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实验是科学研究的基本方法之一，实验教学是中小学教育工作中的重要组成部分，对于培养学生的核心素养，提升学生的自主探究能力、动手操作能力、观察分析能力、数据处理能力等有着重要意义。
正视中小学实验教学中的问题
为全面了解我国中小学实验教学现状并揭示其问题，研究者曾经对全国十省市部分学校进行调研。样本的选取按照不同地区、城乡，以及不同类型学校抽取。分别选取了东部（北京市、江苏省、福建省）、中部（山西省、湖北省、江西省、河南省）和西部（四川省、甘肃省、广西壮族自治区）10个省（区、市）;在每省（区、市）各抽取城镇和农村，选取好、中、差的学校各1 所（初二年级和高二年级的2个班级）;采用问卷调查与访谈相结合的调查方法，对学生所在年级的教师进行了访谈。调查表明，在实验教学方面，有些地区或学校还不同程度地存在着问题。在长期应试教育的环境下，教师已经熟练地掌握了应对实验题目的方法与技巧，实验课上只要求学生全面把握教材或考试说明中每个实验的原理和方法，而有些实验很少做或基本不做。在课堂上，许多分组实验，采取全班一起做同一实验，其实验数据与实验结果均可共享，其结果是学生会做与不会做均能过关。在实验条件方面，有些地区或学校不同程度地存在着实验室设备陈旧、功能区域布局欠妥、实验仪器损坏严重、实验基础材料不足甚至有些实验药品过期等较为普遍的现象。在实验教师队伍方面，专职实验教师比较少，相當一部分实验教师由科任教师兼任，还有一些是临时人员或者行政人员，实验教师队伍结构失衡、素质不齐、待遇偏低等都影响了实验教学的整体质量。有些地区或学校还不同程度地存在着实验课程和教材设计等方面的问题。
提高中小学实验教学质量的思考
针对上述问题，要进一步提高中小学实验教学的整体质量，就要认真贯彻落实2019年11月20日教育部颁布的《关于加强和改进中小学实验教学的意见》（以下简称《意见》）。《意见》指出实验教学是国家课程方案和课程标准规定的重要教学内容，是培养创新人才的重要途径。
顶层设计实验课程，构建与课程标准统一的实验教学体系
实验教学是中小学必须完成的教学任务。要提高实验教学质量，培养高素质人才，实验教学不能只靠教师讲，而应充分利用实验资源，直接开展相关教学。学校要按照实验教学目的顶层设计实验课程，构建与课程标准相统一的实验教学体系。
第一，从实验教学目的、实验教学内容、实验教学方式和实验教学资源等多个层面、多个角度、多个途径思考和开展实验教学课程体系建设。要针对不同学段的实验教学目的，精心设计实验教学内容，组织开展好基础性实验和拓展性实验（含探究性实验、创新性实验、综合性实验等）。实验教学方式要注重与多学科融合教育、编程教育、创客教育、人工智能教育、社会实践等有机融合，有条件的地区可以开发地方课程和校本课程。实验资源的建设，无论是实验资源的直接利用，还是实验资源的改造利用，或是实验资源的共建共用，都要保障实验资源对实验教学的支持和服务。
第二，把握实验教学目的的系统性，实验教学目的的划分只是相对概念，不能将它们割裂处理。实验教学着力提升学生的观察能力、动手实践能力、创造性思维能力和团队合作能力，培育学生的兴趣爱好、创新精神、科学素养和意志品质。
第三，实验资源建设要接受课程开发的统领，立足于实验教学目的，支撑起实验教学实践，服务于实验教学整体效益。实现教学目的的实验资源可能存在多种，课程设计时要考虑各种资源的可获得性、可行性及有效性，避免来者不拒、多多益善，谨防资源干扰实践的情况出现。
创新实验教学方式，务虚与务实相结合
实验是教学活动的一个重要环节，对于许多实践性较强的学科，如物理、化学、生物等，实验是学生获取知识参加实践的最主要的手段，对于培养学生实际操作能力和解决问题的实践能力至关重要。而真实实验存在以下问题：有些学校因实验仪器和设备短缺导致部分实验无法在实验室完成;有些实验设备价格昂贵，学生不敢大胆做实验;有些实验需多次重复实验，会产生更多耗材费用;在实验课堂上学生因时间紧而不能充分完成实验;有些自然物理、化学现象，在真实实验室不可能完成;有些过于抽象的物理实验在真实实验室不能完成;有些实验过程速度过快，实验现象一瞬即逝，学生不能清楚仔细地观察。
基于上述问题，实验作为检验理论正确与否的工具，已不完全处在务实的环境中，创新实验教学方式，应务虚与务实相结合。《意见》指出，学校“要丰富实验教学实施形式，综合运用观察、观测、模拟、体验、设计、编程、制作、加工、饲养、种植、参观、调查等多种方式，促进传统实验教学与现代新兴科技有机融合，切实增强实验教学的趣味性和吸引力，提高实验教学质量和效果。对于因受时空限制而在现实世界中无法观察和控制的事物和现象、变化太快或太慢的过程，以及有危险性、破坏性和对环境有危害的实验，可用增强现实、虚拟现实等技术手段呈现”。
借助大数据时代的数字化手段，仿真实验、远程控制实验、综合开放实验等作为新型实验，已成为当今实验教学研究的热点。例如，仿真实验可以仿真模拟在实验室难以完成的实验，弥补学校实验设备和仪器的不足，有效提高实验的演示效果。仿真实验可以仿真抽象的物理、化学实验，可以多次重复实验，实验过程可延缓或随时暂停。仿真实验能为学生开展自主研究性学习提供学习环境，学生可利用仿真软件进行实验探索研究。与此同时，通过对实验环境的整体模拟，使未做过这些实验的学生通过仿真能对实验从局部到整体建立起直观、感性的认识。学生通过仿真实验再做实际实验能达到胸有成竹。此外，仪器可拆卸、可解剖调整，增强了操作、熟悉仪器功能和使用方法的训练。仿真仪器实现模块化，学生可对仪器进行选择和组合，用不同方法和路径完成同一实验目标，培养学生的设计思考能力。通过仿真实验教学，可以充分体现教学指导思想，培养学生在理解的基础上通过思考进行操作，克服在实际实验中出现的盲目操作和“走过场”等现象，使学生切实受益，提高实验教学质量。目前，中学应用的仿真实验种类繁多，其中影响较大的有VCM 仿真实验、CER卓信365仿真实验、智天下虚拟实验室仿真实验和华钧中学虚拟仿真实验系统等。 VCM仿真实验是利用flash 技术开发的最富真实感的实验，可直接在电脑上在线模拟操作。该仿真实验是学生自主获取知识和技能，体验和了解科学探究的过程和方法，形成和提高创新意识，树立科学价值观的活动过程。
CER卓信365仿真实验是面向中学师生设计的开放式教学平台，仿真度高，能模拟完成理化学科教材中涉及的各个实验。操作者可以根据提供的器材，任意搭建实验，改变各项参数，不管操作正确与否，均可以获得与实际相似的现象和结果，对错误的操作，会提出纠正。是一个真正意义的探究式学习平台，有助于激发学生的学习兴趣，有助于学生创新思维和科研素养的培养。
智天下虚拟实验室仿真实验是一款高效理化生学习法。它不仅有高真实度的实验器材与实验步骤，模拟与实际操作高贴合度的实验场景，给学生、教师以身临其境之感;更有游戏场景界面迎合学生心理，吸引注意力，配以原创试题，杜绝千篇一律;还覆盖近几年中高考实验试题，让学生切实感受考题难点、思路和技巧，积累丰富实战经验，使学生对理化生学习产生浓厚兴趣。
华钧中学虚拟仿真实验系统是面向中学生设计研发的独创的场景式教学系统，通过浏览器即可使用。不仅能高仿真地互动做各类实验，而且具备教学导航、教学目标、动手实验、自动演示、系统测试、真人实验视频等各个环节，能让学生对所做过的实验过目不忘，教师利用仿真实验教学效果事半功倍。
加强教学常规监管，将实验教师培训列入培训计划
实验教师在学校实验教学中具有举足轻重的地位，直接影响学校实验课程的建设、实施，以及课程改革的深化和教育质量的提升。为了不断满足教学所需，政府除了按照共性要求统一配置实验资源外，提高中小学实验教学质量，关键是实验教师的教学能力，包括教师对实验资源的直接利用、改造利用和实验资源的开发等。
实验资源的直接利用。可以利用实验器材演示实验，也可以在实验室里开展分组实验和探究实验，还可以利用计算机播放音像资料展示实验过程，或者利用挂图说明实验装置。实验资源的直接利用，需要学校加强教学常规监管，更需要教師严格遵照课程标准要求落实教学任务。
实验资源的改造利用。一方面，政府统一配置的实验资源是按照共性要求提供的，而不同学校、不同教师的情况存在差异，学生基础、教学目标也不同，有必要对实验资源改造后再利用;另一方面，课程改革的深入推进，不断催生新的实验资源，既包括新的内容，也包括新的形态，要使这些实验资源适应教学一线的需求，也需要进行改造。实验资源的改造利用可以从内容、形式、结构、组合等几个方面展开。比如，统一购置的实验视频资源，有些内容比较长，一节课不可能全部播放，根据教学任务就可以截取一段，也可以通过截图抓取相关图片;有的实验器材实验效果不是很明显，可以通过增加放大装置满足课堂环境下的实验演示教学。实验资源的改造利用，具有较强的创新性，需要教师发挥自身的聪明才智，找到最适宜的利用方式，解决课堂教学的容量限定和学生可接受的学习之间的矛盾，提高实验资源的利用效率。
实验资源的开发。开发实验资源是提高实验教学质量的非常重要的一种方式。实践表明，教师具有较高的实验资源开发能力，能够促进学校实验资源的建设，提升实验资源的利用效益。
为了提高中小学实验教师的教学能力，《意见》指出，“各地要对现有相关学科教师实验教学能力进行分析研判，有针对性地制定培训方案，纳入教师培训体系，列入‘国培计划’‘省培计划’，确保到2022年前完成教师实验教学能力全员轮训。”“各地各校要合理核定教师实验教学工作量，把教师实验教学能力、教学水平和教学实绩作为相关学科教师职称评聘、绩效奖励等的重要依据。”“师范院校要按照国家课程标准要求，把实验教学能力列入师范类相应专业基本培养目标。各地要将实验教学能力纳入相关学科教师资格考试和教师招聘必备素质考查。”教师普遍希望创设宽松的实验资源开发与利用环境，也希望参加更多的教科研活动以提高实验资源开发能力。
更新实验教学观念，遵循实验教学特点强化学生实践操作
传统的中小学实验教学局限于师生课堂上的实验，而大数据时代的实验教学将线上与线下一并纳入实验教学，打破了传统实验教学的观念，提供了当代实验教学的一种新的理论构架。传统的实验教学教师占据了绝对的教学空间，大数据时代的实验教学强调课程教学模式的变革，实验教学为学生创设了亲身参与实践的情境，具有获知、激趣、求真、循理、育德等教育功能。实验的功能和探究性学习的特征决定了实验必然是探究性学习的重要途径，给学生留下了个性发展的空间。通过学生自主操作实验，从而掌握物理、化学和生物等学科的知识原理，理解并记忆公式、定律、定理、化学方程式等，从而有效提高学生理化生学习成绩。要提高中小学实验教学质量，实验教师必须更新教学观念，积极参与实验教学教研活动，遵循实验教学特点强化学生实践操作。正如《意见》指出，“学校要将实验教学纳入校本教研，积极组织相关学科教师开展实验教学校本教研活动”。
在实验教学中，教师要依据《意见》展开相关教学工作，让学生在实验过程中能够体味到学习的乐趣，学习到新知识，全面深化实验教学的意义。教师要遵循学科特点，丰富内容，改进方式;注重实效，强化学生实践操作、情境体验、探索求知、亲身感悟和创新创造，着力提升学生的观察能力、动手实践能力、创造性思维能力和团队合作能力，培育学生的兴趣爱好、创新精神、科学素养和意志品质。教师要积极推动学生开展研究型、任务型、项目化、问题式、合作式学习。教师要建议学校向学生开放实验室，方便学生利用课余时间，以独立或小组合作方式开展实验探究。
正视中小学实验教学中的问题
为全面了解我国中小学实验教学现状并揭示其问题，研究者曾经对全国十省市部分学校进行调研。样本的选取按照不同地区、城乡，以及不同类型学校抽取。分别选取了东部（北京市、江苏省、福建省）、中部（山西省、湖北省、江西省、河南省）和西部（四川省、甘肃省、广西壮族自治区）10个省（区、市）;在每省（区、市）各抽取城镇和农村，选取好、中、差的学校各1 所（初二年级和高二年级的2个班级）;采用问卷调查与访谈相结合的调查方法，对学生所在年级的教师进行了访谈。调查表明，在实验教学方面，有些地区或学校还不同程度地存在着问题。在长期应试教育的环境下，教师已经熟练地掌握了应对实验题目的方法与技巧，实验课上只要求学生全面把握教材或考试说明中每个实验的原理和方法，而有些实验很少做或基本不做。在课堂上，许多分组实验，采取全班一起做同一实验，其实验数据与实验结果均可共享，其结果是学生会做与不会做均能过关。在实验条件方面，有些地区或学校不同程度地存在着实验室设备陈旧、功能区域布局欠妥、实验仪器损坏严重、实验基础材料不足甚至有些实验药品过期等较为普遍的现象。在实验教师队伍方面，专职实验教师比较少，相當一部分实验教师由科任教师兼任，还有一些是临时人员或者行政人员，实验教师队伍结构失衡、素质不齐、待遇偏低等都影响了实验教学的整体质量。有些地区或学校还不同程度地存在着实验课程和教材设计等方面的问题。
提高中小学实验教学质量的思考
针对上述问题，要进一步提高中小学实验教学的整体质量，就要认真贯彻落实2019年11月20日教育部颁布的《关于加强和改进中小学实验教学的意见》（以下简称《意见》）。《意见》指出实验教学是国家课程方案和课程标准规定的重要教学内容，是培养创新人才的重要途径。
顶层设计实验课程，构建与课程标准统一的实验教学体系
实验教学是中小学必须完成的教学任务。要提高实验教学质量，培养高素质人才，实验教学不能只靠教师讲，而应充分利用实验资源，直接开展相关教学。学校要按照实验教学目的顶层设计实验课程，构建与课程标准相统一的实验教学体系。
第一，从实验教学目的、实验教学内容、实验教学方式和实验教学资源等多个层面、多个角度、多个途径思考和开展实验教学课程体系建设。要针对不同学段的实验教学目的，精心设计实验教学内容，组织开展好基础性实验和拓展性实验（含探究性实验、创新性实验、综合性实验等）。实验教学方式要注重与多学科融合教育、编程教育、创客教育、人工智能教育、社会实践等有机融合，有条件的地区可以开发地方课程和校本课程。实验资源的建设，无论是实验资源的直接利用，还是实验资源的改造利用，或是实验资源的共建共用，都要保障实验资源对实验教学的支持和服务。
第二，把握实验教学目的的系统性，实验教学目的的划分只是相对概念，不能将它们割裂处理。实验教学着力提升学生的观察能力、动手实践能力、创造性思维能力和团队合作能力，培育学生的兴趣爱好、创新精神、科学素养和意志品质。
第三，实验资源建设要接受课程开发的统领，立足于实验教学目的，支撑起实验教学实践，服务于实验教学整体效益。实现教学目的的实验资源可能存在多种，课程设计时要考虑各种资源的可获得性、可行性及有效性，避免来者不拒、多多益善，谨防资源干扰实践的情况出现。
创新实验教学方式，务虚与务实相结合
实验是教学活动的一个重要环节，对于许多实践性较强的学科，如物理、化学、生物等，实验是学生获取知识参加实践的最主要的手段，对于培养学生实际操作能力和解决问题的实践能力至关重要。而真实实验存在以下问题：有些学校因实验仪器和设备短缺导致部分实验无法在实验室完成;有些实验设备价格昂贵，学生不敢大胆做实验;有些实验需多次重复实验，会产生更多耗材费用;在实验课堂上学生因时间紧而不能充分完成实验;有些自然物理、化学现象，在真实实验室不可能完成;有些过于抽象的物理实验在真实实验室不能完成;有些实验过程速度过快，实验现象一瞬即逝，学生不能清楚仔细地观察。
基于上述问题，实验作为检验理论正确与否的工具，已不完全处在务实的环境中，创新实验教学方式，应务虚与务实相结合。《意见》指出，学校“要丰富实验教学实施形式，综合运用观察、观测、模拟、体验、设计、编程、制作、加工、饲养、种植、参观、调查等多种方式，促进传统实验教学与现代新兴科技有机融合，切实增强实验教学的趣味性和吸引力，提高实验教学质量和效果。对于因受时空限制而在现实世界中无法观察和控制的事物和现象、变化太快或太慢的过程，以及有危险性、破坏性和对环境有危害的实验，可用增强现实、虚拟现实等技术手段呈现”。
借助大数据时代的数字化手段，仿真实验、远程控制实验、综合开放实验等作为新型实验，已成为当今实验教学研究的热点。例如，仿真实验可以仿真模拟在实验室难以完成的实验，弥补学校实验设备和仪器的不足，有效提高实验的演示效果。仿真实验可以仿真抽象的物理、化学实验，可以多次重复实验，实验过程可延缓或随时暂停。仿真实验能为学生开展自主研究性学习提供学习环境，学生可利用仿真软件进行实验探索研究。与此同时，通过对实验环境的整体模拟，使未做过这些实验的学生通过仿真能对实验从局部到整体建立起直观、感性的认识。学生通过仿真实验再做实际实验能达到胸有成竹。此外，仪器可拆卸、可解剖调整，增强了操作、熟悉仪器功能和使用方法的训练。仿真仪器实现模块化，学生可对仪器进行选择和组合，用不同方法和路径完成同一实验目标，培养学生的设计思考能力。通过仿真实验教学，可以充分体现教学指导思想，培养学生在理解的基础上通过思考进行操作，克服在实际实验中出现的盲目操作和“走过场”等现象，使学生切实受益，提高实验教学质量。目前，中学应用的仿真实验种类繁多，其中影响较大的有VCM 仿真实验、CER卓信365仿真实验、智天下虚拟实验室仿真实验和华钧中学虚拟仿真实验系统等。 VCM仿真实验是利用flash 技术开发的最富真实感的实验，可直接在电脑上在线模拟操作。该仿真实验是学生自主获取知识和技能，体验和了解科学探究的过程和方法，形成和提高创新意识，树立科学价值观的活动过程。
CER卓信365仿真实验是面向中学师生设计的开放式教学平台，仿真度高，能模拟完成理化学科教材中涉及的各个实验。操作者可以根据提供的器材，任意搭建实验，改变各项参数，不管操作正确与否，均可以获得与实际相似的现象和结果，对错误的操作，会提出纠正。是一个真正意义的探究式学习平台，有助于激发学生的学习兴趣，有助于学生创新思维和科研素养的培养。
智天下虚拟实验室仿真实验是一款高效理化生学习法。它不仅有高真实度的实验器材与实验步骤，模拟与实际操作高贴合度的实验场景，给学生、教师以身临其境之感;更有游戏场景界面迎合学生心理，吸引注意力，配以原创试题，杜绝千篇一律;还覆盖近几年中高考实验试题，让学生切实感受考题难点、思路和技巧，积累丰富实战经验，使学生对理化生学习产生浓厚兴趣。
华钧中学虚拟仿真实验系统是面向中学生设计研发的独创的场景式教学系统，通过浏览器即可使用。不仅能高仿真地互动做各类实验，而且具备教学导航、教学目标、动手实验、自动演示、系统测试、真人实验视频等各个环节，能让学生对所做过的实验过目不忘，教师利用仿真实验教学效果事半功倍。
加强教学常规监管，将实验教师培训列入培训计划
实验教师在学校实验教学中具有举足轻重的地位，直接影响学校实验课程的建设、实施，以及课程改革的深化和教育质量的提升。为了不断满足教学所需，政府除了按照共性要求统一配置实验资源外，提高中小学实验教学质量，关键是实验教师的教学能力，包括教师对实验资源的直接利用、改造利用和实验资源的开发等。
实验资源的直接利用。可以利用实验器材演示实验，也可以在实验室里开展分组实验和探究实验，还可以利用计算机播放音像资料展示实验过程，或者利用挂图说明实验装置。实验资源的直接利用，需要学校加强教学常规监管，更需要教師严格遵照课程标准要求落实教学任务。
实验资源的改造利用。一方面，政府统一配置的实验资源是按照共性要求提供的，而不同学校、不同教师的情况存在差异，学生基础、教学目标也不同，有必要对实验资源改造后再利用;另一方面，课程改革的深入推进，不断催生新的实验资源，既包括新的内容，也包括新的形态，要使这些实验资源适应教学一线的需求，也需要进行改造。实验资源的改造利用可以从内容、形式、结构、组合等几个方面展开。比如，统一购置的实验视频资源，有些内容比较长，一节课不可能全部播放，根据教学任务就可以截取一段，也可以通过截图抓取相关图片;有的实验器材实验效果不是很明显，可以通过增加放大装置满足课堂环境下的实验演示教学。实验资源的改造利用，具有较强的创新性，需要教师发挥自身的聪明才智，找到最适宜的利用方式，解决课堂教学的容量限定和学生可接受的学习之间的矛盾，提高实验资源的利用效率。
实验资源的开发。开发实验资源是提高实验教学质量的非常重要的一种方式。实践表明，教师具有较高的实验资源开发能力，能够促进学校实验资源的建设，提升实验资源的利用效益。
为了提高中小学实验教师的教学能力，《意见》指出，“各地要对现有相关学科教师实验教学能力进行分析研判，有针对性地制定培训方案，纳入教师培训体系，列入‘国培计划’‘省培计划’，确保到2022年前完成教师实验教学能力全员轮训。”“各地各校要合理核定教师实验教学工作量，把教师实验教学能力、教学水平和教学实绩作为相关学科教师职称评聘、绩效奖励等的重要依据。”“师范院校要按照国家课程标准要求，把实验教学能力列入师范类相应专业基本培养目标。各地要将实验教学能力纳入相关学科教师资格考试和教师招聘必备素质考查。”教师普遍希望创设宽松的实验资源开发与利用环境，也希望参加更多的教科研活动以提高实验资源开发能力。
更新实验教学观念，遵循实验教学特点强化学生实践操作
传统的中小学实验教学局限于师生课堂上的实验，而大数据时代的实验教学将线上与线下一并纳入实验教学，打破了传统实验教学的观念，提供了当代实验教学的一种新的理论构架。传统的实验教学教师占据了绝对的教学空间，大数据时代的实验教学强调课程教学模式的变革，实验教学为学生创设了亲身参与实践的情境，具有获知、激趣、求真、循理、育德等教育功能。实验的功能和探究性学习的特征决定了实验必然是探究性学习的重要途径，给学生留下了个性发展的空间。通过学生自主操作实验，从而掌握物理、化学和生物等学科的知识原理，理解并记忆公式、定律、定理、化学方程式等，从而有效提高学生理化生学习成绩。要提高中小学实验教学质量，实验教师必须更新教学观念，积极参与实验教学教研活动，遵循实验教学特点强化学生实践操作。正如《意见》指出，“学校要将实验教学纳入校本教研，积极组织相关学科教师开展实验教学校本教研活动”。
在实验教学中，教师要依据《意见》展开相关教学工作，让学生在实验过程中能够体味到学习的乐趣，学习到新知识，全面深化实验教学的意义。教师要遵循学科特点，丰富内容，改进方式;注重实效，强化学生实践操作、情境体验、探索求知、亲身感悟和创新创造，着力提升学生的观察能力、动手实践能力、创造性思维能力和团队合作能力，培育学生的兴趣爱好、创新精神、科学素养和意志品质。教师要积极推动学生开展研究型、任务型、项目化、问题式、合作式学习。教师要建议学校向学生开放实验室，方便学生利用课余时间，以独立或小组合作方式开展实验探究。