2024年8月23号~25号，以“科(kē)學(xué)改變世界、教育成就未來”為(wèi)主題的第二屆科(kē)學(xué)教育大會暨2024科(kē)學(xué)教育博覽會在杭州國(guó)際博覽中(zhōng)心舉行。2024年9月25号~27号，以“聚焦大科(kē)學(xué)教育，培養跨學(xué)科(kē)新(xīn)質(zhì)人才”為(wèi)主題的2024城市中(zhōng)小(xiǎo)學(xué)科(kē)學(xué)教育合作(zuò)發展大會在廣東佛山(shān)順德(dé)容山(shān)中(zhōng)學(xué)舉行。

一個月間，在兩次科(kē)學(xué)教育全國(guó)盛會上，上海市中(zhōng)小(xiǎo)學(xué)數字化實驗系統研發中(zhōng)心副主任、科(kē)學(xué)教育學(xué)博士李鼎均受邀發言。而李鼎博士的兩次報告，都緊扣着實驗與科(kē)學(xué)之間深刻關聯的主線(xiàn)，一步步強化了“實驗夯實學(xué)生科(kē)學(xué)經驗、數字化實驗促進學(xué)生科(kē)學(xué)認知”的核心觀點，引發了與會專家、學(xué)者的強烈共鳴。

圖1  李鼎博士在第二屆科(kē)學(xué)教育大會上發言

圖2  李鼎博士在第二屆科(kē)學(xué)教育大會上發言期間穿插數字化實驗現場演示

圖3  李鼎博士在2024城市中(zhōng)小(xiǎo)學(xué)科(kē)學(xué)教育合作(zuò)發展大會上發言

以下是李鼎博士兩次大會發言的文(wén)字概要：

首先，推出報告的思維導圖。

圖4  李鼎博士發言報告思維導圖

1 科(kē)學(xué)是經驗的

恩格斯在《‌自然辯證法》‌中(zhōng)指出，‌近代自然科(kē)學(xué)是以經驗和科(kē)學(xué)實驗作(zuò)為(wèi)基礎的，‌一切觀念都來自經驗，‌都是現實的反映。

經驗主義（Empiricism）是一種認識論學(xué)說，認為(wèi)人類知識起源于感覺，并以感覺的領會為(wèi)基礎。經驗主義誕生于古希臘，發轫于不列颠。恩培多(duō)克勒與休谟、洛克及貝克萊一脈相承。

既然科(kē)學(xué)來自經驗，科(kē)學(xué)教育就必然始自學(xué)生對于科(kē)學(xué)的真實的經曆和體(tǐ)驗！

2 科(kē)學(xué)是歸納的

我們都将羅哲爾·培根視作(zuò)科(kē)學(xué)精(jīng)神和科(kē)學(xué)思想的鼻祖，其實培根的經驗主義思想來自于中(zhōng)世紀的經院哲學(xué)中(zhōng)對“共相”和“殊相”關系的激烈辯論。最終，唯名(míng)論者勝出，他(tā)們的“共相存在于殊相之中(zhōng)——隻有(yǒu)通過歸納的方法，才能(néng)從具(jù)體(tǐ)存在（殊相）中(zhōng)獲得規律性（共相）”的思想深刻地影響了歐洲思想界。

從個别到一般的思維方法被稱為(wèi)歸納法，或稱歸納推理(lǐ)，需要建立在經驗——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，但兩者存在先後次序，不能(néng)倒置。

3 科(kē)學(xué)經驗來自實驗

生活體(tǐ)驗是不是經驗？是經驗，但還不是科(kē)學(xué)經驗。科(kē)學(xué)經驗指的是歸納法指導下的主動經驗，是為(wèi)了尋求事物(wù)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(kē)學(xué)經驗主要來自觀察，而技(jì )術進步則讓我們擁有(yǒu)了“拷問自然、獲得規律”的能(néng)力（吳國(guó)盛.什麽是科(kē)學(xué)[M].廣州:廣東人民(mín)出版社,2016:168）。

再看國(guó)際科(kē)學(xué)教育界對“科(kē)學(xué)經驗”這一概念非同一般的關注。在《美國(guó)下一代科(kē)學(xué)教育标準》（NGSS）中(zhōng)檢索“Experience”（經驗）一詞，可(kě)得 463個結果；而在《美國(guó)實驗室報告：高中(zhōng)科(kē)學(xué)實驗教學(xué)》（American’s Lab Report: Investigation in High School Science）中(zhōng)檢索“Experience”（經驗）一詞，可(kě)得 893 個結果。該報告進而指出：科(kē)學(xué)教育是21世紀教育的重要組成部分(fēn)，實驗室經驗是其基礎和獨特的一部分(fēn)（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(kě)見，科(kē)學(xué)經驗主要來自實驗教學(xué)。

4 實驗是科(kē)學(xué)教育的基礎

實驗，提供了從現象觀察、條件設定、控制變量、因果判斷、遷移演繹到證實證僞的一系列真實經驗。

實驗，是現代數理(lǐ)科(kē)學(xué)的基礎，因此也就理(lǐ)所當然地成為(wèi)了現代科(kē)學(xué)教育的基礎。

在黑闆上畫實驗、讓學(xué)生看實驗錄像等剝奪了學(xué)生真實科(kē)學(xué)經驗的做法，都是科(kē)學(xué)教育中(zhōng)的弄虛作(zuò)假。但現在，很(hěn)多(duō)學(xué)校的實驗室裏空空蕩蕩，科(kē)技(jì )活動室裏面熙熙攘攘。這明顯是本末倒置——沒有(yǒu)築牢課堂教學(xué)的根基，搞不懂基本的科(kē)學(xué)原理(lǐ)，所謂的科(kē)技(jì )活動也隻能(néng)在現成的商(shāng)業化電(diàn)子的套件基礎上的比葫蘆畫瓢，哪來自主創新(xīn)？但學(xué)校為(wèi)什麽要這麽做？因為(wèi)短視！因為(wèi)功利！搞實驗教學(xué)沒啥現實收益，且耗費的時間多(duō)，影響了學(xué)生刷題，威脅到學(xué)生的考分(fēn)；而學(xué)校的科(kē)技(jì )活動僅僅動員幾個人，就能(néng)給學(xué)校搏來獎狀獎牌！在這個判斷過程中(zhōng)，校長(cháng)和老師們不僅沒有(yǒu)意識到中(zhōng)考甚至高考都不能(néng)作(zuò)為(wèi)學(xué)生學(xué)業發展的真正評價指标，學(xué)生進入社會15～20年後的成就才能(néng)作(zuò)為(wèi)教育是否成功的評價依據，而且他(tā)們偷梁換柱的科(kē)學(xué)教育實際上已經構成了對科(kē)學(xué)本身的反動！

5 實驗的基本要素

人、被測物(wù)、實驗環境（裝(zhuāng)置）、測量工(gōng)具(jù)

6 測量工(gōng)具(jù)的進步推動了實驗的發展

阿基米德(dé)時代

伽利略時代

牛頓時代

……

無數實驗的發展直接推動了科(kē)學(xué)的發展

7 科(kē)學(xué)發展了，實驗教學(xué)有(yǒu)沒有(yǒu)跟上？

圖5、6、7

圖8、9、10

給大家看幾幅古早的物(wù)理(lǐ)教材中(zhōng)的儀器插圖，大家是不是能(néng)認得？是的。大部分(fēn)能(néng)識别出來：5-10分(fēn)别是馬德(dé)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裏的插圖：

圖11  清末物(wù)理(lǐ)教材——《形性學(xué)要》

這本書叫《形性學(xué)要》，是我師父馮容士老師多(duō)年前在舊書攤上買下的。該書是清末引進的西方物(wù)理(lǐ)教材中(zhōng)文(wén)版，出版于光緒二十五年，西曆（公(gōng)元）1899年。

為(wèi)什麽大家都能(néng)認出這麽古早的教材裏的實驗儀器？唯一的解釋就是：這一百來年間，實驗教學(xué)的進步實在是太緩慢了！

8 數字時代呼喚數字化實驗

傳統的實驗手段幫助人類拷問了自然、獲得了規律，讓我們的科(kē)學(xué)大廈平地而起。

但用(yòng)傳統實驗拷問自然，過程是斷續的，結果是零散的，效率是低下的，對認知的支持也是有(yǒu)限的。

以至于至本世紀初，很(hěn)多(duō)新(xīn)教材設計了新(xīn)實驗但沒有(yǒu)相應儀器，實驗做不出來。很(hěn)多(duō)實驗有(yǒu)器材但做不好，學(xué)生厭煩、教師抱怨…

9 數字化實驗應運而生

2002年，上海市中(zhōng)小(xiǎo)學(xué)數字化實驗系統研發中(zhōng)心成立。所研發的數字化實驗系統被命名(míng)為(wèi)DIS——Digital Information System，特指使用(yòng)傳感器、數據采集器等收集實驗數據，使用(yòng)計算機分(fēn)析實驗數據、得出實驗結果的現代化實驗方式，可(kě)借助互聯網開展對實驗分(fēn)析、評價。

圖12  數字化實驗構成了實驗數據采集、分(fēn)析和自動控制的完美閉環

圖13  中(zhōng)學(xué)物(wù)理(lǐ)實驗課上的DIS數字化實驗場景（2018年11月18日攝于第十三屆全國(guó)中(zhōng)學(xué)物(wù)理(lǐ)青年教師教學(xué)大賽期間，三水中(zhōng)學(xué)的李曉雯老師正在執教《探究加速度與力，質(zhì)量的關系》一課）

圖14  小(xiǎo)學(xué)科(kē)學(xué)數字化實驗場景——上海研發“三個助手”，助推中(zhōng)小(xiǎo)學(xué)教學(xué)數字化轉型（《中(zhōng)國(guó)教育報》2022年12月20日發布）。照片攝于上海市閘北田家炳小(xiǎo)學(xué)，王玉婷老師使用(yòng)數字化實驗方式執教《滑輪》一課

10 數字化實驗的本質(zhì)

數字化實驗（DIS），就是借助信息技(jì )術的增強現實AR——Augmented Reality

●強化數據表現●提煉實驗過程●完成數形轉換

●表征因果規律●擴展研究場域●促進認知遷移

11 實驗，需要數字化

Hilda Taba在《課程開發：理(lǐ)論與實踐》中(zhōng)指出，課程内容分(fēn)為(wèi)四個水平：

（1）具(jù)體(tǐ)事實與過程；（2）基本觀念；（3）概念；（4）思想體(tǐ)系。其中(zhōng)，掌握“具(jù)體(tǐ)事實與過程”的作(zuò)用(yòng)是相當有(yǒu)限的。因為(wèi)這類知識具(jù)有(yǒu)靜态性，是死胡同，掌握它們不會産(chǎn)生新(xīn)觀念，不會将學(xué)生的思想引向前方。而隻有(yǒu)将“基本觀念”、“概念”和“思想體(tǐ)系”在“具(jù)體(tǐ)事實與過程”的基礎上有(yǒu)機地聯系起來，才能(néng)為(wèi)學(xué)生的“洞見與理(lǐ)解”提供情境！

由于在Taba看來，認知=觀念→概念→思想體(tǐ)系。也就是說，僅有(yǒu)直接經驗還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。所以，盡管實驗不可(kě)或缺，但教師不能(néng)駐足于實驗，而是應該在學(xué)生借助實驗教學(xué)獲得科(kē)學(xué)經驗的同時，積極主動地通過歸納和提升，促進學(xué)生完成從科(kē)學(xué)經驗到科(kē)學(xué)認知的有(yǒu)效轉化。經過世界範圍内的教學(xué)應用(yòng)驗證，傳統實驗教學(xué)的升級版——具(jù)有(yǒu)AR功能(néng)的數字化實驗具(jù)有(yǒu)不可(kě)替代的作(zuò)用(yòng)。

因此，一方面，科(kē)學(xué)教育，離不開實驗教學(xué)。另一方面，實驗教學(xué)更應該及早過渡到數字化實驗階段！ 

12 上海市中(zhōng)小(xiǎo)學(xué)數字化實驗系統研發中(zhōng)心的1、2、3、4

成立22年以來，上海市中(zhōng)小(xiǎo)學(xué)數字化實驗系統研發中(zhōng)心取得的主要成果有(yǒu)：

1次上海市教學(xué)成果特等獎

2次國(guó)家級教學(xué)成果一等獎

3研發成果覆蓋小(xiǎo)初高三個學(xué)段，進入上海市教育數字化轉型“三個助手”平台

4次榮獲世教聯（WorldDIDAC）教學(xué)儀器創新(xīn)大獎，包攬中(zhōng)國(guó)教育裝(zhuāng)備行業全部國(guó)際榮譽

展望未來，上海市中(zhōng)小(xiǎo)學(xué)數字化實驗系統研發中(zhōng)心将繼續努力，沿着AR的路徑，在中(zhōng)小(xiǎo)學(xué)實驗教學(xué)數字化領域不斷創新(xīn)突破，為(wèi)科(kē)學(xué)教育大廈添磚加瓦。