制、實(shí)驗(yàn)課時(shí)不足、實(shí)驗(yàn)安全隱患等因素影響，當(dāng)前中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)的開(kāi)出率普遍較低，部分實(shí)驗(yàn)甚至只存在于教材、課標(biāo)中，從未真正落地開(kāi)展。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師多以講述的方式介紹實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及步驟，習(xí)慣用多媒體課件演示實(shí)驗(yàn)，逐漸形成了教師演示、學(xué)生模仿的被動(dòng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)程式。教師在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)，需要持續(xù)復(fù)雜的資源保障，包括人員、資金及空間等，確保實(shí)驗(yàn)安全。

教師開(kāi)展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，可以拓寬實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐路徑，突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)瓶頸，并應(yīng)用于各類實(shí)驗(yàn)，如課堂演示實(shí)驗(yàn)、戶外實(shí)驗(yàn)、學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和探究實(shí)驗(yàn)等。21世紀(jì)的青少年接受信息技術(shù)的能力強(qiáng)，適合通過(guò)體驗(yàn)式的實(shí)踐活動(dòng)理解生物學(xué)知識(shí)并主動(dòng)建構(gòu)生命觀念。相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)更有利于學(xué)生開(kāi)展生物學(xué)實(shí)驗(yàn)，提升學(xué)生的素養(yǎng)和能力。

（一）突破時(shí)空限制，體驗(yàn)科學(xué)探究全過(guò)程，深化對(duì)科學(xué)探究的理解

由于場(chǎng)地、設(shè)備及實(shí)驗(yàn)過(guò)程等受限，中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中一些用時(shí)過(guò)長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)往往被刻意忽視，但有了信息技術(shù)的支持以后，教師可以突破時(shí)空限制，盡可能地讓學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)探究全過(guò)程，進(jìn)而加深對(duì)科學(xué)探究的理解。例如，“培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化”這一探究實(shí)驗(yàn)涉及酵母菌的培養(yǎng)、取樣、計(jì)數(shù)和數(shù)學(xué)建模（繪制種群數(shù)量變化曲線）等內(nèi)容，教師采用新方法教學(xué)，效率大大提高。按照常規(guī)方案，該實(shí)驗(yàn)需要7天完成，歷時(shí)較長(zhǎng)，且學(xué)生在對(duì)實(shí)驗(yàn)條件控制不精準(zhǔn)的情況下，即便用7天時(shí)間也難以繪制較為理想的S形曲線。一些教師對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，即讓學(xué)生間隔1小時(shí)或2小時(shí)取樣、計(jì)數(shù)，24小時(shí)便可完成實(shí)驗(yàn)，繪制S形曲線，但24小時(shí)連續(xù)工作難度很大，學(xué)生仍無(wú)法獨(dú)立、全程參與探究活動(dòng)。教師通過(guò)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以有效解決上述難題——將傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室教學(xué)與虛擬化技術(shù)結(jié)合，先讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室完成前期酵母菌培養(yǎng)、取樣、利用血細(xì)胞計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)等操作，學(xué)習(xí)基本的實(shí)驗(yàn)操作技能；再讓學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)軟件（通過(guò)點(diǎn)擊按鈕）完成取樣和血細(xì)胞計(jì)數(shù)板計(jì)數(shù)工作，并用模擬數(shù)據(jù)建模。這樣，學(xué)生將現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)操作和虛擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，既不影響對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的體驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)技能的學(xué)習(xí)，又能在后期將重心真正放在基于證據(jù)的推理、論證和建模等能力的提升上。

此外，移動(dòng)式數(shù)字化設(shè)備的應(yīng)用為學(xué)生提供了更多戶外實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，從技術(shù)層面突破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的條件限制。例如，對(duì)于“調(diào)查測(cè)量土壤酸堿度對(duì)植物的影響”實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)的做法是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行植物培養(yǎng)，人工模擬不同pH來(lái)探究酸堿度對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育的影響。由于植物生長(zhǎng)周期長(zhǎng)且人工控制的環(huán)境與實(shí)際環(huán)境條件差異較大，植物往往生長(zhǎng)不好，探究成功率較低。師生利用pH傳感器可以將實(shí)驗(yàn)從室內(nèi)轉(zhuǎn)到戶外，在真實(shí)的生長(zhǎng)環(huán)境中開(kāi)展探究活動(dòng)，避免人為因素影響。實(shí)驗(yàn)中，教師組織學(xué)生在校園的不同區(qū)域，使用便攜式pH傳感器測(cè)量土壤的酸堿度，同時(shí)記錄同一區(qū)域不同酸堿度土壤中植物生長(zhǎng)的狀況，探究效果很好。學(xué)生在自然環(huán)境中基于真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行探究，有利于深度學(xué)習(xí)，更好地理解科學(xué)探究的精髓。

新冠肺炎疫情期間，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有了更加廣闊的應(yīng)用空間，在無(wú)法線下教學(xué)時(shí)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)茉谝欢ǔ潭壬咸钛a(bǔ)常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)空缺。

（二）實(shí)現(xiàn)靜態(tài)定性實(shí)驗(yàn)向動(dòng)態(tài)定量實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變，加深對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解

新課標(biāo)明確指出，在重視定性實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，也應(yīng)重視定量實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在量的變化中了解事物的本質(zhì)。在傳統(tǒng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師主要開(kāi)展定性實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生了解一般的因果關(guān)系，但只有在對(duì)研究對(duì)象的各種屬性進(jìn)行定量描述的基礎(chǔ)上，才能準(zhǔn)確地解釋其規(guī)律和實(shí)質(zhì)。傳感器可以有效記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)變化情況，精準(zhǔn)反映生命活動(dòng)的變化過(guò)程。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一般以圖像形式直觀地呈現(xiàn)給學(xué)生，有利于他們更好地觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的各種變化，從整體上科學(xué)準(zhǔn)確地認(rèn)識(shí)生命過(guò)程，加深對(duì)科學(xué)本質(zhì)的理解。例如，教學(xué)“探究綠色植物的呼吸作用”時(shí)，需要演示萌發(fā)種子與煮熟種子對(duì)比的實(shí)驗(yàn)，即分別用溫度計(jì)、澄清石灰水和蠟燭的燃燒情況來(lái)定性展示呼吸作用過(guò)程中能量的釋放、CO的產(chǎn)生及O的消耗情況。該實(shí)驗(yàn)流程煩瑣費(fèi)時(shí)，對(duì)變量的控制也不精準(zhǔn)，學(xué)生常常會(huì)質(zhì)疑實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論的可靠性，如學(xué)生認(rèn)為蠟燭熄滅不是因?yàn)镺被消耗而是CO產(chǎn)生過(guò)多。此外，拆解呼吸作用這一生理過(guò)程，用三個(gè)實(shí)驗(yàn)分開(kāi)演示，不利于學(xué)生整體理解細(xì)胞呼吸。教學(xué)中，教師利用溫度傳感器、O傳感器、CO傳感器和濕度傳感器等設(shè)備，將萌發(fā)種子與煮熟種子分別置于獨(dú)立的空間，同時(shí)插入四種傳感器，讓學(xué)生觀察O、CO、溫度和濕度變化情況。在這種動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的量化數(shù)據(jù)支持下，學(xué)生既可以排除其他變量的影響，直觀地認(rèn)識(shí)到“細(xì)胞呼吸是一個(gè)整體的生理過(guò)程，物質(zhì)的消耗與產(chǎn)生、能量的釋放是同時(shí)進(jìn)行的”，又可以對(duì)比各物質(zhì)消耗與產(chǎn)生的比例，領(lǐng)悟細(xì)胞呼吸的實(shí)質(zhì)。學(xué)生通過(guò)這種定量實(shí)驗(yàn)，能夠從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)規(guī)律，提高自身科學(xué)思維和科學(xué)探究能力，理解科學(xué)本質(zhì)。

（三）堅(jiān)持以學(xué)為中心，提升內(nèi)驅(qū)力，激發(fā)潛能和創(chuàng)造力

與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相比，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)賦予學(xué)生更多的方法上的選擇和運(yùn)用不同手段的可能性，有利于改變學(xué)生普遍被動(dòng)學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀，將主動(dòng)權(quán)交予學(xué)生，讓他們?cè)诟叨茸灾鲄⑴c的過(guò)程中，提升內(nèi)驅(qū)力，激發(fā)學(xué)習(xí)潛能和創(chuàng)造力。例如，對(duì)于“比較過(guò)氧化氫在不同條件下的分解”實(shí)驗(yàn)，以往教師通常是這樣教學(xué)的：在HO溶液中加入催化劑FeCl溶液和新鮮肝臟研磨液，讓學(xué)生通過(guò)觀察試管中氣泡的多少與衛(wèi)生香的復(fù)燃情況來(lái)判斷HO分解速率。這樣實(shí)驗(yàn)，結(jié)果是學(xué)生對(duì)氣泡產(chǎn)生的多少雖有印象但缺乏對(duì)數(shù)量與尺度的思考，部分學(xué)生甚至形成“酶的活性高，產(chǎn)生的氣泡就多”的錯(cuò)誤概念。事實(shí)上，這里應(yīng)該是酶活性高，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生氣泡數(shù)量多（即氣泡產(chǎn)生的速率大）。有了信息技術(shù)的支持，學(xué)生可以選擇O傳感器實(shí)時(shí)記錄反應(yīng)過(guò)程中O產(chǎn)生的速率，通過(guò)記錄紙上O變化曲線的斜率差異直觀地觀察到催化劑和酶的催化效率的差別，從而形成正確概念。同樣，在前述“探究綠色植物的呼吸作用”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，原本的教師演示實(shí)驗(yàn)因信息技術(shù)的應(yīng)用變?yōu)閷W(xué)生自主探究。這樣的自主選擇、自主開(kāi)展實(shí)驗(yàn)探究的轉(zhuǎn)變，使學(xué)生學(xué)習(xí)生物學(xué)變得更加積極，激發(fā)了創(chuàng)造力，實(shí)現(xiàn)認(rèn)知導(dǎo)向的概念學(xué)習(xí)向自主建構(gòu)生命觀念的經(jīng)驗(yàn)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變。此外，學(xué)生在自主設(shè)計(jì)和實(shí)施實(shí)驗(yàn)方案的過(guò)程中不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、修改方案，從實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，踐行了以學(xué)為中心的理念。

（四）從單科學(xué)習(xí)邁向跨學(xué)科實(shí)踐，通過(guò)整合式學(xué)習(xí)建構(gòu)跨學(xué)科概念

隨著人類社會(huì)不斷發(fā)展，信息時(shí)代信息、知識(shí)的作用發(fā)生了質(zhì)的變化，單學(xué)科學(xué)習(xí)導(dǎo)致學(xué)生思維產(chǎn)生路徑依賴的局限性愈發(fā)突出，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)融合應(yīng)用于教學(xué)，作為載體與媒介，在相互關(guān)聯(lián)但在學(xué)校教育系統(tǒng)中又處于分離狀態(tài)的學(xué)科之間開(kāi)展新的對(duì)話。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，可以呈現(xiàn)更加豐富的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，在一定程度上突破生物學(xué)單學(xué)科教學(xué)的限制和嚴(yán)格的學(xué)科界限，從而有效加強(qiáng)生物學(xué)與物理、化學(xué)和數(shù)學(xué)等學(xué)科的聯(lián)系，尤其是在探究式實(shí)驗(yàn)的開(kāi)展過(guò)程中，由于應(yīng)用了理化數(shù)字傳感器，學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)不再局限于生物學(xué)范疇，而是融合應(yīng)用化學(xué)、物理知識(shí)及相關(guān)技術(shù)手段。

例如，《義務(wù)教育生物學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》設(shè)置了“制作水族箱，飼養(yǎng)熱帶魚(yú)”跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，讓學(xué)生根據(jù)熱帶魚(yú)的生活史、生活習(xí)性、食性等制作水族箱，飼養(yǎng)并觀察熱帶魚(yú)的有性生殖。該活動(dòng)中，環(huán)境因素對(duì)熱帶魚(yú)的生長(zhǎng)、發(fā)育和有性生殖有較大的影響，尤其是對(duì)卵胎生的孔雀魚(yú)，有性生殖對(duì)溫度的要求是比較苛刻的。實(shí)踐中，學(xué)生在水族箱中放置溫度傳感器、O傳感器和pH傳感器，對(duì)水體的溫度、溶解氧、酸堿度等條件進(jìn)行監(jiān)測(cè)和調(diào)控，探究熱帶魚(yú)的生長(zhǎng)發(fā)育及生殖過(guò)程與環(huán)境因素的關(guān)系，綜合運(yùn)用跨學(xué)科知識(shí)和技能完成對(duì)熱帶魚(yú)的飼養(yǎng)和觀察任務(wù)。教師組織跨學(xué)科活動(dòng)，幫助學(xué)生建立不同學(xué)科知識(shí)之間的聯(lián)系，加深對(duì)“結(jié)構(gòu)與功能”“尺度、比例和數(shù)量”“因果關(guān)系”“穩(wěn)定與變化”等跨學(xué)科概念的理解，提高綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。學(xué)生參與跨學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)，有效避免了僅用生物學(xué)學(xué)科知識(shí)來(lái)解決實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的問(wèn)題，為學(xué)生能力的提升提供更有效的支持，落實(shí)了新課標(biāo)對(duì)整合式學(xué)習(xí)的要求。

（五）突破實(shí)驗(yàn)安全限制、避免倫理問(wèn)題，培育良好的情感、態(tài)度和價(jià)值觀

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用使以往出于實(shí)驗(yàn)安全和生命倫理教育的考慮而無(wú)法開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)有機(jī)會(huì)開(kāi)展。在中學(xué)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是否應(yīng)當(dāng)使用動(dòng)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)這一做法遭受很多質(zhì)疑，至今仍存在爭(zhēng)議，因此，很多解剖實(shí)驗(yàn)、傷害性的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和涉及學(xué)生安全的實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)從生物學(xué)課程當(dāng)中刪除或不再開(kāi)展。教師設(shè)置虛擬化的實(shí)驗(yàn)情境，可以為學(xué)生提供機(jī)會(huì)，完成生活中難以實(shí)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)。例如，“探究魚(yú)鰭對(duì)魚(yú)游泳的影響”實(shí)驗(yàn)因過(guò)程太過(guò)殘忍和血腥而難以正常開(kāi)展，但借助信息技術(shù)問(wèn)題迎刃而解。教師應(yīng)用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為學(xué)生提供替代方案，讓學(xué)生在虛擬學(xué)習(xí)平臺(tái)上點(diǎn)擊按鈕選擇“剪去”魚(yú)的不同魚(yú)鰭，觀察虛擬的魚(yú)的運(yùn)動(dòng)情況。這樣在不對(duì)魚(yú)造成傷害的基礎(chǔ)上探究魚(yú)鰭對(duì)魚(yú)運(yùn)動(dòng)的影響，有利于學(xué)生建構(gòu)結(jié)構(gòu)與功能觀這一生命觀念。此外，“ABO血型鑒定”實(shí)驗(yàn)因安全原因極少開(kāi)設(shè)，教材提倡用化學(xué)藥物的沉淀反應(yīng)來(lái)開(kāi)展模擬實(shí)驗(yàn)，但學(xué)生因?yàn)槿狈ο鄳?yīng)的化學(xué)基礎(chǔ)而難以操作，實(shí)驗(yàn)效果較差。在虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的支持下，學(xué)生可以學(xué)習(xí)血型鑒定的基本操作，觀察ABO血型不同的凝集現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)安全高效。

虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的應(yīng)用不僅使得這些實(shí)驗(yàn)探究能在中學(xué)生物課堂上正常開(kāi)展，而且落實(shí)了人文關(guān)懷和安全、倫理教育，有利于培育學(xué)生良好的情感態(tài)度與價(jià)值觀。

四、信息技術(shù)應(yīng)用于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)引發(fā)的思考

信息技術(shù)賦能生物學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)教學(xué)產(chǎn)生了積極影響，但因其在生物學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用尚處于探索和發(fā)展的過(guò)程中，教師信息技術(shù)素養(yǎng)有待提升。因此，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)仍存在不足。教師在開(kāi)展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中需注意如下問(wèn)題。

（一）信息技術(shù)是手段而非目標(biāo)

教育工作者設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)或者課程方案，首要解決的問(wèn)題是，如何有效地使用技術(shù)促進(jìn)教學(xué)創(chuàng)新、達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。教師要充分考慮實(shí)驗(yàn)性質(zhì)、作用、教學(xué)目標(biāo)、預(yù)期成果，僅在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件不足或不易開(kāi)展時(shí)才考慮用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)因其獨(dú)特的新鮮感和視覺(jué)沖擊力容易激發(fā)學(xué)生的好奇心從而提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)興趣，也豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)形式，因而受到一些教師的青睞。但實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在信息技術(shù)應(yīng)用過(guò)度的問(wèn)題，轉(zhuǎn)移了師生的注意力，影響教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。不能反客為主、喧賓奪主，這是教師開(kāi)展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)首先關(guān)注的問(wèn)題。例如，教師在開(kāi)展虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，不能讓學(xué)生過(guò)度關(guān)注虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）頭盔和游戲手柄的操縱，而忽視探究的真正目的和要達(dá)成的目標(biāo)。

（二）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不可濫用

教師應(yīng)堅(jiān)持用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)改進(jìn)教學(xué)的初衷而非用其取代實(shí)操性實(shí)驗(yàn)，不能將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)過(guò)度覆蓋傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的授課形式。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的濫用減弱了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作體驗(yàn)，造成學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能不高，繪圖能力、數(shù)據(jù)處理能力、復(fù)雜情況判斷能力和解決問(wèn)題能力加劇退化。正因如此，對(duì)于“培養(yǎng)液中酵母菌種群數(shù)量的變化”實(shí)驗(yàn)，筆者主張先讓學(xué)生參與酵母菌的培養(yǎng)、取樣和計(jì)數(shù)等操作活動(dòng)，而非完全采用虛擬方式教學(xué)。

數(shù)字化虛擬實(shí)驗(yàn)可以由個(gè)體單獨(dú)完成，在賦予了每個(gè)學(xué)生操作機(jī)會(huì)的同時(shí)，也減少了學(xué)生合作學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，不利于培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)精神與能力。再者，如實(shí)驗(yàn)過(guò)程中缺乏教師的有效指導(dǎo)，則本質(zhì)上是將學(xué)習(xí)過(guò)程降低成一種信息傳輸?shù)臋C(jī)械活動(dòng)。一旦教師在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中過(guò)度依賴數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)，應(yīng)用信息技術(shù)超過(guò)應(yīng)有的尺度，學(xué)生就很難習(xí)得生物學(xué)實(shí)驗(yàn)技能，未來(lái)進(jìn)入高等教育體系會(huì)處于不利地位。

（三）提高數(shù)字化實(shí)驗(yàn)效能需要加強(qiáng)技術(shù)平臺(tái)建設(shè)和案例資源開(kāi)發(fā)

目前，中學(xué)生物學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的資源開(kāi)發(fā)尚不夠充分，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)仍處于初級(jí)階段，看似簡(jiǎn)單的虛擬實(shí)驗(yàn)軟件的開(kāi)發(fā)和制作既需要技術(shù)的支撐，又需要大量的人力和資金的投入。傳感器應(yīng)用于教學(xué)的案例研究仍有較大提升空間。當(dāng)前，教師習(xí)慣傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)仍然相對(duì)陌生，大多數(shù)教師并未很好地掌握數(shù)字化實(shí)驗(yàn)技術(shù)，也缺乏將其運(yùn)用于教學(xué)的能力。在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域，教師為學(xué)生提供技術(shù)支撐的能力和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源開(kāi)發(fā)能力均顯薄弱。信息技術(shù)有效賦能生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，需要教師在常態(tài)化教學(xué)的基礎(chǔ)上深入學(xué)習(xí)、掌握信息技術(shù)并融合應(yīng)用于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中。當(dāng)前已有少數(shù)教師和研究人員對(duì)信息技術(shù)應(yīng)用于生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行了案例研究，為物學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了一些可借鑒的范例和資源。但這方面的工作做得還很不夠，虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)和高質(zhì)量數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)案例的研究與設(shè)計(jì)，對(duì)于教師開(kāi)展生物學(xué)教學(xué)來(lái)說(shuō)是迫切需要。

杜威曾在《學(xué)校與社會(huì)》中指出：教育的目的就是創(chuàng)造、設(shè)計(jì)和實(shí)踐，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用正體現(xiàn)了現(xiàn)代教育對(duì)學(xué)生這種學(xué)習(xí)品質(zhì)的追求，也是教育工作者回應(yīng)科技進(jìn)步、優(yōu)質(zhì)教育理念對(duì)基礎(chǔ)教育發(fā)展要求的結(jié)果。生物學(xué)教師應(yīng)積極探索數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與生物學(xué)教學(xué)的深度融合方式，推動(dòng)生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)向縱深發(fā)展，讓學(xué)生具備21世紀(jì)應(yīng)有的技能。

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（作者系南京師范大學(xué)教師教育學(xué)院教授，中國(guó)教育學(xué)會(huì)生物學(xué)教學(xué)專業(yè)委員會(huì)常務(wù)理事、副秘書(shū)長(zhǎng)，中國(guó)教育技術(shù)協(xié)會(huì)微格教學(xué)專業(yè)委員會(huì)常務(wù)理事、副秘書(shū)長(zhǎng)）

責(zé)任編輯：祝元志