数字化实验在初中生物教学中的应用

［摘 要］文章围绕数字化实验在初中生物教学中的应用，以“动物的生殖和发育”的教学为例，在解读数字化实验内涵的基础上对数字化实验在初中生物教学中的应用优势进行分析，并基于全过程教学理念，从课堂教学前、中、后三个阶段论述数字化实验在初中生物教学中的应用策略，旨在优化初中生物实验教学过程，充分发挥信息技术手段在促进生物课堂教与学方面的积极作用。

［关键词］数字化实验；初中生物教学；动物的生殖和发育

［中图分类号］    G633.91                ［文献标识码］    A                ［文章编号］    1674-6058（2025）02-0093-04

《义务教育生物学课程标准（2022年版）》建议教师在生物学科教学实践中重视现代信息技术手段的运用，通过动画、视频、模拟实验等数字化资源的运用改进教学内容的呈现方式，优化教学过程[1]。与常规的实验相比，数字化实验具有高精准度、实时性、省时简便、直观易懂等诸多优势。此外，从实验数据处理的层面上看，数字化实验的数据处理更为迅速，实验过程中数据能够以图像的形式及时地呈现出来，相当于将微观的实验过程以曲线的方式呈现在学生面前，使学生能够通过观察曲线的变化直观感受微观的实验过程，从而快速地理解所学知识。近年来，信息技术在教育领域中的广泛应用，为教师改革生物学科教学模式提供了技术支撑，而数字化实验在初中生物教学中的应用，既是教师推动生物学教育信息化建设的重要途径，又是教师贯彻课标理念的一个基本手段。

一、数字化实验的内涵

从广义的角度来看，虚拟仿真实验，应用移动智能终端录制并通过多媒体设备展现的实验以及借助各类传感器、数据采集器等信息设备进行的实验均属于数字化实验的范畴。从狭义的角度来看，数字化实验主要是指应用各类传感器、数据采集器等信息设备采集和处理实验数据的一种实验模式。本文研究所针对的是广义的数字化实验。其中，虚拟仿真实验主要是指教师应用符合学科教学需求的虚拟仿真实验App所设计的数字化实验。在初中生物教学中，教师可以应用“土豆生物”“虚拟实验”“理化生实验室”等软件设计数字化实验，并将设计完成的数字化实验作为教学资源应用于课堂教学，也可以在课堂教学中直接应用各类虚拟仿真实验软件开展数字化实验，以此作为传统实验的一种替代或补充。多媒体设备展现的实验主要分为两类：一类是教师在课前录制的实验视频；另一类是通过网络渠道获取的其他主体录制的实验视频。在初中生物教学中，教师可以利用教室内的多媒体设备来为学生呈现实验视频。另外，应用传感器、数据采集器等信息设备的实验模式，主要是指教师根据教学内容选择如pH传感器、O2传感器、压强传感器等仪器来实时采集、处理和生成实验数据。

二、数字化实验在初中生物教学中的应用优势

在生物教学过程中实施数字化实验，对学科的教与学均存在积极作用。

在“教”方面，虽然教师需要在课前熟悉数字化实验软件或进行数字化实验设计，但这些做法却为课堂教学实践节省了大量的时间。在课堂教学中，教师可以将数字化实验视频作为演示实验，以此指导学生的实验操作；可以开展数字化实验，借助多媒体等信息设备将实验过程投影在大屏幕上，使所有学生都能够清楚、直观地看到实验过程，从而克服了传统演示实验中部分学生无法清楚了解实验过程的弊端。同时，数字化实验在生物教学中的应用并不局限于虚拟仿真实验。如果学生不适应虚拟仿真实验过程，教师可以通过录制实验过程的方式开展课堂教学，以此保障学生的学习实效。

在“学”方面，实验的成功率直接影响学生的获知效率。在常规实验课堂中，即使教师为学生演示了实验全过程，学生仍需要花大量的时间和精力来捋顺实验的步骤并进行试错。相比之下，数字化实验的实施带来了显著优势。学生不仅能够反复观看实验过程，还能够借助传感器设备及时、精准地获取实验数据，这大大提高了实验的成功率，并帮助学生通过生物学实验快速掌握相关知识。数字化实验的实施还为师生交互预留了更多的时间。学生能够通过高频次的师生交互解决更多的疑问，进而全面理解知识，提升认知效果。

总体来看，数字化实验在初中生物教学中的应用对教师提升生物教学质量具有积极意义，但数字化实验的实施也存在一定的难度。教师若想发挥数字化实验的优势，还应熟练掌握各类虚拟仿真实验软件和传感器的使用方法，以及优化生活实验的录制方法，如此才能借助数字化实验的实施促进课堂教与学的有效性提升。

三、数字化实验在初中生物教学中的应用策略

为详尽论述，本节以北师大版生物学教材八年级上册第六单元中的“动物的生殖和发育”一课为例，基于全过程教学理念，从课堂教学前、中、后三个阶段分析数字化实验在初中生物教学中的具体应用。

（一）课堂教学前——设计数字化实验

1.立足教材梳理实验内容

于课堂教学前梳理教材中的实验内容，能够为教师设计数字化实验提供明确的思路，因此梳理实验内容成为数字化实验实施不可或缺的基础步骤。首先，确定数字化实验的主要内容。“动物的生殖和发育”一课所涵盖的基础知识较多，包括鸟类、两栖类以及昆虫等动物的生长发育、受精、生殖方式等。梳理教材内容可以发现，本节课需要开展的实验为“观察鸟卵的结构”，所以“探究鸟卵”即是本节课中数字化实验的主要内容。其次，教师要对这一内容进行细化，从而为应用虚拟仿真实验软件设计数字化实验奠定基础。实验过程中需要用到的实验器材包括注射器、生鸡蛋与熟鸡蛋（各一个）、放大镜、透明塑料盘、镊子、牙签等。实验分为以下两个部分：（1）探究鸟卵的卵壳结构。将生鸡蛋浸入40～50 ℃的温水中，观察实验现象；用注射器向生鸡蛋内打气，观察实验现象。（2）探究鸟卵的内部结构。首先，轻轻敲碎鸡蛋的钝端，用镊子除去钝端破碎的外壳与外壳膜，以便观察暴露出来的内容结构；接着，用镊子戳破内壳膜，观察内部的物质性质；然后，将卵壳内的物质倒入塑料盘中，观察物质结构；最后，将牙签刺入卵黄中并应用注射器向卵黄中注入空气，观察实验现象。

2.应用虚拟仿真实验软件

教师在设计数字化实验的过程中需要用到虚拟仿真实验软件。以“理化生实验室”软件为例，该软件是一款适用于义务教育阶段理科实验的虚拟仿真实验软件，软件中的每一个器材均经过高精度的3D建模，能够全方位、多角度地为学生展示实验过程。通过智能算法的应用，该软件还确保了实验数据的精准性和实验现象的保真性。此外，为了便于教师的教学应用，该软件还具备操作提示和错误提示功能，支持PC鼠标键盘和触屏操作。软件中的“生物实验室”主要分为五个模块，其中的“同步实验模块”与初中生物课程内容高度契合。教师可以应用该模块按照教材内容设计探究鸟卵卵壳与内部结构的实验。部分实验过程如图1所示。

（二）课堂教学中——呈现数字化实验

在课堂教学中，可供教师呈现数字化实验的方式主要分为两种。第一种是将课前制作的数字化实验视频投放在多媒体屏幕上，教师根据课堂教学需求通过一边暂停播放一边进行教学引导的方式呈现数字化实验；第二种是在课堂教学中直接应用虚拟仿真实验软件进行数字化实验。本文以第一种方式为例，详尽论述数字化实验的完整呈现过程。

1.探究鸟卵的卵壳结构

首先，教师与学生进行交互，指出“在生物学分类上，鸡属于鸟类，而所有鸟卵的结构基本相同。本节课将通过探究鸟卵的实验来学习鸟卵的结构与功能，以此引出学习内容，并帮助学生明确学习目标。教师要求学生观察鸡蛋的形状，并提出问题：“这种形状有什么意义？”引导学生思考并认识到此种形状有利于鸡卵的孵化、防止被压坏或滚远。其次，教师将课前制作的数字化实验视频导入教室内的计算机设备中，在多媒体屏幕上呈现数字化实验室界面，并要求学生用放大镜观察鸡蛋的表面。在学生观察了鸡蛋表面后，教师设置实验探究问题：“鸡蛋的表面并不光滑，蛋壳上是否有其他结构？”组织学生进行观察卵壳的实验。此时，多媒体屏幕上呈现将生鸡蛋放入温水中的画面，界面上的温度计显示45 ℃。教师开始引导学生跟随数字化实验视频进行实际操作。在实验过程中，教师与学生交流讨论实验现象，而多媒体屏幕也呈现“卵壳上出现气泡”的实验现象。继续播放数字化实验视频，屏幕上呈现注射器插入生鸡蛋内部并打气的画面，此时要求学生跟随视频进行实际操作。通过此操作，学生能够观察到鸡蛋上出现的水珠。这时，教师也将数字化实验视频播放至这一实验现象处，确保数字化实验视频与学生实验操作同步，并得出实验结论：鸡蛋的外壳上存在很多小孔。最后，教师与学生探究鸡蛋外壳上小孔的作用（便于氧气的进入和二氧化碳的排出），教师也相机为学生拓展学科知识。例如，一个鸡蛋的蛋壳上约有7000个小孔；如果鸡蛋的蛋壳被污染，秽物可能会堵塞蛋壳上的气孔，妨碍鸡胚的呼吸，导致鸡蛋无法孵出小鸡等。

2.探究鸟卵的内部结构

探究鸟卵内部结构的实验教学可分为下面几个环节。环节一，教师操作鼠标于多媒体屏幕上呈现剪刀敲击鸡蛋钝端、用镊子剥除破碎卵壳和外壳膜的画面，要求学生跟随视频步骤进行实际操作，并观察鸡蛋钝端的空腔。在学生操作完后，教师为学生讲解气室的相关知识。环节二，教师要求学生扩大卵壳破口的面积，直观感受卵壳内物质的流动性，并设置问题链，如“卵壳有什么特点？”“卵壳内的物质有什么特点？”“卵壳对其内部物质的作用是什么？”，逐步引导学生自主总结出“卵壳对其内物质存在保护作用，防止卵壳内的物质流出”，由此强化学生的结构与功能观，培养学生的生命观念。环节三，在多媒体屏幕上呈现将卵壳内的物质倒入玻璃盘中的画面。教师要求学生跟随数字化实验进行实际操作，并观察鸡卵的内部结构。此环节中，教师随机提问班级学生观察的结果，并为学生讲解鸡卵内部各部分结构的名称，如“鸡卵中白色带子一般的东西叫作系带，连接着卵黄的两端与卵壳，主要起固定和减震的作用”。此时，教师在屏幕界面上的相应位置标注“系带”二字。又如“卵黄中央位置处的小白点，若色浅而小叫作胚珠，证明鸡卵未受精；若色浓而大则叫作胚盘，证明鸡卵受精，可发育成鸡雏。此时，教师在屏幕界面上的相应位置标注“胚盘”二字。环节四，在多媒体屏幕上呈现将牙签刺入卵黄并用注射器向卵黄中注入空气的画面，学生跟随数字化实验进行实际操作并观察现象。师生共同探究卵黄膜的功能，最后由教师为学生做简要的功能总结：卵黄膜让卵黄保持一定的形状且不外溢。环节五，在多媒体屏幕上依次呈现文字标注的画面，标注的文字分别为卵壳、壳膜、气室、卵白、卵黄、系带、胚盘、卵黄膜。每呈现一个文字标注，教师就带领学生回顾相应结构的特点与功能，以达到实验总结的目的。例如，当界面上出现“卵白”二字的文字标注时，教师就可以带领学生进行功能总结：卵白呈透明色，具有保护作用，还能够为胚胎的发育提供营养和水分。

（三）课堂教学后——上传数字化实验

如果在课堂教学前和课堂教学中将数字化实验视频视为教学辅助资源，那么课堂教学后数字化实验视频的应用则属于学习辅助资源。在课堂教学结束后，教师可以将数字化实验上传至班级交互群中，供学生自行下载，使数字化实验视频成为学生复习巩固的学习资源。为发挥数字化实验视频对学生巩固所学知识的指导作用，本节课中教师可以设置跨学科作业，如“鸡蛋的秘密”生物学主题插画课后作业。同时，教师还可以建议学生对照交互群中上传的数字化实验视频，确保插画中鸡蛋各个结构的准确性和完整性。与传统背诵所学知识类型的课后作业相比，这种跨学科作业的设计不仅可以最大限度地应用数字化实验视频，而且学生绘图的过程即是对鸡蛋各个结构的记忆过程，可以避免学生机械性记忆的弊端。此外，从学科核心素养的角度来看，“探究实践”素养涵盖了学生发现问题或提出任务、制订方案、形成产品、得出结论等能力，而主题插画属于实验课程学习的产品之一，该课后作业设计还有助于培养学生的“探究实践”素养。“鸡蛋的秘密”优秀主题插画示例如图2所示。

综上所述，数字化实验在初中生物教学中的应用具备较强的可操作性，且有利于提升初中生物学科教与学的实效。教师在教学过程中可以利用数字化实验来推动课程教学改革。然而，值得注意的是，在具体的实验教学中，数字化实验并不能完全替代教师对学生的实验指导和教学引导。本研究中，数字化实验作为教与学的一种重要资源，能够辅助和促进教学的高效开展。同时，研究认为，无论数字化实验是作为一种教学资源，还是作为一种教学形式，其在学科教学中的应用都需要与师生的交互作用相辅相成，以实现最佳的教学效果。

［   参   考   文   献   ］

[1]  中华人民共和国教育部.义务教育生物学课程标准：2022年版[M].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2]  侍亮.初中生物实验教学中电子白板的应用策略研究[J].学周刊，2024（14）：101-103.

[3]  刘静.“互联网+”时代初中生物实验教学的问题及措施研究[J].考试周刊，2024（12）：139-142.

[4]  张丽娅.融合信息技术    赋能初中生物教学[J].读写算，2024（5）：149-151.

[5]  余春山.优化初中生物实验教学，提升学生学科素养[J].教育界，2023（29）：17-19.

[6]  王兴凯.初中生物教学数字化实验应用探究[J].基础教育论坛，2023（18）：52-53.

[7]  石洁芳.基于新课标提升初中生物实验教学效率的策略研究[J].天天爱科学（教学研究），2023（8）：158-160.

（责任编辑    罗    艳）