2024年8月23號~25號，以“科學改變世界、教育成就未來”為主題的第二屆科學教育大會暨2024科學教育博覽會在杭州國際博覽中心舉行。2024年9月25號~27號，以“聚焦大科學教育，培養(yǎng)跨學科新質(zhì)人才”為主題的2024城市中小學科學教育合作發(fā)展大會在廣東佛山順德容山中學舉行。
一個月間，在兩次科學教育全國盛會上，上海市中小學數(shù)字化實驗系統(tǒng)研發(fā)中心副主任、科學教育學博士李鼎均受邀發(fā)言。而李鼎博士的兩次報告，都緊扣著實驗與科學之間深刻關聯(lián)的主線，一步步強化了“實驗夯實學生科學經(jīng)驗、數(shù)字化實驗促進學生科學認知”的核心觀點，引發(fā)了與會專家、學者的強烈共鳴。
圖1 李鼎博士在第二屆科學教育大會上發(fā)言
圖2 李鼎博士在第二屆科學教育大會上發(fā)言期間穿插數(shù)字化實驗現(xiàn)場演示
圖3 李鼎博士在2024城市中小學科學教育合作發(fā)展大會上發(fā)言
以下是李鼎博士兩次大會發(fā)言的文字概要：
首先，推出報告的思維導圖。
圖4 李鼎博士發(fā)言報告思維導圖
1 科學是經(jīng)驗的
恩格斯在《?自然辯證法》?中指出，?近代自然科學是以經(jīng)驗和科學實驗作為基礎的，?一切觀念都來自經(jīng)驗，?都是現(xiàn)實的反映。
經(jīng)驗主義（Empiricism）是一種認識論學說，認為人類知識起源于感覺，并以感覺的領會為基礎。經(jīng)驗主義誕生于古希臘，發(fā)軔于不列顛。恩培多克勒與休謨、洛克及貝克萊一脈相承。
既然科學來自經(jīng)驗，科學教育就必然始自學生對于科學的真實的經(jīng)歷和體驗！
2 科學是歸納的
我們都將羅哲爾·培根視作科學精神和科學思想的鼻祖，其實培根的經(jīng)驗主義思想來自于中世紀的經(jīng)院哲學中對“共相”和“殊相”關系的激烈辯論。最終，唯名論者勝出，他們的“共相存在于殊相之中——只有通過歸納的方法，才能從具體存在（殊相）中獲得規(guī)律性（共相）”的思想深刻地影響了歐洲思想界。
從個別到一般的思維方法被稱為歸納法，或稱歸納推理，需要建立在經(jīng)驗——真實觀察、因果判斷和邏輯思維之上。歸納法并不排斥演繹法，但兩者存在先后次序，不能倒置。
3 科學經(jīng)驗來自實驗
生活體驗是不是經(jīng)驗？是經(jīng)驗，但還不是科學經(jīng)驗。科學經(jīng)驗指的是歸納法指導下的主動經(jīng)驗，是為了尋求事物之間因果關系而開展的行動。而這種行動，一般來說就是實驗，而且是控制變量法指導下的實驗。
古希臘時代的科學經(jīng)驗主要來自觀察，而技術進步則讓我們擁有了“拷問自然、獲得規(guī)律”的能力（吳國盛.什么是科學[M].廣州:廣東人民出版社,2016:168）。
再看國際科學教育界對“科學經(jīng)驗”這一概念非同一般的關注。在《美國下一代科學教育標準》（NGSS）中檢索“Experience”（經(jīng)驗）一詞，可得 463個結(jié)果；而在《美國實驗室報告：高中科學實驗教學》（American’s Lab Report: Investigation in High School Science）中檢索“Experience”（經(jīng)驗）一詞，可得 893 個結(jié)果。該報告進而指出：科學教育是21世紀教育的重要組成部分，實驗室經(jīng)驗是其基礎和獨特的一部分（Science education, of which laboratory experiences are a fundamental and unique part, is a critical component of education for the 21st century）。由此可見，科學經(jīng)驗主要來自實驗教學。
4 實驗是科學教育的基礎
實驗，提供了從現(xiàn)象觀察、條件設定、控制變量、因果判斷、遷移演繹到證實證偽的一系列真實經(jīng)驗。
實驗，是現(xiàn)代數(shù)理科學的基礎，因此也就理所當然地成為了現(xiàn)代科學教育的基礎。
在黑板上畫實驗、讓學生看實驗錄像等剝奪了學生真實科學經(jīng)驗的做法，都是科學教育中的弄虛作假。但現(xiàn)在，很多學校的實驗室里空空蕩蕩，科技活動室里面熙熙攘攘。這明顯是本末倒置——沒有筑牢課堂教學的根基，搞不懂基本的科學原理，所謂的科技活動也只能在現(xiàn)成的商業(yè)化電子的套件基礎上的比葫蘆畫瓢，哪來自主創(chuàng)新？但學校為什么要這么做？因為短視！因為功利！搞實驗教學沒啥現(xiàn)實收益，且耗費的時間多，影響了學生刷題，威脅到學生的考分；而學校的科技活動僅僅動員幾個人，就能給學校搏來獎狀獎牌！在這個判斷過程中，校長和老師們不僅沒有意識到中考甚至高考都不能作為學生學業(yè)發(fā)展的真正評價指標，學生進入社會15～20年后的成就才能作為教育是否成功的評價依據(jù)，而且他們偷梁換柱的科學教育實際上已經(jīng)構成了對科學本身的反動！
5 實驗的基本要素
人、被測物、實驗環(huán)境（裝置）、測量工具
6 測量工具的進步推動了實驗的發(fā)展
阿基米德時代
伽利略時代
牛頓時代
……
無數(shù)實驗的發(fā)展直接推動了科學的發(fā)展
7 科學發(fā)展了，實驗教學有沒有跟上？
圖5、6、7
圖8、9、10
給大家看幾幅古早的物理教材中的儀器插圖，大家是不是能認得？是的。大部分能識別出來：5-10分別是馬德堡半球、熱脹冷縮、牛頓管、連通器、圓周運動和力的平行四邊形法則實驗器。
再給大家看看這到底是哪一本書里的插圖：
圖11 清末物理教材——《形性學要》
這本書叫《形性學要》，是我?guī)煾格T容士老師多年前在舊書攤上買下的。該書是清末引進的西方物理教材中文版，出版于光緒二十五年，西歷（公元）1899年。
為什么大家都能認出這么古早的教材里的實驗儀器？唯一的解釋就是：這一百來年間，實驗教學的進步實在是太緩慢了！
8 數(shù)字時代呼喚數(shù)字化實驗
傳統(tǒng)的實驗手段幫助人類拷問了自然、獲得了規(guī)律，讓我們的科學大廈平地而起。
但用傳統(tǒng)實驗拷問自然，過程是斷續(xù)的，結(jié)果是零散的，效率是低下的，對認知的支持也是有限的。
以至于至本世紀初，很多新教材設計了新實驗但沒有相應儀器，實驗做不出來。很多實驗有器材但做不好，學生厭煩、教師抱怨…
9 數(shù)字化實驗應運而生
2002年，上海市中小學數(shù)字化實驗系統(tǒng)研發(fā)中心成立。所研發(fā)的數(shù)字化實驗系統(tǒng)被命名為DIS——Digital Information System，特指使用傳感器、數(shù)據(jù)采集器等收集實驗數(shù)據(jù)，使用計算機分析實驗數(shù)據(jù)、得出實驗結(jié)果的現(xiàn)代化實驗方式，可借助互聯(lián)網(wǎng)開展對實驗分析、評價。
圖12 數(shù)字化實驗構成了實驗數(shù)據(jù)采集、分析和自動控制的完美閉環(huán)
圖13 中學物理實驗課上的DIS數(shù)字化實驗場景（2018年11月18日攝于第十三屆全國中學物理青年教師教學大賽期間，三水中學的李曉雯老師正在執(zhí)教《探究加速度與力，質(zhì)量的關系》一課）
圖14 小學科學數(shù)字化實驗場景——上海研發(fā)“三個助手”，助推中小學教學數(shù)字化轉(zhuǎn)型（《中國教育報》2022年12月20日發(fā)布）。照片攝于上海市閘北田家炳小學，王玉婷老師使用數(shù)字化實驗方式執(zhí)教《滑輪》一課
10 數(shù)字化實驗的本質(zhì)
數(shù)字化實驗（DIS），就是借助信息技術的增強現(xiàn)實AR——Augmented Reality
●強化數(shù)據(jù)表現(xiàn)●提煉實驗過程●完成數(shù)形轉(zhuǎn)換
●表征因果規(guī)律●擴展研究場域●促進認知遷移
11 實驗，需要數(shù)字化
Hilda Taba在《課程開發(fā)：理論與實踐》中指出，課程內(nèi)容分為四個水平：
（1）具體事實與過程；（2）基本觀念；（3）概念；（4）思想體系。其中，掌握“具體事實與過程”的作用是相當有限的。因為這類知識具有靜態(tài)性，是死胡同，掌握它們不會產(chǎn)生新觀念，不會將學生的思想引向前方。而只有將“基本觀念”、“概念”和“思想體系”在“具體事實與過程”的基礎上有機地聯(lián)系起來，才能為學生的“洞見與理解”提供情境！
由于在Taba看來，認知=觀念→概念→思想體系。也就是說，僅有直接經(jīng)驗還是遠遠不夠的。所以，盡管實驗不可或缺，但教師不能駐足于實驗，而是應該在學生借助實驗教學獲得科學經(jīng)驗的同時，積極主動地通過歸納和提升，促進學生完成從科學經(jīng)驗到科學認知的有效轉(zhuǎn)化。經(jīng)過世界范圍內(nèi)的教學應用驗證，傳統(tǒng)實驗教學的升級版——具有AR功能的數(shù)字化實驗具有不可替代的作用。
因此，一方面，科學教育，離不開實驗教學。另一方面，實驗教學更應該及早過渡到數(shù)字化實驗階段！
12 上海市中小學數(shù)字化實驗系統(tǒng)研發(fā)中心的1、2、3、4
成立22年以來，上海市中小學數(shù)字化實驗系統(tǒng)研發(fā)中心取得的主要成果有：
1次上海市教學成果特等獎
2次國家級教學成果一等獎
3研發(fā)成果覆蓋小初高三個學段，進入上海市教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型“三個助手”平臺
4次榮獲世教聯(lián)（WorldDIDAC）教學儀器創(chuàng)新大獎，包攬中國教育裝備行業(yè)全部國際榮譽
展望未來，上海市中小學數(shù)字化實驗系統(tǒng)研發(fā)中心將繼續(xù)努力，沿著AR的路徑，在中小學實驗教學數(shù)字化領域不斷創(chuàng)新突破，為科學教育大廈添磚加瓦。
