数字技术支持下的六环五策四路径学科融合实验教学体系构建研究

摘"要：构建选题与论证、设计实验改进方案、设计加工实验装置、应用于教学检验、撰写研究报告和项目实施评价六个基本实验研究环节，提出数字技术支持下基于跨学科视角的融入传感技术、融入编程思想、融入人文艺术、融入仿真技术、融入科普科创活动等五个实验融合策略，以学术论文发表、学术经验交流、媒体宣传报道、科普科创作品四个路径输出研究成果。为实验教学提供新的研究视角、思路方法、理论模型和实践案例，推动实验教学、科技创新、科普教育的研究与发展。关键词：数字技术；科学教育；学科融合；实验教学；STEM教育1"选题依据1.1"研究背景科学教育是培养创新人才、提升全民科学素质的重要基础。推进课程改革，坚持素养立意，强化实验考查，提高学生动手操作和实验能力是提高学生科学素质的必由之路[1]。2023年5月，习近平总书记在主持中央政治局第五次集体学习时指出，教育数字化是我国开辟教育发展新赛道和塑造教育发展新优势的重要突破口[2]。《教育部2022年工作要点》提出实施教育数字化战略行动，教育部部长怀进鹏提出以教育数字化战略行动推动教育数字化转型[3]。2024年全国两会期间，做好科学教育、立足学科整合、推动数字化转型成为教育工作聚焦的热点[4]。《义务教育课程方案（2022年版）》明确提出，中小学各门课程用不少于10%的课时设计跨学科主题学习[5]，让学生在真实情境中提出问题、分析问题和解决问题，全面提升学生的科学素养，促进学生多元化发展。STEM教育是在全球教育创新与变革背景下的学科融合教育，强调跨学科一体化的教育方式。2023年，联合国教科文组织在上海设立国际STEM教育研究所[6]，将推动我国STEM教育向纵深发展，促进我国基础教育新一轮的跨学科融合教育改革。中小学科学教育以实验探究为基础，通过引导学生参与实验探究和实践活动，培养学生的科学思维方式和解决问题的能力。在教育信息化、数字化、跨学科一体化教育的背景下，传统的单一学科学习脱离社会生产生活经验和需要，导致一些原来密切联系的知识发生割裂，不利于培养学生的创新能力和问题解决能力，已经不能满足学生科学素养的发展需求。基于多学科或跨学科融合的实验探究能够更好地培养学生的创新能力和实践能力，打破学科壁垒，融合与跨界将成为未来教育发展的趋势。为了提高实验教学的质量，开展数字技术支持下的学科融合实验研究具有重要的价值和意义。1.2"文献综述在美国兴起的STEM课程明确要求在科学教育中整合技术、工程和数学教育，如今STEM教育已成为国际上颇具影响力的教育思想。随着STEM教育的全面铺开，出现了聚焦个体创意开发和实践过程的创客教育，鼓励学习者进行实验、设计和创造。STEM教育和创客教育的共同点是基于跨学科知识和技能的融合培养学生的创新思维与实践能力。近年来，各国在数字技术支持下开展深入的研究与实践，如利用虚拟实验室为学生提供更真实、沉浸式的实验体验，利用人工智能、大数据和云计算等先进技术开展实验教学与研究。我国很多专家、学者深入开展STEM教育研究。例如：胡卫平等提出构建中国特色的STEM教育体系的努力方向，周东岱等提出基于STEM教育理念的小学课程体系重构流程；赵慧勤等设计了以STEM理念为基础，培养学生批判性思维、沟通能力、协作能力和创新创造能力的创客课程[7]。在我国推进STEM教育本土化的过程中，一些学校相继开设科技实践课程，指导学生参与科技创新、科普创作活动，培养实践能力和创新创造能力。STEM教育已在全球范围内获得广泛认可，在国内外教育研究中占据重要地位。在我国，针对STEM教育的本土化教学和实践研究正逐渐成为教育领域的焦点，应将STEM教育与学校课程、创客教育相结合，以适应我国的教育环境和学生需求。随着2022年教育部启动教育数字化战略行动，一些学校开始基于STEM教育、创客教育范式开展跨学科设计与实践研究。然而，指向学科融合实验教学的研究却很少，针对实验教学方向的融合创新、设计与实践暂未发现系统的体系构建研究，一些期刊发表的学科融合实验方面的论文也仅仅是针对具体实验开展研究。研究团队在数字技术支持下，从多学科、跨学科融合的角度，在“用信息技术对小学科学实验趣味化设计的策略研究”“基于STEAM教育理念的初中物理实验趣味化设计与实践研究”“学科融合背景下的实验教学‘成果化’实践研究”“STEM理念下的高中生物实验教学策略的研究”“高中生物数字化实验的开发与实践研究”“人工智能技术融入高中生物实验的案例开发与教学实践研究”等多个省市级课题实验教学研究的基础上，提炼研究的思路方法和技术路线，选取具有代表性的样本开展实践研究，探索有效的实验教学活动环节、策略方法和成果输出路径，构建“六环五策四路径”学科融合实验教学体系。2"研究内容和方法2.1"核心概念数字技术是指运用计算机、网络和数据处理技术，实现信息数字化采集、存储、处理、传输和展示的技术体系[8]。在教育领域，依托数字技术通过重构数字化教学内容、改革教学方法、共享学习资源、搭建仿真教学平台等方式，提升教学质量和效率，支持个性化学习和创新教学。学科融合是指以课程标准为指导，以学科知识为基础，打破学科界限，将不同学科相关联的知识进行融合，通过跨学科的学习和探索，培养学生创新能力和实践能力。2.2"研究内容在数字技术支持下，从选题与论证→设计实验改进方案→设计加工实验装置→应用于教学检验→撰写研究报告→项目实施评价六个环节开展实验教学研究；基于跨学科视角提出融入传感技术对实验进行趣味化和智能化设计、将编程思想融入实验设计与教学实践、在实验教学中融入人文艺术元素、用VR和AR等技术手段进行仿真实验、将实验研究融入科普科创活动五个实验融合策略；最终将实验研究成果以学术论文发表、学术经验交流、媒体报道或自媒体宣传、科普科创作品等方式呈现出来。研究如何提高教师的实验教学与研究能力，以及如何提升学生的实验设计操作与科学实践能力，提炼研究的思路方法和技术路线，探索有效的学科融合实验教学活动环节、策略方法和成果输出路径，为实验教学和科学教育提供参考与借鉴。2.3"研究思路和技术路线以现状研究→案例研究→分析诊断→实践验证→成果推广为研究主线，开展数字技术支持下的“六环五策四路径”学科融合实验教学体系构建研究。研究框架如图1所示。2.3.1"现状研究通过文献研究、问卷调查、访谈讨论等方式探究国内外学科融合实验教学的现状和存在的问题，进行文献梳理和理论分析，探讨学科融合实验教学的活动环节、策略方法和成果输出路径，为后续的研究提供理论支持。2.3.2"案例研究结合研究需求，选取具有代表性的研究案例，按照“六环五策四路径”实验教学体系开展案例研究。2.3.3"分析诊断从实验项目的选题与论证、实验方案的改进、实验设计与装置加工、应用于教学检验、实验研究报告的撰写、实验项目评价多个环节入手，分析诊断项目实施的效果。2.3.4"实践验证将学科融合实验教学活动环节、策略方法和成果输出路径应用于研究实践，验证“六环五策四路径”学科融合实验教学体系的有效性，及时发现问题并加以改进。提炼研究的思路方法和技术路线拓展应用到新的项目研究中，在后续的研究中反复迭代优化。2.3.5"成果优化和推广对研究过程中的阶段性成果进行梳理，总结研究成果和不足，提出进一步改进的措施，对实验教学的活动环节、策略方法和成果输出路径进行优化；撰写研究论文，分享和交流研究成果，提供学科融合实验教学活动实施环节、策略方法、成果转化等方面的咨询和建议。3"“六环五策四路径”学科融合实验教学""体系3.1"六个实验活动环节从选题与论证→设计实验改进方案→设计加工实验装置→应用于教学检验→撰写研究报告→项目实施评价六个环节开展实验研究活动。3.1.1"选题与论证1）分析教材内容的不足之处。从以下几个问题对教材相关章节内容进行分析。问题1：教材中是否有对应的实验或教具（模型）？问题2：教材中的实验或对应的教具（模型）是否符合本地学生实际？问题3：教材中的实验或对应的教具（模型）操作是否简便、环保，是否安全？问题4：教材中的实验是否容易成功？实验现象是否明显？实验结果是否精准（实验误差是否在允许范围内）？若以上问题有一项或多项存在否定情况，就可以作为待研究的主题进入项目论证阶段。2）项目论证。思考如何针对教材内容存在的问题进行改进，主要从四个方面论证研究的适用性和价值性。①结合研究者的年龄特征和认知水平，用什么方法或技术解决问题；②改进实验用到的工具和器材成本要在师生能够承受的范围之内；③对比原实验，改进实验的安全性、环保性、趣味性要有所提升；④对比原实验，改进实验现象要更明显，实验结果要更精准。3）项目查新。借助百度学术、万方数据库、知网数据库、专利之星等网络数据库平台，开展与选题相关的文献研究，查询近年来实验技能、自制教具、科技创新、科普创作等竞赛活动的研究动态，了解改进实验所用到的方法、技术、工具、器材是否有创新。若已有雷同或大幅度相似的项目，则重复选题与论证的整个过程，另行遴选其他研究项目。3.1.2"设计实验改进方案针对教材内容（原实验）存在的不足，综合考量四个方面设计实验改进方案：1）选择更适合当前教学内容的器材，或者对现有器材进行加工改造，从而提高实验的稳定性和可靠性；2）调整和优化实验步骤，简化实验操作流程；3）增强实验的安全性、环保性、创新性和趣味性；4）对实验现象、实验结果进行合理预测和分析，通过改进使实验现象更明显，实验结果更精准，帮助学生更好地总结和归纳实验规律，理解和掌握实验原理。部分实验改进思路如表１所示。3.1.3"设计加工实验装置设计加工实验装置需要经历功能需求分析、器材和工具选择、绘制实验装置设计图、加工实验装置、调试和优化实验装置等步骤。1）功能需求分析。根据实验目的和要求，分析要创作的实验装置需要实现什么功能，是否能够满足预期的教学效果和研究需求。2）器材和工具选择。结合实验目的和功能需求分析，从材料特性、成本高低、获得的难易程度、是否环保、是否存在安全隐患等方面，选取符合实际的实验器材和工具，为实验装置的加工和组装作好准备。3）绘制实验装置设计图。根据功能需求分析，结合使用的实验器材和工具，设计改进实验的装置结构、零部件布局、线路连接、数据采集方式等，绘制实验装置设计图。4）加工实验装置。根据实验装置设计图，使用适合的工具进行材料切割、打磨、连接和组装，确保实验装置各部件、各参数符合预期要求。在材料加工和组装的过程中，做好个人防护，避免出现安全事故。5）调试和优化实验装置。实验装置加工完成后，结合功能需求分析，调试实验装置。如果发现与预期功能、效果不符，对照设计依次排查加工实验装置的各个环节，找出存在问题的原因，调整实验装置的结构或更换材料，提高装置性能和效果。3.1.4"应用于教学检验为检验实验改进装置的适用性和价值性，可以按照五个步骤将设计加工的实验装置应用于教学实践。1）教学检验之前，检查实验装置是否存在安全隐患，性能和功能是否符合实验需求。2）根据实验装置的特点和实验需求，从实验目的、实验原理、实验步骤、实验注意事项等方面，编写实验教学指导手册，帮助学生更好地理解和掌握实验装置的使用。3）使用实验装置之前，组织学生学习实验教学指导手册，进行必要的示范操作，让学生准确掌握实验过程中的操作要领和注意事项，更好地理解和掌握实验方法和步骤。实验过程中教师应密切关注学生的实验操作，有针对性地提供帮助和指导。4）实验结束后，教师要指导学生对实验现象、实验结果进行分析和讨论，帮助学生发现实验规律，理解和掌握实验原理，将所学知识拓展应用，解决实际问题。5）客观评估实验装置的适用性和实验教学的效果，并根据检验、反馈结果对实验装置进行优化，增强实验教学的效果，激发学生的科技创新、科普创作兴趣，培养实践能力和创新能力。3.1.5"撰写研究报告完成以上步骤后，从研究背景和目的、教材内容分析、实验改进方案设计、实验装置设计加工、教学检验与应用、研究结论与建议、参考文献等方面撰写项目研究报告，总结归纳实验改进的过程和应用于教学检验的效果，反思研究的价值与不足，为后续的实验教学研究提供借鉴。研究报告的基本要素如表2所示。3.1.6"项目实施评价1）评价方式。通过学生自评、同伴互评、教师评价、报送材料参加科技创新、科普创作竞赛等多种评价方式，客观评价活动过程和创作的实验装置的创新性与价值性。2）评价维度。具体的项目实施评价维度如表3所示。3）评价结果的应用。评价结果作为改进实验教学和科技创新、科普创作活动的依据，教师可以据此调整教学内容和教学方法，提高学生的学习效果和创新能力。同时，评价结果作为学生能力素养提升的衡量指标和推荐其参加各类竞赛项目的重要参考，可以激励学生积极参与科技创新、科普创作活动，提高学习兴趣和动力。3.2"五个实验融合策略3.2.1"用传感技术对实验进行趣味化和智能化设计利用传感技术，将实验数据转化为可处理的数字信号，实现实验的趣味化、智能化、数字化和自动化。利用传感器设计独特的数据采集装置和触发装置，结合有趣的声、光、热、力、电、磁、能等现象，提升实验的趣味性和交互性，避免实验过程的单调乏味，引导学生深入分析实验过程中呈现的现象，加深学生对科学知识的理解[9]。3.2.2"将编程思想融入实验设计与教学实践将编程思想融入实验设计和教学实践，可以增强学生对实验现象的理解，促进他们对科学知识的掌握，有效培养计算能力和创新思维。通过编程软件模拟或辅助不便观察和操作的科学实验，设计可编程性实验（根据需求选择不同的触发条件和控制变量），编程处理和分析实验数据，培养学生的数据处理分析能力、数字化学习与创新能力。3.2.3"在教学中融入人文艺术元素将地方特色文化融入实验教学实践可以增强学生对本土文化的认同感，培养文化自信。研究团队指导学生开展具有地域特色的历史、民俗、风情、建筑、艺术等实践活动项目，提高了学生的学习兴趣，培养了学生的创新能力和综合素质。3.2.4"用VR和AR等技术进行仿真实验利用仿真技术进行实验，可以让学生更直观地认识和理解实验现象与规律，提高学习的学习兴趣和效果，降低实验的设备成本和安全风险。借助VR和AR等技术，学生能够亲身体验一些难以直接观察的科学现象，从而激发学生的好奇心，培养其创造性思维。3.2.5"融入科普科创活动在研究前期设计了以竞赛驱动实验研究，通过教学实践检验、修正研究的方法和思路。设计开发的实验装置不仅可以用于日常教学实践和应用推广，还可以参加科技创新和科普创作竞赛活动，通过专业的竞赛评估研究项目的价值。研究中，不断收集和分析实践过程中获取的反馈信息，全面评估实验装置的适用性、优点与不足，根据实际需求进行优化和改进，迭代研究项目。结合项目迭代的情况整理和编写技术资料，用于实验装置的量产，并投入日常教学，更深入地挖掘项目研究的价值。在科普创作活动中，引导学生将实验教学向社会生产生活延伸，充分运用实验方法和原理，结合实验教学主题，创作小品、小说、剧本、模型、视频等科普作品，开展科普教育实践活动，培养学生的实践能力和创新能力。3.3"四个成果输出路径3.3.1"学术论文发表结合前期研究过程，总结研究经验，讨论和深化实验研究成果，提炼研究的思路方法和技术路线，形成研究论文并发表，分享交流研究成果。3.3.2"学术经验交流开展学术讲座、示范课、研讨会活动，分享研究成果。借助项目实施学校教育人才组团式帮扶的契机，开展跨区域学习交流活动，为教师提供拓宽视野、获取新知识和技能的机会。通过学术交流活动提高教师的教学和研究能力，同时激发学生的科学兴趣和创新意识，为构建“六环五策四路径”学科融合实验教学体系提供学术基础和实践支持。3.3.3"媒体宣传报道为了进一步拓展研究成果，借助媒体报道提升科研成果的社会影响力。建设学科融合实验自媒体平台，定期发布相关研究成果，收集网络评价信息，为优化研究成果提供参考，为其他学段和地区的科学教育和实验教学研究提供借鉴。3.3.4"输出科普、科创作品结合每年开展的青少年科技创新、实验技能、科普创作、科普实验等竞赛活动，将实验研究成果转化为小品、小说、剧本、模型、视频等形式多样的科普作品，将复杂的科学概念转化为公众易于理解的形式，展示师生的创造力，增强公众对科学的兴趣。4"结束语4.1"研究总结实验教学作为学科融合的重要载体，能够有效促进不同学科知识和技能的整合