2024年8月23号~25号，以“科学改变世界、教育成就未来”为主题的第二届科学教育大会暨2024科学教育博览会在杭州国际博览中心举行。2024年9月25号~27号，以“聚焦大科学教育，培养跨学科新质人才”为主题的2024城市中小学科学教育合作发展大会在广东佛山顺德容山中学举行。

一个月间，在两次科学教育全国盛会上，上海市中小学数字化实验系统研发中心副主任、科学教育学博士李鼎均受邀发言。而李鼎博士的两次报告，都紧扣着实验与科学之间深刻关联的主线，一步步强化了“实验夯实学生科学经验、数字化实验促进学生科学认知”的核心观点，引发了与会专家、学者的强烈共鸣。

图1  李鼎博士在第二届科学教育大会上发言

图2  李鼎博士在第二届科学教育大会上发言期间穿插数字化实验现场演示

图3  李鼎博士在2024城市中小学科学教育合作发展大会上发言

以下是李鼎博士两次大会发言的文字概要：

首先，推出报告的思维导图。

图4  李鼎博士发言报告思维导图

1 科学是经验的

恩格斯在《‌自然辩证法》‌中指出，‌近代自然科学是以经验和科学实验作为基础的，‌一切观念都来自经验，‌都是现实的反映。

经验主义（Empiricism）是一种认识论学说，认为人类知识起源于感觉，并以感觉的领会为基础。经验主义诞生于古希腊，发轫于不列颠。恩培多克勒与休谟、洛克及贝克莱一脉相承。

既然科学来自经验，科学教育就必然始自学生对于科学的真实的经历和体验！

2 科学是归纳的

我们都将罗哲尔·培根视作科学精神和科学思想的鼻祖，其实培根的经验主义思想来自于中世纪的经院哲学中对“共相”和“殊相”关系的激烈辩论。最终，唯名论者胜出，他们的“共相存在于殊相之中——只有通过归纳的方法，才能从具体存在（殊相）中获得规律性（共相）”的思想深刻地影响了欧洲思想界。

从个别到一般的思维方法被称为归纳法，或称归纳推理，需要建立在经验——真实观察、因果判断和逻辑思维之上。归纳法并不排斥演绎法，但两者存在先后次序，不能倒置。

3 科学经验来自实验

生活体验是不是经验？是经验，但还不是科学经验。科学经验指的是归纳法指导下的主动经验，是为了寻求事物之间因果关系而开展的行动。而这种行动，一般来说就是实验，而且是控制变量法指导下的实验。

古希腊时代的科学经验主要来自观察，而技术进步则让我们拥有了“拷问自然、获得规律”的能力（吴国盛.什么是科学[M].广州:广东人民出版社,2016:168）。

再看国际科学教育界对“科学经验”这一概念非同一般的关注。在《美国下一代科学教育标准》（NGSS）中检索“Experience”（经验）一词，可得 463个结果；而在《美国实验室报告：高中科学实验教学》（American’s Lab Report: Investigation in High School Science）中检索“Experience”（经验）一词，可得 893 个结果。该报告进而指出：科学教育是21世纪教育的重要组成部分，实验室经验是其基础和独特的一部分（Science education, of which laboratory experiences are a fundamental and unique part, is a critical component of education for the 21st century）。由此可见，科学经验主要来自实验教学。

4 实验是科学教育的基础

实验，提供了从现象观察、条件设定、控制变量、因果判断、迁移演绎到证实证伪的一系列真实经验。

实验，是现代数理科学的基础，因此也就理所当然地成为了现代科学教育的基础。

在黑板上画实验、让学生看实验录像等剥夺了学生真实科学经验的做法，都是科学教育中的弄虚作假。但现在，很多学校的实验室里空空荡荡，科技活动室里面熙熙攘攘。这明显是本末倒置——没有筑牢课堂教学的根基，搞不懂基本的科学原理，所谓的科技活动也只能在现成的商业化电子的套件基础上的比葫芦画瓢，哪来自主创新？但学校为什么要这么做？因为短视！因为功利！搞实验教学没啥现实收益，且耗费的时间多，影响了学生刷题，威胁到学生的考分；而学校的科技活动仅仅动员几个人，就能给学校搏来奖状奖牌！在这个判断过程中，校长和老师们不仅没有意识到中考甚至高考都不能作为学生学业发展的真正评价指标，学生进入社会15～20年后的成就才能作为教育是否成功的评价依据，而且他们偷梁换柱的科学教育实际上已经构成了对科学本身的反动！

5 实验的基本要素

人、被测物、实验环境（装置）、测量工具

6 测量工具的进步推动了实验的发展

阿基米德时代

伽利略时代

牛顿时代

……

无数实验的发展直接推动了科学的发展

7 科学发展了，实验教学有没有跟上？

图5、6、7

图8、9、10

给大家看几幅古早的物理教材中的仪器插图，大家是不是能认得？是的。大部分能识别出来：5-10分别是马德堡半球、热胀冷缩、牛顿管、连通器、圆周运动和力的平行四边形法则实验器。

再给大家看看这到底是哪一本书里的插图：

图11  清末物理教材——《形性学要》

这本书叫《形性学要》，是我师父冯容士老师多年前在旧书摊上买下的。该书是清末引进的西方物理教材中文版，出版于光绪二十五年，西历（公元）1899年。

为什么大家都能认出这么古早的教材里的实验仪器？唯一的解释就是：这一百来年间，实验教学的进步实在是太缓慢了！

8 数字时代呼唤数字化实验

传统的实验手段帮助人类拷问了自然、获得了规律，让我们的科学大厦平地而起。

但用传统实验拷问自然，过程是断续的，结果是零散的，效率是低下的，对认知的支持也是有限的。

以至于至本世纪初，很多新教材设计了新实验但没有相应仪器，实验做不出来。很多实验有器材但做不好，学生厌烦、教师抱怨…

9 数字化实验应运而生

2002年，上海市中小学数字化实验系统研发中心成立。所研发的数字化实验系统被命名为DIS——Digital Information System，特指使用传感器、数据采集器等收集实验数据，使用计算机分析实验数据、得出实验结果的现代化实验方式，可借助互联网开展对实验分析、评价。

图12  数字化实验构成了实验数据采集、分析和自动控制的完美闭环

图13  中学物理实验课上的DIS数字化实验场景（2018年11月18日摄于第十三届全国中学物理青年教师教学大赛期间，三水中学的李晓雯老师正在执教《探究加速度与力，质量的关系》一课）

图14  小学科学数字化实验场景——上海研发“三个助手”，助推中小学教学数字化转型（《中国教育报》2022年12月20日发布）。照片摄于上海市闸北田家炳小学，王玉婷老师使用数字化实验方式执教《滑轮》一课

10 数字化实验的本质

数字化实验（DIS），就是借助信息技术的增强现实AR——Augmented Reality

●强化数据表现●提炼实验过程●完成数形转换

●表征因果规律●扩展研究场域●促进认知迁移

11 实验，需要数字化

Hilda Taba在《课程开发：理论与实践》中指出，课程内容分为四个水平：

（1）具体事实与过程；（2）基本观念；（3）概念；（4）思想体系。其中，掌握“具体事实与过程”的作用是相当有限的。因为这类知识具有静态性，是死胡同，掌握它们不会产生新观念，不会将学生的思想引向前方。而只有将“基本观念”、“概念”和“思想体系”在“具体事实与过程”的基础上有机地联系起来，才能为学生的“洞见与理解”提供情境！

由于在Taba看来，认知=观念→概念→思想体系。也就是说，仅有直接经验还是远远不够的。所以，尽管实验不可或缺，但教师不能驻足于实验，而是应该在学生借助实验教学获得科学经验的同时，积极主动地通过归纳和提升，促进学生完成从科学经验到科学认知的有效转化。经过世界范围内的教学应用验证，传统实验教学的升级版——具有AR功能的数字化实验具有不可替代的作用。

因此，一方面，科学教育，离不开实验教学。另一方面，实验教学更应该及早过渡到数字化实验阶段！ 

12 上海市中小学数字化实验系统研发中心的1、2、3、4

成立22年以来，上海市中小学数字化实验系统研发中心取得的主要成果有：

1次上海市教学成果特等奖

2次国家级教学成果一等奖

3研发成果覆盖小初高三个学段，进入上海市教育数字化转型“三个助手”平台

4次荣获世教联（WorldDIDAC）教学仪器创新大奖，包揽中国教育装备行业全部国际荣誉

展望未来，上海市中小学数字化实验系统研发中心将继续努力，沿着AR的路径，在中小学实验教学数字化领域不断创新突破，为科学教育大厦添砖加瓦。