重慶樹人景瑞小學(xué)校學(xué)生課間與智能機器人就校園生活對話。

廣東省東莞市松山湖北區(qū)學(xué)校數(shù)字化科普課程走進學(xué)校社團活動。 學(xué)校供圖

　　編者按

　　實驗教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實踐能力的重要途徑，是新時代提高科學(xué)教育育人質(zhì)量的關(guān)鍵之舉。在深入推進教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型的背景下，如何以數(shù)字化賦能實驗教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提升學(xué)生解決實際問題的能力？本期?？鼐幇l(fā)一組稿件，敬請關(guān)注。

　　觀點

　　數(shù)字化促實驗教學(xué)走向跨學(xué)科

　　黃靜 魯正超

　　當(dāng)前，以數(shù)字化資源與工具助力實驗主題突破教材局限，向真實問題、學(xué)科融合與認(rèn)知挑戰(zhàn)三個方向拓展。

　　一是基于真實情境的數(shù)據(jù)探究。引導(dǎo)學(xué)生利用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、在線數(shù)據(jù)庫等，圍繞環(huán)境、能源、校園生活等真實議題開展數(shù)據(jù)采集、分析與建模。如“教室光環(huán)境優(yōu)化”項目融合科學(xué)測量、數(shù)學(xué)分析與節(jié)能理念，培養(yǎng)學(xué)生數(shù)據(jù)素養(yǎng)與社會責(zé)任感。

　　二是依托虛擬仿真的跨學(xué)科整合。通過虛擬實驗室、跨學(xué)科建模軟件（如GeoGebra、NetLogo）打破學(xué)科壁壘，開展綜合性的項目學(xué)習(xí)。如“設(shè)計可持續(xù)城市排水系統(tǒng)”項目，可整合地理、物理、工程與數(shù)學(xué)知識，在仿真測試與方案優(yōu)化中培養(yǎng)系統(tǒng)思維。

　　三是激發(fā)認(rèn)知沖突的互動實驗。利用交互式模擬創(chuàng)設(shè)思維挑戰(zhàn)情境，如通過動態(tài)幾何探索非歐空間、借助物理引擎對比理想與實際運動差異，引導(dǎo)學(xué)生突破思維定式，培養(yǎng)批判性思維。

　　在以上實驗教學(xué)內(nèi)容重構(gòu)的基礎(chǔ)上，實驗教學(xué)中借助傳感器、虛擬仿真、動態(tài)建模等工具，學(xué)生能夠進行自主設(shè)計、實時觀測、多輪迭代與模擬驗證，在“假設(shè)—檢驗—修正”的完整科學(xué)過程中深化理解。可見，以人工智能為代表的數(shù)字技術(shù)已經(jīng)從教師“演示的輔助”轉(zhuǎn)向?qū)W生“探究的伙伴”，并在過程中，以快速反饋、數(shù)據(jù)分析等確?？鐚W(xué)科實驗教學(xué)的順利推進與開展。

　　此外，教學(xué)過程也從單一課程轉(zhuǎn)向長周期、項目化、協(xié)同式的學(xué)習(xí)流程。課前，通過微視頻、交互式預(yù)習(xí)任務(wù)激發(fā)興趣，引導(dǎo)學(xué)生形成初步問題。課中，借助實時數(shù)據(jù)采集、協(xié)作分析工具開展小組探究，聚焦深度研討與迭代優(yōu)化。課后，利用數(shù)字作品集等進行成果整理與展示，并通過在線社區(qū)開展跨班級、跨學(xué)校的交流互評，形成可持續(xù)的學(xué)習(xí)閉環(huán)。如“校園植物數(shù)字圖譜”項目可貫穿整個學(xué)期，學(xué)生持續(xù)記錄、分析并共享植物生長數(shù)據(jù)，在長期實踐中提升觀察、合作與表達能力。

　　數(shù)字化賦能實驗教學(xué)，本質(zhì)是通過技術(shù)與教育的深度融合，釋放學(xué)生的探究潛能。探究無學(xué)科界限，所以未來需進一步拓展以數(shù)字化推動實驗教學(xué)走向跨學(xué)科，以培養(yǎng)學(xué)生探究精神。

　　（作者單位：河南省羅山縣第四實驗初級中學(xué)）

　　建言

　　數(shù)字化可以讓實驗學(xué)習(xí)流動起來

　　周群

　　上學(xué)期，學(xué)校幾位生物教師把數(shù)碼顯微鏡搬到了教室，課上讓學(xué)生們輪流使用數(shù)碼顯微鏡，制作番茄果肉、人口腔上皮細(xì)胞的臨時裝片，并鼓勵課下學(xué)生們隨時用數(shù)碼顯微鏡觀察。

　　起初只是幾個好奇的學(xué)生課間湊近看看，后來逐漸變成了三五成群的小組探究。他們自發(fā)從家里帶來各種材料：橘子瓣膜、青菜葉表皮、花瓣碎片……辦公室的顯微鏡區(qū)，儼然一個“一米實驗室”和一個“流動觀察站”。

　　而教室里的顯微鏡，不再只是教學(xué)工具，而成了學(xué)生自主探索的窗口和師生和諧交流的橋梁。

　　后來，我們陸續(xù)把“觀察種子的結(jié)構(gòu)”“解剖觀察花的結(jié)構(gòu)”“觀察根尖的結(jié)構(gòu)”等實驗都搬進了教室，學(xué)生們自發(fā)將各種實驗材料帶來，小組分工合作解剖觀察。我投屏孩子們的操作過程，大家一起評議操作是否規(guī)范；建立班級生物學(xué)實驗素材庫，將大家的操作視頻、實驗圖片、繪制結(jié)果等都上傳進去，學(xué)生們化身一個個小小的科學(xué)家，時而專注地操作，時而激烈地研討……

　　這一探索讓我意識到，數(shù)字化賦能實驗教學(xué)，關(guān)鍵在于讓技術(shù)“流動”起來，而非固定在某個空間。

　　從“課時實驗”到“時段探究”：顯微鏡常駐教室或辦公室，打破了實驗課的時間邊界。學(xué)生可以在最佳學(xué)習(xí)時刻進行觀察，而不是等待每周固定的實驗課。這種自主節(jié)奏，尊重了學(xué)生的個體認(rèn)知差異。

　　從“教師主導(dǎo)”到“學(xué)生發(fā)起”：當(dāng)設(shè)備可隨時使用，探究的主動權(quán)轉(zhuǎn)移到了學(xué)生手中。他們開始自帶樣本、自設(shè)問題、自主記錄，教師角色從講解者轉(zhuǎn)變?yōu)橘Y源提供者和思維引導(dǎo)者。

　　從“教室空間”到“學(xué)習(xí)場域”：一臺移動的顯微鏡，將教室、辦公室、校園走廊連接成了連續(xù)的學(xué)習(xí)環(huán)境。物理空間的界限變得模糊，學(xué)習(xí)發(fā)生在任何好奇產(chǎn)生的地方。

　　在推進教育數(shù)字化的今天，或許每一間教室都可以成為“實驗室”，每一位教師都可以成為“實驗創(chuàng)新者”。當(dāng)技術(shù)賦能教育，限制條件也能轉(zhuǎn)化為創(chuàng)新契機，而這正是新時代教師的責(zé)任與使命——在任何環(huán)境下，都為孩子打開探索科學(xué)的大門。

　?。ㄗ髡呦邓拇ㄊ〕啥加窳种袑W(xué)副校長）

　　讓常規(guī)實驗和數(shù)字化實驗各司其職

　　楊超

　　在四年級“探究蠟燭燃燒的變化”一課中，我曾陷入兩難：只靠常規(guī)實驗，學(xué)生對“燃燒產(chǎn)物”的認(rèn)知模糊且有爭議；全靠數(shù)字化實驗，又讓學(xué)生沒有了動手探究的樂趣，成為“看數(shù)據(jù)、記結(jié)論”的旁觀者。

　　基于常規(guī)實驗是探究的基礎(chǔ)，也是激發(fā)學(xué)生思考的起點，課堂上，我先讓學(xué)生分組開展常規(guī)實驗：每組配備蠟燭、燒杯、澄清石灰水、氯化鈷試紙等器材，小組自主設(shè)計“驗證蠟燭燃燒產(chǎn)物”的實驗方案。學(xué)生們有的小心翼翼地用燒杯罩住燃燒的蠟燭，觀察到蠟燭熄滅、燒杯內(nèi)壁出現(xiàn)水霧的現(xiàn)象；有的嘗試用澄清石灰水檢驗收集到的氣體，卻因裝置漏氣、石灰水濃度不當(dāng)，始終看不到渾濁現(xiàn)象……

　　就“不順利”的環(huán)節(jié)，我沒有急于糾正，而是引導(dǎo)他們反復(fù)調(diào)試裝置、更換試劑，最終，學(xué)生們都觀察到了水霧和石灰水渾濁的現(xiàn)象。觀察到現(xiàn)象，學(xué)生卻無法精準(zhǔn)證明“水和二氧化碳是燃燒的唯一產(chǎn)物”，對“燃燒過程中氣體變化”的認(rèn)知也僅停留在表面。

　　此時，我為每組配備了簡易的數(shù)字化傳感設(shè)備，將氧氣、二氧化碳濃度傳感器和濕度傳感器放入密閉實驗箱中，點燃蠟燭后，設(shè)備實時記錄各項數(shù)據(jù)，并自動生成變化曲線。

　　當(dāng)屏幕上的氧氣濃度曲線逐漸下降、二氧化碳濃度曲線同步上升，濕度曲線急劇攀升時，學(xué)生們瞬間明白了蠟燭燃燒的本質(zhì)是消耗氧氣，生成二氧化碳和水。同時，我引導(dǎo)學(xué)生對比“常規(guī)實驗中水霧的出現(xiàn)”與“數(shù)字化曲線中濕度的變化”，以數(shù)據(jù)分析，徹底打消學(xué)生的疑慮。更意外的是，有學(xué)生通過觀察曲線，發(fā)現(xiàn)蠟燭熄滅前，氧氣濃度并未降至零，進而提出“蠟燭熄滅是否與二氧化碳濃度過高有關(guān)”的新問題，延伸了探究的深度。

　　教學(xué)實踐讓我深刻體會到，數(shù)字化融入實驗教學(xué)并非“常規(guī)實驗+數(shù)字化實驗”的簡單疊加，而是要找準(zhǔn)融合的切入點，讓二者各司其職、互補共生。

　　常規(guī)實驗側(cè)重“動手體驗、激發(fā)疑問”，讓學(xué)生在實踐中發(fā)現(xiàn)問題、積累經(jīng)驗。數(shù)字化實驗側(cè)重“精準(zhǔn)賦能、深化探究”，用數(shù)據(jù)支撐結(jié)論、解決爭議，引導(dǎo)學(xué)生從感性認(rèn)知走向理性認(rèn)知。這樣的“雙軌融合”讓學(xué)生在動手實踐、感受科學(xué)樂趣的同時，也實現(xiàn)了精準(zhǔn)探究、理解科學(xué)本質(zhì)。

　?。ㄗ髡呦瞪綎|省泰安市寧陽縣教育科學(xué)研究中心小學(xué)科學(xué)教研員）

　　探索1

　　用平板“種”出觀察日記

　　林梅珠

　　四年級科學(xué)課有個經(jīng)典實驗——觀察綠豆發(fā)芽?！暗谌欤L了2厘米；第四天，長了3厘米……”在語文課上，每看到這樣的日記，我就想：這不是觀察，是報數(shù)。

　　去年秋天，我被臨時安排帶兩周科學(xué)課。我一個教語文的，怎么帶學(xué)生做實驗？

　　某天無意間，我了解到兒子利用平板設(shè)置固定機位、間隔拍攝，并自動生成延時視頻。我大受觸動，立馬用一次性杯子種了5顆綠豆，架好平板，3秒一張拍了好幾張。6天后，15秒的視頻里，豆子破皮、扎根、頂土、展葉，發(fā)芽過程有圖、有視頻，整個過程完整清晰。

　　于是，我和幾位班級家長聯(lián)系，湊齊了6臺平板?！斑@次我們分為6組，每組種三顆綠豆，每天只能澆一次水，其他什么都不用做。平板的攝像頭固定好，對準(zhǔn)花盆，打開延時攝影，放學(xué)開機，早讀收。”我頓了一下，“期待兩周后你們的‘電影’。”因為要拍“電影”，學(xué)生們瞬間興奮起來了。

　　然而，第一周是災(zāi)難。一組澆了3次水，豆子被淹死；一組嫌發(fā)芽慢，偷偷把盆挪到窗臺曬太陽，平板還杵在原位，拍了5天白墻；另一組最離譜，為了“畫面好看”，把綠豆排成心形種下去。對于學(xué)生們的嘗試，我沒有批評，僅是在課上把自己的視頻放了3遍，通過引導(dǎo)學(xué)生說看到了什么，來理解“看見了別人沒看見的，就是發(fā)現(xiàn)和觀察”。

　　學(xué)生們吸取經(jīng)驗，第二次每組都成功了。作文課上，我讓他們邊看自己的“電影”邊寫。沒有提綱，沒有好詞好句的要求，但學(xué)生們都寫得極其認(rèn)真。小杰寫：“綠豆的根像白胡須，先往下鉆，再往旁邊探，仿佛在認(rèn)路。”小萱寫：“下雨那天我沒拍到，但我猜泥土里面是亮的，因為有顆豆子頂著水滴鉆出來，像舉著一盞燈。”

　　又過了幾天，班上好些學(xué)生在窗臺上養(yǎng)上了蔥頭、家里的花生米……還有家長發(fā)消息說：“林老師，我家孩子說以后要學(xué)生物?！逼鋵?，我沒教她生物，僅是給了她一臺平板，讓她看見自己想看見的。

　　新學(xué)期，學(xué)校采購了12臺數(shù)碼顯微鏡。科學(xué)教師找到我，請教延時攝影。交流中科學(xué)教師戲稱：“我們這個小城里的孩子也和數(shù)字時代接軌了。”

　　更驚喜的是，昨天學(xué)生小雅給我看她已經(jīng)拍了23天的菠蘿蜜核生長視頻。我問她：“你打算拍到什么時候？”她得意地說：“拍到它開花，‘種’出觀察日記?！?/p>

　?。ㄗ髡邌挝唬航魇∩橡埵袕V信區(qū)第五小學(xué)）

　　探索2

　　“智慧花房”里的實驗與創(chuàng)新

　　袁軍輝

　　“快瞧！土壤濕度跌到30%了，水泵該啟動澆水啦！”“趕緊加延時程序，把停機閾值調(diào)到50%試試！”

　　在學(xué)?！爸腔刍ǚ俊碧摂M仿真實驗課上，學(xué)生們?nèi)艘唤M圍坐在一起，指尖在鼠標(biāo)上麻利地拖拽土壤濕度傳感器、微型水泵等虛擬組件。導(dǎo)線連接錯了就刪掉重連，參數(shù)不合適就反復(fù)修改，嘰嘰喳喳的討論聲里滿是實驗探究的熱情。

　　隨著技術(shù)的發(fā)展，運用線上實驗、模擬、仿真等創(chuàng)新型學(xué)習(xí)方式，對硬件資源匱乏的鄉(xiāng)村小學(xué)而言，猶如一場“及時雨”。

　　鄉(xiāng)村學(xué)校普遍缺少傳感器、主控板等實驗器材，專用實驗室更是稀缺，甚至連實驗教學(xué)中的“傳感器”“閾值”等概念，教師講半天，學(xué)生依舊一知半解。虛擬實驗課時，就有學(xué)生問：“老師，閾值到底是啥呀？”直到他們親手連接傳感器與主控板，設(shè)定30%的啟動閾值，卻發(fā)現(xiàn)水泵一直運轉(zhuǎn)、虛擬花盆里的“水”快溢出時，才急著喊停。學(xué)生們湊在一起反復(fù)調(diào)整數(shù)值、試錯驗證，終于恍然大悟：“原來閾值是傳感器‘發(fā)號施令’的臨界點！”

　　就在小組用光敏傳感器實現(xiàn)了“天黑自動加溫”時，小組里的成員突然皺起眉頭：“我爺爺家花房冬天會突然升溫，加溫器一直開著會烤蔫花！”這個來自生活的疑問瞬間點燃了學(xué)生的探索欲，他們分工協(xié)作：有人檢查線路，有人琢磨程序，有人記錄參數(shù)。從28℃到25℃的閾值調(diào)整，從頻繁啟停到穩(wěn)定運行，最終實現(xiàn)“天黑且溫度低于20℃加溫，達到25℃停機”的效果。這個過程中，學(xué)生們解決的是真實問題，觀察力、創(chuàng)新思維在一次次試錯中不斷沉淀。

　　去年，在學(xué)?！凹t領(lǐng)巾尋訪家鄉(xiāng)科技”活動中，學(xué)生們走進村里的智能糧倉。管理員大叔指著溫濕度顯示屏笑著說：“以前測濕度得爬梯子、鉆糧堆，現(xiàn)在傳感器實時監(jiān)測、超標(biāo)報警，省了不少力！”學(xué)生們圍著設(shè)備興奮地說：“這和我們實驗課上的監(jiān)測原理一樣！”當(dāng)親眼見到虛擬創(chuàng)意變成實用工具，學(xué)生們發(fā)自內(nèi)心地體會到：科技的價值在于解決真實的難題。

　　（作者系江蘇省丹陽市折柳中心小學(xué)校長）

　　探索3

　　模擬器讓遺傳定律變得可感可探

　　劉小潔

　　“黃與綠、圓與皺，四種組合，九三三一的數(shù)字背后是遺傳的奧秘。”這曾是高中生物教師口中抽象的基因定律。如今，學(xué)生們只需輕點鼠標(biāo)，便能“種”出虛擬豌豆，讓孟德爾一百六十年前的發(fā)現(xiàn)，在屏幕前以秒級速度重現(xiàn)、驗證。

　　一次教研活動中，霍州一中一位生物教師向我訴苦：“孟德爾那點事兒，我都講10多年了，可孩子們還是搞不懂9∶3∶3∶1到底怎么來的。”當(dāng)時，我們從教學(xué)難點聊到學(xué)生認(rèn)知規(guī)律，從技術(shù)可能性聊到課堂應(yīng)用場景。正是在這次深入交流中，我們萌生了共同開發(fā)一款模擬小程序的念頭。我負(fù)責(zé)技術(shù)實現(xiàn)，生物教師負(fù)責(zé)教學(xué)設(shè)計和效果驗證。幾輪打磨之后，“豌豆性狀遺傳模擬器”就這樣誕生了，讓抽象的遺傳定律在數(shù)字世界里變得可感、可探。

　　實驗過程的“高復(fù)現(xiàn)”與“高擴展”。學(xué)生可自由選擇不同性狀組合的親本，一鍵完成從雜交到F2代的多輪實驗。短短幾分鐘，便能積累遠(yuǎn)超傳統(tǒng)教學(xué)的數(shù)據(jù)樣本。實驗過程可快速重復(fù)，相同或不同的遺傳假設(shè)能在短時間內(nèi)得到多次驗證。這種高效復(fù)現(xiàn)與對比驗證，將靜態(tài)結(jié)論轉(zhuǎn)化為可探索的問題，激發(fā)了學(xué)生的探究內(nèi)驅(qū)力。

　　抽象思維變得“可視化”與“可統(tǒng)計”。軟件將不同性狀的豌豆以色彩和形態(tài)直觀呈現(xiàn)，每一粒“數(shù)字豌豆”都對應(yīng)特定的遺傳組合。實時更新的統(tǒng)計圖表清晰地展示各表型的數(shù)量與比例變化，使微觀的遺傳機制轉(zhuǎn)變?yōu)楹暧^的數(shù)據(jù)規(guī)律。這種數(shù)據(jù)驅(qū)動的學(xué)習(xí)方式，幫助學(xué)生從單純記憶比例，進階到理解比例背后的統(tǒng)計學(xué)邏輯。

　　支持分層探究與個性化學(xué)習(xí)。教師可設(shè)計不同層級的實驗任務(wù)：基礎(chǔ)任務(wù)重演經(jīng)典實驗，進階任務(wù)探索不同遺傳組合。模擬器成為每名學(xué)生的“數(shù)字試驗田”，支持在反復(fù)操作中自主建構(gòu)知識。教師的角色也從講授者轉(zhuǎn)變?yōu)閷W(xué)習(xí)設(shè)計者和思維引導(dǎo)者。

　　這款“豌豆性狀遺傳模擬器”讓學(xué)生親歷“觀察—假設(shè)—驗證—分析—結(jié)論”的完整探究過程，在數(shù)據(jù)波動中理解隨機性與統(tǒng)計規(guī)律的辯證關(guān)系。當(dāng)學(xué)生在反復(fù)實驗中自主歸納出規(guī)律時，科學(xué)思維正在悄然生長。

　　（作者單位：山西省霍州市教育體育局電化教育館）

　　大家談

　　廣東省深圳市觀瀾中學(xué)教育集團辦公室主任李旭強：傳感器的精準(zhǔn)、虛擬的安全、數(shù)據(jù)的直觀，都是為了讓學(xué)生更深入地參與科學(xué)探究。如同一實驗可多次開展，不同條件下的數(shù)據(jù)直觀可比，如通過控制變量調(diào)整溫度、濃度，幫助學(xué)生更清晰地發(fā)現(xiàn)科學(xué)規(guī)律。實驗可重復(fù)對比的操作，真實地解決了實驗教學(xué)中的一大難點。

　　山東省汶上縣第二實驗中學(xué)教師王祥海：“紅磷也燃燒！”面對學(xué)生的疑問，我也不確定，于是我們用溫度傳感器，重新設(shè)計了實驗方案：不同質(zhì)量的白磷或紅磷，白磷與紅磷之間的距離……多種變量，多次實驗，電腦上的溫度曲線隨著銅片的溫度一直變化……不管實驗結(jié)果如何，在學(xué)生有想法時，數(shù)字化手段提供了快速驗證的機會，這正是培養(yǎng)學(xué)生探索精神所需要的。

　　浙江省湖州市織里鎮(zhèn)晟舍小學(xué)教師沈杰耀：就操場夏日地表溫度過高，學(xué)生利用紅外熱成像傳感器（連接平板電腦）采集數(shù)據(jù)，通過建模軟件分析不同材質(zhì)、顏色的地面對熱量的反射與吸收。不僅形成了翔實的《校園地面降溫建議報告》，更設(shè)計并3D打印出了帶有散熱孔紋的創(chuàng)意地磚模型。數(shù)字化工具將一個物理現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為可量化的數(shù)據(jù)問題，將創(chuàng)意構(gòu)想轉(zhuǎn)化為可測試的模型，將跨學(xué)科知識融匯為具體的解決方案。

《中國教育報》2026年04月07日 第04版