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，培養跨學科新質人才”為主題的2024城市中小學科學教育合作發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，上海市中小學數字化實驗系統研發中心副主任、科學教育學博士李鼎均受邀發言。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的主線，一步步強化了“實驗夯實學生科學經驗、數字化實驗促進學生科學認知”的核心觀點，引發了與會專家、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言
圖2 李鼎博士在第二屆科學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城市中小學科學教育合作發展大會上發言
以下是李鼎博士兩次大會發言的文字概要：
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 科學是經驗的
恩格斯在《?自然辯證法》?中指出，?近代自然科學是以經驗和科學實驗作為基礎的，?一切觀念都來自經驗，?都是現實的反映。
經驗主義（Empiricism）是一種認識論學說，認為人類知識起源于感覺，并以感覺的領會為基礎。經驗主義誕生于古希臘，發軔于不列顛。恩培多克勒與休謨、洛克及貝克萊一脈相承。
既然科學來自經驗，科學教育就必然始自學生對于科學的真實的經歷和體驗！
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，其實培根的經驗主義思想來自于中世紀的經院哲學中對“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 科學經驗來自實驗
生活體驗是不是經驗？是經驗，但還不是科學經驗。科學經驗指的是歸納法指導下的主動經驗，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”（經驗）一詞，可得 463個結果；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”（經驗）一詞，可得 893 個結果。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驗。
實驗，是現代數理科學的基礎，因此也就理所當然地成為了現代科學教育的基礎。
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驗的做法，都是科學教育中的弄虛作假。但現在，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成的商業化電子的套件基礎上的比葫蘆畫瓢，哪來自主創新？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發展的真正評價指標，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，而且他們偷梁換柱的科學教育實際上已經構成了對科學本身的反動！
5 實驗的基本要素
人、被測物、實驗環境（裝置）、測量工具
6 測量工具的進步推動了實驗的發展
阿基米德時代
伽利略時代
牛頓時代
……
無數實驗的發展直接推動了科學的發展
7 科學發展了，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》，是我師父馮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，讓我們的科學大廈平地而起。
但用傳統實驗拷問自然，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 數字化實驗應運而生
2002年，上海市中小學數字化實驗系統研發中心成立。所研發的數字化實驗系統被命名為DIS——Digital Information System，特指使用傳感器、數據采集器等收集實驗數據，使用計算機分析實驗數據、得出實驗結果的現代化實驗方式，可借助互聯網開展對實驗分析、評價。
圖12 數字化實驗構成了實驗數據采集、分析和自動控制的完美閉環
圖13 中學物理實驗課上的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教《探究加速度與力，質量的關系》一課）
圖14 小學科學數字化實驗場景——上海研發“三個助手”，助推中小學教學數字化轉型（《中國教育報》2022年12月20日發布）。照片攝于上海市閘北田家炳小學，王玉婷老師使用數字化實驗方式執教《滑輪》一課
10 數字化實驗的本質
數字化實驗（DIS），就是借助信息技術的增強現實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：理論與實踐》中指出，課程內容分為四個水平：
（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性，是死胡同，掌握它們不會產生新觀念，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驗到科學認知的有效轉化。經過世界范圍內的教學應用驗證，傳統實驗教學的升級版——具有AR功能的數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字化實驗階段！
12 上海市中小學數字化實驗系統研發中心的1、2、3、4
成立22年以來，上海市中小學數字化實驗系統研發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研發成果覆蓋小初高三個學段，進入上海市教育數字化轉型“三個助手”平臺
4次榮獲世教聯（WorldDIDAC）教學儀器創新大獎，包攬中國教育裝備行業全部國際榮譽
展望未來，上海市中小學數字化實驗系統研發中心將繼續努力，沿著AR的路徑，在中小學實驗教學數字化領域不斷創新突破，為科學教育大廈添磚加瓦。
