【摘 要】本文从信息技术赋能实验教学的角度，探讨如何在中小学实验教学中运用信息技术精准记录实验数据，拓展实验教学的时间与空间，为提升实验的安全性及可操作性提供支撑，进而培养学生的科学思维、科学探究和创新精神。
【关键词】信息技术 实验教学 赋能
实验教学作为理科教学的重要内容、重要方法，对学生理科知识的掌握，以及科学研究方法、实验技能、科学思维和创新精神的培养，都具有重要的地位和作用。随着信息技术的发展，传感器、仿真技术、虚拟现实、人工智能等技术都已经被运用到前沿的科学实验领域中。运用信息技术赋能中小学实验教学，能为实验教学提供新的空间和路径，从而实现实验数据的精准记录、拓展实验教学的时间与空间、增强学习过程的真实体验、确保实验过程的安全可靠。
在教学实践中，由于受到实验室标准要求、设备数量、师生安全等原因的影响，学生往往只能在学校的专业实验室中完成一定数量规定或推荐范围内的实验，不仅实验的操作次数有限，也无法尝试创新实验设计。特别是在线上教学期间，由于无法到校学习，不少学生仅能通过视频课观摩教师的实验过程，或用家中的简易材料开展简单实验，对培养学生实验操作能力和呈现实验实际效果均有影响。然而，将传感器、仿真技术、虚拟现实、人工智能等信息技术运用到实验领域中，既可测量、收集与分析实验的数据，也可通过虚拟仿真模拟实验过程，还能探索各种未知的新实验，为进一步理解实验目的、明确实验过程、落实实验规范、研究实验结果、创新实验方法提供了新的空间和路径。
一、运用手机传感器获取实验数据
实验教学不仅仅是观察、描述实验现象，还需要在实验中获取实验数据，对数据进行整理，从而得到结论、验证假设。目前，不少学校已配备DIS系统辅助实验教学，并用于测量、记录实验中产生数据后的分析。但在实际教学中，往往存在设备数量不足、使用技术门槛较高等情况，而且学生回到家中，在没有专业设备支持和教师指导的情况下，很难开展常规实验，设计创意的实验，更无法测量、记录实验数据。目前，常用的智能手机中一般都配备了加速度、光线、陀螺仪等传感器，通过安装相关APP，智能手机就能变为随身携带、随时可用的物理实验工具，便于学生开展实验并收集相关数据。
以笔者常用的Phyphox软件为例，它可以调用手机中的多个传感器开展声学、力学等实验，实时记录并导出实验数据进行研究。比如，在小学科学、初中物理、高中物理中均有重力加速度实验，通过使用Phyphox中“摆”的功能，配合简易制作的实验装置，就可以对重力加速度、周期、摆长进行测量，并通过实验数据验证它们之间的关系。笔者使用废弃的手机保护壳和四段等长的细绳，细绳一端制作一个手机固定装置，并将手机放入其中，另一端固定在铁架台上，从而制成了简易的“摆”实验装置，如图1所示。在实验过程中，笔者首先使用米尺测出从铁架台支点到手机质心的长度（摆长），然后打开Phyphox中的“摆”定制功能，在g（重力加速度）中，输入已测量出的摆长；同时，为了提高实验精度，笔者选择定时运行，即等待单摆运动3s后开始记录数据，实验时长为60s，再让手机偏离一个角度（一般≤5°为宜），随后点击APP中的“运行”。放手后，Phyphox就会自动记录单摆的周期和频率，并根据输入的摆长，计算出重力加速度g。经过60s的测量后，笔者得出了重力加速度为9.79ｍ/s2（米每秒平方）的结论，如图2所示。反之，在“摆长”选项中可以通过默认g值9.81ｍ/s2，自动计算出摆长。
通过这个简易实验，学生能真正体验实验设计、记录、分析的过程，同时在实验过程中所产生的数据也都被APP记录了下来，还可以在实验结束后通过“导出数据”将其导出，作进一步分析。当然，在实验中也会存在由于装置简单、设计不完全规范而产生的干扰因素，教师可让学生通过不断观察，寻找、分析实验中的干扰因素，从而优化实验装置，减少数据误差，并通过交流、探讨与评价，培养学生的科学素养。
利用智能手机中的传感器，师生相当于拥有了一套便携的数字化实验系统，拓宽了开展实验的空间、时间，还可以获取实验数据并用可视化的方式进行呈现，从而帮助学生进一步理解实验结果。
二、运用虚拟实验增强真实体验
实验的背后往往涉及大量的抽象科学原理和学科概念，还有很多难以通过肉眼观测或常规仪器测量到的现象，通过虚拟实验程序可以向学生完整呈现实验过程和现象，特别是对于一些受时空限制在现实世界中无法观察、控制的事物和现象，变化太快或太慢的过程，都可以使用虚拟实验的方式开展，从而在体验的基础上理解实验背后的科学原理。
1.运用虚拟程序理解科学原理
以笔者常用的PhET平台为例，它是一款开放、免费的虚拟仿真程序，可以通过网站在线使用或者下载Java程序本地运行。目前，平台上的实验涉及物理、化学、生物等多门学科，共有160个免费实验项目，支持95种语言和2922份世界各地教师的教案。
以小学自然“能的转换”一课为例，能量对四年级学生而言是一个比较抽象的概念，也缺少多样的实验器材。在传统的教学模式下，教师往往会通过播放科普视频、开展科普阅读等方式完成对能量转换的知识传授，学生很难通过探究发现各种能量之间生成转换的过程。由于缺少真实体验，学生对能的转换大多流于字面上的理解。在PhET平台上，虚拟实验“能量的形式和转换”则可给予学生更为直观的体验。该程序围绕电能模拟建立一个完整的系统，包括能源、转换装置和负荷，甚至连细微的能量损失也在虚拟程序的设计之中，让学生在虚拟场景中探究追踪并发现能量的流动及改变情况，进而通过观察、比较等方法发现并归纳科学知识，其具体程序界面见图3。
在虚拟实验支持的教学过程中，学生更多的是通过游戏化学习、体验式学习的方式自行调查、理解、推理，最终形成对科学原理的解释，教学目标也从单纯的知识传授转变为科学思维、科学探究等核心素养的培育，在更短的时间内给予学生更多样的尝试与探索的可能性。此外，不少虚拟实验程序中还有对实验操作步骤的详细讲解，在学生操作失误时能及时进行提醒，从而不断规范学生的实验操作过程，为学生在真实环境下进行实验打好基础。
2.使用虚拟现实突破条件限制
在笔者的学生时代，生物课中有“了解青蛙的生理结构，并对其心肺系统、神经系统等进行观察”的解剖实验。随着时代的发展，青蛙作为益虫和国家保护动物已逐步离开了解剖台，但青蛙作为一个典型的变态发育两栖动物，的确有解剖观察、研究的价值。而Froggipedia软件就能解决这一问题。它是一款基于AR的虚拟现实软件，既能探索从卵到蝌蚪再到青蛙的完整生命周期，还能了解青蛙复杂的生物结构，开展虚拟解剖实验；既保护了青蛙的生命，又完成了实验观察的要求。随着信息技术的发展，类似的虚拟实验软件层出不穷，如涵盖物理、化学、生物学科的NOBOOK实验室，观察宇宙星空的Sky Guide等，这些软件的特点在于可以将细微到原子、广大到星球的特点呈现出来，解决实验因环境和器材等条件制约而无法实现的问题。
参考文献：
[1]中华人民共和国教育部.关于加强和改进中小学实验教学的意见[J].中华人民共和国教育部公报,2019(12).
（本文刊载于《现代教学》2022年4A刊，作者系上海市普陀教育学院 王世达）
转自：“第一教育专业圈”微信公众号
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