數字化實驗是以傳感器和計算機為主要工具的新型實驗方式，數字化實驗存在研究“熱”和常態化使用“冷”兩脫節的現象。針對于此，本文從文獻研究成果和一線教師的視角分析數字化實驗技術為什么在課堂教學中難以常態化使用的堵點和解決途徑，以期能更好地落實課標。

一、數字化實驗技術應用現狀

數字化實驗系統是以數字電路為基礎，以計算機或計算機的變形裝置為數據處埋核心，以各類傳感器為測量端的新型實驗方式。數字化實驗具有效率高、數據量大、數形結合便利、對學生的認知促進效果顯著等特點。

在中國知網上以“數字化實驗”為關鍵詞檢索，可檢索出近19萬篇論文。2007年至今，每年均有萬篇以上論文在進行這方面的研究。但是，筆者在教學實踐中觀察到，數字化實驗研究成果雖多，但在中學課堂實驗教學中實際使用率并不高。根據吳俊明教授的分類，依據實驗目的，化學實驗可分為科研化學實驗和教學化學實驗。閱讀數字化實驗技術研究相關文獻，不難發現很多實驗研究成果主要偏向于科研化學實驗方面，而專門研究數字化實驗技術在教學化學實驗中的應用成果較少。

盡管數字化實驗的理念和方法已經被中國實驗教學界基本接受，但其在中學化學課堂實驗教學中的使用還遠未實現常態化，大部分教師只是將數字化實驗用于公開課和教學比賽。數字化實驗技術還處于“展示”和“應景”狀態。

二、數字化實驗技術在課堂教學中難以常態化使用的堵點

根據李鼎和艾倫運用ISM模型的研究成果《高中數字化實驗實施影響因素研究》一文，數字化實驗技術在課堂教學中使用的路徑是：課程標準→教材→學校規定、政策、學生教育→實驗室建設→教師培訓→儀器設備實驗狀況→數字化實驗實施。現在，課標有要求，教材有內容，設施有配備，教師有培訓，測試有規定，可為什么在課堂實驗教學中還是難以常態化使用呢？下面，筆者作為一線教師從中學教師的視角，談談數字化實驗技術在課堂實驗教學中難以常態化使用的原因。

（一）物質設備條件造成難以常態化使用的問題

一是數字化實驗設備價格昂貴，學校配備數量有限。數字化實驗設備配套的傳感器都比較昂貴，所以學校一般配備的套數都是有限的。如果沒有給教師專門配備實驗設備，意味著每次實驗前都需要教師去實驗室履行繁瑣的借用手續，加之準備數字化演示實驗需要花費更多的時間，這導致教學任務繁重的教師不愿意去申請使用。

實驗設備有限除了造成教師使用困難外，還不能滿足學生實驗需求。依據2022年陜西省教育廳發布的《普通高級中學建設標準》，高中辦學規模宜為18班、24班、30班……班額人數設定為每班50人。一個年級最少有6個平行班。以一個班為例：如果是隨堂實驗，一般是4人一組，需要1+13套傳感器；如果是實驗課，一般是2人一組，需要1+25套傳感器。以現在常用的朗威品牌設備箱為例：一套高中數字化實驗室設備包價格高達數十萬元，理、化、生都要引入數字化實驗，要滿足學生實驗設備之需，這是一筆巨款。

二是實驗設備的維護和保養難問題。設備中的傳感器具有高度敏感性，需要專人做特殊的維護和保養。筆者2015年受聘于相關部門對A市的部分縣中督導檢查，也多次受邀到B市對市級骨干教師進行數字化實驗技能培訓，所到學校都有數字化探究實驗室，且設備都有專人保管，但管理員基本不懂相關技術。由于平時使用人少，沒有懂技術的專人維護，所以PH傳感器的保護液處于缺少或已干涸狀態，導致測量數據誤差大，影響正常使用。

三是實驗設備更新換代問題。隨著信息技術的飛速發展，作為信息技術與理科實驗教學整合的產物，數字化實驗設備會不斷地進行升級改造，數字化實驗設備中的傳感器和數據采集器、軟件都是匹配的，實驗系統軟硬件更新換代過程中就可能出現“不兼容”問題，導致難以常態化使用。不同品牌的軟件更是互不兼容。這就導致舊設備不好用或不能用，新設備一時又難以都配置到位，數字化實驗就只好不做了。

四是傳感器使用方法掌握難的問題。為了保證傳感器的靈敏性，傳感器都有使用規范要求和校準軟件，需要教師熟悉量程和使用方法。例如使用要求最簡單的傳感器就是溫度傳感器，在實際應用中要根據量程選擇：溫度傳感器（-20℃～130℃）和高溫傳感器（0℃～1200℃）。測量中和熱就要用溫度傳感器，測量酒精燈的火焰溫度就要用高溫傳感器。使用PH傳感器除了維護保養外還要用專用溶液、專用軟件校準等。

五是傳感器使用易損問題。數字化實驗技術如果應用于初、高中學生實驗課堂教學，根據青少年的心理特點就要考慮是否易損耐用問題。一旦實驗設備損壞，既難修又難以更換，設備損壞到一定數量后，就難以保障數字化實驗教學的常態化使用了。

（二）課堂實驗教學層面上難以常態化使用的問題

中學化學課堂教學實驗根據實驗的形式可分為演示實驗和學生實驗兩類。演示實驗是教師在課堂上進行示范操作和講解，并指導學生進行觀察和思考的實驗。要求教師做到：目的要明確，實驗安全可靠、保證成功、操作要規范，現象要清晰可見，同時要引導學生主動參與并指引學生觀察與思考，經師生共同判斷，得出結論。學生實驗可分為隨堂實驗（邊講邊實驗）、分組實驗（實驗課）等。學生實驗是培養學生實驗技能、觀察能力、實驗能力、分析和解決問題的能力，訓練科學方法，養成科學習慣和科學態度的重要教學形式。不管是哪一類實驗，每節課都必須要在規定的時間內完成教學任務，教師要把控好上課節奏。如果采用數字化實驗技術來完成實驗教學任務，往往會出現以下問題，導致一線教師不用數字化實驗技術。

一是數字化實驗平臺搭建麻煩，時間不好控制，導致難以常態化使用。數字化實驗除了傳統儀器外，還需要使用各種傳感器、連接線及固定的夾子。在教師實驗技能大賽中，就有一部分選手搭建數字化實驗平臺時，當各種夾子安裝完后，規定的實驗結束時間就快到了，實驗任務不能按時完成。所以賽教課、公開課很多教師采取提前錄制實驗視頻來解決時間控制方面的矛盾。如果教師在課堂上只單一地通過視頻演示實驗，學生就更沒有機會接觸和使用數字化實驗設備了。教師平時很少使用，數字化實驗操作技能就越不熟練，進入一個死循環。

二是教學評價造成數字化實驗難以常態化使用。進入新課程后，普通高中在高一年級化學課是每周3節，高二、高三要多一兩節課，高中化學教學普遍存在時間緊任務重的問題，只要教學達標測試時不考實際操作應用能力，應付筆試的最佳途徑就是多做相關習題。雖然政府加大了對學校實驗室的投入，高中學考、高考也增加了對數字化實驗的考查力度。但在實踐中教師多采取播放實驗視頻，講解實驗原理、操作要點、數形結合圖像分析，這樣更為高效。在一次數字化實驗線上研討會中，上海市中小學數字化實驗研發中心副主任李鼎老師提出高考每年都有數字化實驗相關試題，為什么在常規教學中教師還是很少做數字化實驗呢？山東師范大學畢華林教授的觀點是：高考試題呈現的是數字化實驗測得的數形結合的圖像，只要教師指導學生做過這樣的習題，高考時學生也就會分析，與學生會不會測量沒有必然關系。這就說明在實際教學中一線教師往往采用的是省時、省事又出成績的方法，而耗時、麻煩且成績難以保證的數字化實驗就不做或少做。

三、解決問題的辦法和途徑

（一）政策層面引導的解決方案

數字化實驗不是目的，而是教學改革的手段。數字化實驗技術是現代信息技術與理科實驗教學整合的產物。現代信息技術高速發展，數字化實驗技能是教師、學生必須掌握的技能。而課堂實驗教學是培養學生數字化實驗技能的主要途徑，教材配套實驗是主要抓手。但要使數字化實驗技術常態化使用，還需要共同努力。

數字化實驗技術運用技能進課標、進教材。化學教材應適當增加數字化實驗、定量實驗，讓學生在實驗探究活動中學習科學方法，認識科學探究過程，體會、認識技術手段的創新對化學科學的重要價值，形成嚴謹求實、勇于實踐的科學態度，發展實踐能力。在2017版新課標人教版等初、高中化學教材中已經體現了數字化實驗技術方面的教學內容。

解決數字化實驗技術運用技能培養的物質條件投入問題。令人可喜的是，為了適應基礎教育均衡發展需要，各級政府加大了對基礎教育現代信息技術裝備的投入，教室大多都安裝了電子白板，普通高中學校陸續換裝了新的實驗室裝備，大多數學校還配備了數字化實驗室（探究實驗室）。這些投入為數字化實驗技術的使用提供了物質基礎。

培訓教師和培養骨干。近年來，各地教育行政職能部門都加大了數字化實驗技術運用培訓和骨干教師的培養，以陜西省為例，從2015年開始進行省、市兩級理化生骨干教師數字化實驗操作技能培訓，開展各級理化生教師實驗操作技能大賽、實驗說課大賽等，引導和促進教師積極開展實驗研究。陜西省教育廳相關部門在2020 — 2022連續3年通過專題講座和實驗操作視頻在線上對全省初、高中理化生教師、實驗員進行數字化實驗技能全員培訓。全面普及和提高了教師的相關認知和操作技能，為實驗教學中應用數字化技術提供了師資保證。

要發揮引導作用。高考作為指揮棒已經先行，數字化實驗技術得到的數形結合的圖像從2006年高考試題上海卷呈現開始到現在的全國卷、地方卷年年都有體現。引導教師在平時的教學中要關注宏微結合、符號、曲線四重表征。一些地方在畢業實驗操作考查中也開始試點增加數字化實驗內容，促進學生學會運用數字化實驗工具進行簡單測量。普通中學化學教師在實驗教學中引入數字化實驗，既是落實課標要求、完成教學任務之必需，也是幫助學生通過高考及實驗水平學考之必要。

要出臺系統的措施和辦法，營造數字化實驗技術使用的良好環境。任何一項教育改革舉措的推行和教育技術的運用推廣都取決于學校的態度和應對之策，沒有學校層面的響應都是不可能達成的。學校應鼓勵教師教學研究，鉆研數字化實驗技術，在物質上要提供方便。例如筆者所在校采取把數字化實驗裝備箱配備給每位需要的化學教師，鼓勵教師在平時的演示實驗中使用，從而提高了教師使用現代教育技術的水平，增強學生對宏觀現象、微觀粒子、符號表征、曲線表征四重表征的認識和理解，在提升學生的化學核心素養的同時，教師也得到成長。

（二）實驗設備軟硬件開發及使用保障的解決方案

要實現常態化的使用，數字化實驗軟硬件的開發生產廠商要做好兩方面的工作。一方面從改善數字化實驗硬件功能入手。接口設備要實現從單向到雙向。傳感器要實現從專業化到大眾化的發展，按照“小型、集成、兼容、價廉”要求進行研發，更新換代。傳感器簡單好用了，對使用者技術要求降低了，學校用得起，教師敢用了，數字化實驗常態化就不遠了。數據傳輸要實現從有線到無線化。無線傳感器是通過藍牙技術實現無線連接的，在傳感器和接口設備上都有無線模塊存在實現數據的無線傳送。每組學生測試的圖像、實驗報告可傳輸給教師電子白板，教師可以及時組織評價反饋。實現以上技術的進步，讓操作更為簡便、價格更為低廉、界面更為友好。

另一方面是數字化實驗技術使用保障問題。供貨商或廠家從把產品賣給學校開始，就應該安排專門的技術人員主動開始售后服務，從新產品使用的培訓、傳感器的養護指導等方面，確保傳感器更實用，還要不斷完善傳感器的性能；當軟件版本升級時要兼容低版本傳感器，并及時提供技術支持，讓使用者更方便、數據更穩定、安裝更簡捷，如筆者所在校物理實驗室先配備了十五套朗威牌6.8版本設備，化學實驗室后配備十五套朗威牌7.2版本設備，由于電腦操作系統的不斷升級，導致在電腦上無法識別傳感器，經過與廠家聯系得到補丁，安裝在電腦或電子白板上，至今各種傳感器均可以正常使用。

（三）教師在課堂實驗教學層面上的解決方案

數字化實驗技術能否在課堂實驗教學中常態化使用，取決于教學一線教師的態度和行動，要做到以下幾點。一是查閱數字化實驗文獻，進行理論學習，積極參加相關操作運用培訓。二是向同伴學習，向專家學習，提升自己的運用技能。三是積極行動起來，演示實驗從操作簡單的傳感器應用開始，從不熟練到熟練是一個過程，教師會用了才會帶領學生用，只有多用才能達成使用技術的熟能生巧。四是積極參加數字化實驗技能賽教活動，以任務驅動促使自己快速成長。五是經常瀏覽廠家官方網站或公眾號，下載軟件、補丁、操作視頻、尋求技術支持等，使自己成為這項技能操作的行家里手。

教師要學會搭建好用的兩個實驗平臺：教師演示實驗平臺電子白板替代電腦增強了測量結果的可視性，學生分組實驗平臺手機等替代電腦增強了實驗的便捷，減輕了學生對裝備的陌生度。將手中的各種現代信息技術裝備融合實現數字化實驗常態化，落實課標要求。

教師要以教材實驗為抓手，先從教學實驗中的難點實驗入手，把傳統實驗中的一些現象不直觀、不易觀察、數據處理大的實驗，在課堂教學中采用現代數字化實驗技術，在“做中學和教”，在真實情境中解決真問題，提高學生化學核心素養。在實踐中存在一些認識誤區影響了數字化實驗的使用，如一定要得到平滑的曲線，否則實驗效果就不好。測量酒精燈焰心、內焰、外焰溫度，在教室環境里燈焰是不會靜止的，測出不平滑的曲線恰恰是真實實驗的體現，只要通過讀數證明三個位置的溫度是焰心＜內焰＜外焰 ，通過實驗找到用酒精燈加熱的最佳位置就是成功實驗。又如為了使用數字化實驗忘了初心，簡單目標知識教學選用復雜實驗。

數學化實驗與傳統實驗各有優勢，兩者是彼此融合相互彌補的關系。但數字化實驗可以放大人們的直覺觀察，系統生成的圖表可直觀地表示理論模型的核心組成部分，包含化學物質的組成、數量、單位、狀態等信息，這些圖表有助于學生思考如何表征化學概念。研究表明數字化實驗對微觀和符號表征起到了促進作用，曲線圖作為一種符號表征，搭建了宏觀和微觀世界的橋梁。它的價值是傳統實驗無法替代的，而要使數字化實驗技術成為一種教學常態還有一段很長的路要走，需要共同努力。

作者單位   西安市第三十中學