論數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)—南京市第三高級中學(xué)科學(xué)館改造工程紀(jì)實(shí)

沈 衛(wèi)

江蘇省南京市第三高級中學(xué) 江蘇南京 210001

論數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)—南京市第三高級中學(xué)科學(xué)館改造工程紀(jì)實(shí)

沈 衛(wèi)

江蘇省南京市第三高級中學(xué) 江蘇南京 210001

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室是一種數(shù)字化的中學(xué)理化生實(shí)驗(yàn)新產(chǎn)品，它是由“采集器+傳感器+組合教具+軟件”組成，借助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，教師和學(xué)生可以直觀、精確地實(shí)現(xiàn)各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)分析處理，高效達(dá)成實(shí)驗(yàn)結(jié)論的驗(yàn)證。

目前普遍存在的現(xiàn)狀是，由于學(xué)校實(shí)驗(yàn)用場地、資金等因素限制，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)往往投入較大，大部分經(jīng)費(fèi)花在購買實(shí)驗(yàn)教具之上，從傳統(tǒng)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)到不斷變化的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教具越來越多，投入也越來越大，設(shè)備管理也越來越不方便；而且傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室不能保證實(shí)驗(yàn)分組中每一個學(xué)生都能親自動手操作實(shí)驗(yàn)，更多是協(xié)助或觀看實(shí)驗(yàn)，大部分的時間都用在數(shù)據(jù)記錄及數(shù)據(jù)處理之上，如果能精確并簡化數(shù)據(jù)記錄采集過程，簡化單一重復(fù)的數(shù)據(jù)處理過程，每一個學(xué)生都有機(jī)會自己進(jìn)行至少一次的實(shí)驗(yàn)操作。

為滿足新課改理科教學(xué)的要求，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、提高學(xué)生的操作能力為目的，數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室應(yīng)運(yùn)而生，利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，通過簡單的手段獲得精確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，節(jié)省課堂學(xué)時；先進(jìn)的數(shù)字化采集手段，將很多物理量如磁場、光強(qiáng)等從原來的定性觀察變?yōu)槎坑涗?，能同時記錄多個動態(tài)的物理量，進(jìn)行協(xié)同分析比較，將難以開展的實(shí)驗(yàn)變?yōu)榭赡?，更好地闡述原理，加深了解，提高課堂教學(xué)效率。

筆者以南京市第三高級中學(xué)（以下簡稱南京三中）多功能科學(xué)館的建設(shè)為例，簡單闡述數(shù)字實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)。

一、南京三中科學(xué)館改造方案的提出

南京三中科學(xué)館始建于1996年，占地面積920平方米?？偨ㄖ娣e為4200平方米。隨著教育現(xiàn)代化的快速發(fā)展，原南京三中科學(xué)館的各項(xiàng)功能已逐漸不能適應(yīng)學(xué)校教育教學(xué)的需求。為了達(dá)到新課程方案的標(biāo)準(zhǔn)以及新的教學(xué)手段在教學(xué)中的廣泛運(yùn)用，學(xué)校于2006年啟動了科學(xué)館改造方案的論證。

改造方案先后幾易其稿。前期實(shí)地考察了南京外國語學(xué)校、中華中學(xué)兩所學(xué)校的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室,學(xué)習(xí)他們在這方面的優(yōu)秀經(jīng)驗(yàn)；然后廣泛吸收了校內(nèi)教職工各種合理建議并請各方面的專家會診把脈、出謀劃策,最終形成了具有南京三中特色的科學(xué)館——集數(shù)字實(shí)驗(yàn)（實(shí)踐）室和網(wǎng)絡(luò)多媒體應(yīng)用室為一體的全新科學(xué)館,如圖1。本次改造,土建和裝潢部分投資300多萬元。工程由農(nóng)業(yè)部南京設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì),相關(guān)建設(shè)公司提供設(shè)備并負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的施工建設(shè)。

圖1

經(jīng)過改造后的科學(xué)館成為一座嶄新的集理化生常規(guī)實(shí)驗(yàn)室、理化生數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室、信息技術(shù)教室、通用技術(shù)實(shí)踐室、階梯教室、電視臺、天文臺、網(wǎng)絡(luò)中心和圖書館為一體的多功能建筑。新的南京三中科學(xué)館已經(jīng)成為學(xué)校教育教學(xué)中心工作服務(wù)的多功能的核心建筑，如圖2、圖3所示。

圖2

圖3

二、科學(xué)館改造的具體工程實(shí)施

在科學(xué)館改造工程的具體實(shí)施過程中，一切遵循科學(xué)合理、長遠(yuǎn)發(fā)展的觀念，堅(jiān)持對師生負(fù)責(zé)和節(jié)能環(huán)保的原則來進(jìn)行，堅(jiān)持每一步都做到規(guī)范、嚴(yán)謹(jǐn)，重視質(zhì)量保證?？茖W(xué)館改造工程由三大部分組成。

一是土建、水電改造：對原建筑物外立面裝修、內(nèi)墻重新粉刷、局部吊頂和更換門窗，包括對三中電視臺進(jìn)行了重新裝潢。重做了屋頂防水層和樓內(nèi)衛(wèi)生間，封閉外走廊、內(nèi)走廊兩側(cè)，新增了安全玻璃低窗，有效解決了原樓內(nèi)各處的滲漏和采光問題。根據(jù)建設(shè)新規(guī)范要求，更新了樓內(nèi)的供水和供電系統(tǒng)，滿足了科學(xué)館對水電的需求，提高了室內(nèi)照明等級，改善了樓內(nèi)消防系統(tǒng)。在施工中安裝了室內(nèi)空調(diào)管橋架，使空調(diào)可以較隱蔽地安裝在樓頂和一樓地面上，有效解決了建筑物外墻的空調(diào)瘤和安全問題。通過改造科學(xué)館新增了一個可容納約200人的階梯教室、2個理化生數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室和3個通用技術(shù)實(shí)踐室，滿足了新課改的教學(xué)需要，如圖4所示。

圖4

二是弱電改造：科學(xué)館是學(xué)校的神經(jīng)中樞，在改造中全面排放了網(wǎng)絡(luò)、電視、電話、廣播、安防等各種弱電管線并預(yù)留了課堂實(shí)錄系統(tǒng)的管線，如圖5、圖6所示。

圖5

圖6

三是設(shè)備更新：全面更新了理化生實(shí)驗(yàn)室的桌椅櫥柜，新增了1個生化數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室、1個物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室和3個通用技術(shù)實(shí)踐室的全套裝備，各個實(shí)驗(yàn)室安裝了白板和短焦投影儀，在階梯教室和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室還安裝了電子白板，使教師上課告別了黑板和粉筆。

科學(xué)館的改造是在資金極端困難的情況下進(jìn)行的，南京市教育局洪偉局長兩次帶領(lǐng)市、區(qū)教育局的同志到學(xué)校開會，協(xié)調(diào)各種矛盾，在改建資金上給予了大力的支持，并對科學(xué)館的改建方案提出指導(dǎo)性意見。洪局長還特別強(qiáng)調(diào)“三中科學(xué)館的改建不僅起點(diǎn)要高，更要注重質(zhì)量和規(guī)范”。南京市教育局、白下區(qū)政府和白下區(qū)教育局給予了大力的支持和幫助，施工單位和設(shè)備供貨單位也給予了最大的優(yōu)惠和寶貴的捐贈。

現(xiàn)在科學(xué)館的改造工程雖已基本結(jié)束，但還有很多的事要做，繼續(xù)爭取上級和各方的支持進(jìn)一步完成數(shù)學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室、電視臺、課堂實(shí)錄系統(tǒng)等設(shè)備的采購，繼續(xù)完成對生物標(biāo)本展廳和通用技術(shù)展廳的設(shè)計(jì)和布展。從而進(jìn)一步完善和提高科學(xué)館的功能和作用，為提升南京三中的教育教學(xué)水平提供現(xiàn)代科技的平臺。

三、科學(xué)館建成后的管理與成效

建成后的南京三中科學(xué)館，到目前為止，先后承擔(dān)了“南京市初中學(xué)生勞動與技術(shù)作品制作競賽”“南京市通用技術(shù)基本功大賽”“南京市信息技術(shù)基本功大賽”等市區(qū)級各學(xué)科教研活動，另外還多次接待了國際交流學(xué)校及省內(nèi)外各教育代表團(tuán)的參觀與考察。

科學(xué)館設(shè)立實(shí)驗(yàn)員集中辦公制度，實(shí)驗(yàn)室管理人員樹立服務(wù)意識，強(qiáng)化管理出效益，日常規(guī)范化管理，各項(xiàng)管理規(guī)章制度全部上墻。在傳統(tǒng)的紙質(zhì)管理的基礎(chǔ)上，逐步探索發(fā)展電子化網(wǎng)絡(luò)管理，各種場館的應(yīng)用、預(yù)約，各種設(shè)施設(shè)備的維護(hù)、保修等都已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)管理（如圖7），從而提高了辦公效率，保證了教育技術(shù)裝備為一線教師服務(wù)的實(shí)效性。

圖7

“十五”期間，我們先后利用科學(xué)館先進(jìn)設(shè)施設(shè)備完成了全國教育科學(xué)“十五”規(guī)劃課題“普通高中選修課Ⅱ課程開發(fā)與實(shí)驗(yàn)研究”、中央電化教育館“高中課程改革中運(yùn)用信息技術(shù)培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新意識的研究”以及市級課題“中學(xué)生自主發(fā)展的教育創(chuàng)新系列研究”“運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，提高中學(xué)課堂教學(xué)效益的研究”等。其中“高中課程改革中運(yùn)用信息技術(shù)培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新意識的研究”獲得國家級三等獎；“運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，提高中學(xué)課堂教學(xué)效益的研究”獲得江蘇省二等獎。

四、建設(shè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的必要性闡述

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)是將信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程科學(xué)地融合在一起，來營造一種新型互動式的教學(xué)環(huán)境。通過數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的應(yīng)用，目的是完善現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)手段，培養(yǎng)學(xué)生掌握一種新的科學(xué)實(shí)驗(yàn)方法，培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力和創(chuàng)新精神。

功能一：完善物理、生化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方式。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理科學(xué)習(xí)的重要方式之一，但是，隨著新課程標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，信息技術(shù)的發(fā)展，大量的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器與手段已不斷應(yīng)用于新教材的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，使傳統(tǒng)物理、生化實(shí)驗(yàn)室無法完成或者完成不好的實(shí)驗(yàn)得到了很好的改進(jìn)。

功能二：實(shí)時實(shí)驗(yàn)、省時省力，提高學(xué)習(xí)效率和質(zhì)量。數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的基本構(gòu)成為：“力、熱、聲、光、電”等系列傳感器+生化系列傳感器+數(shù)據(jù)采集器+計(jì)算分析顯示+網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。數(shù)字化儀器具備“實(shí)時實(shí)驗(yàn)”功能，收集的是實(shí)驗(yàn)真實(shí)數(shù)據(jù)，學(xué)生能即時看到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。數(shù)據(jù)收集、處理和圖線描繪由計(jì)算分析顯示+網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)完成，因此教學(xué)中師生們可以從數(shù)據(jù)讀取、記錄、公式運(yùn)算和圖線描繪等繁瑣的事情中解放出來，為完成學(xué)習(xí)方式的改變與多樣化，扶植學(xué)生的自主探究鉆研，進(jìn)行廣泛的體驗(yàn)、合作和交流提供了大量時間。學(xué)生數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ奶嵘脤?shí)時實(shí)驗(yàn)所節(jié)省的時間，可以對物理景象、生化現(xiàn)象和規(guī)律進(jìn)行深入的分析和討論，從而提高學(xué)習(xí)過程的質(zhì)量。

功能三：為學(xué)生自主學(xué)習(xí)、合作學(xué)習(xí)和拓展性學(xué)習(xí)的廣泛開展提供有利條件，促進(jìn)學(xué)生探究精神和探究性思維的發(fā)展。

五、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)簡述

數(shù)字化物理、生化實(shí)驗(yàn)室整體設(shè)計(jì)思路應(yīng)體現(xiàn)：科學(xué)性、創(chuàng)新性、開放性與先進(jìn)性。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)應(yīng)提供良好的設(shè)備安裝及運(yùn)行環(huán)境，避免設(shè)備在惡劣的環(huán)境中運(yùn)行，這既有利于提高設(shè)備系統(tǒng)的無故障運(yùn)行時間，也會減少意外事故的發(fā)生。良好的環(huán)境還可以延長設(shè)備的使用壽命。根據(jù)南京三中的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，簡要談一下數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室基礎(chǔ)裝備的一般規(guī)格要求：

1.桌椅

打破傳統(tǒng)雙人式的桌椅模式，可以根據(jù)教室的大小及環(huán)境，采用4人桌的設(shè)計(jì)；桌椅材質(zhì)的選擇質(zhì)量牢固、綠色環(huán)保、方便打掃；桌面材質(zhì)的選擇要做到耐磨、耐熱、耐腐蝕；桌椅的顏色要合理搭配，營造安靜、愉悅、創(chuàng)意的實(shí)驗(yàn)氛圍。

2.地面

使用抗靜電地板（改建），地面清爽、整齊美觀、經(jīng)久耐用、性價比高、方便打掃。

3.墻面

墻面的設(shè)置，充分利用了空間，制作成文化墻，讓其包含有現(xiàn)代信息技術(shù)和探究性實(shí)驗(yàn)的文化元素。具備感染力，增強(qiáng)學(xué)生對信息技術(shù)與常規(guī)實(shí)驗(yàn)結(jié)合的認(rèn)識度。墻上布置探究實(shí)驗(yàn)發(fā)展史、各類設(shè)備的圖片介紹、主流信息、實(shí)驗(yàn)程序圖等。

4.照明

實(shí)驗(yàn)室采用自然光及輔助照明,操作臺面的照度均勻度不應(yīng)低于0.7,室內(nèi)無可見眩光,有良好的照明度。外墻窗戶裝有厚窗簾,避免陽光直接照射設(shè)備。

5.空調(diào)與通風(fēng)設(shè)備

（1）室內(nèi)溫度：因設(shè)備而異,通常的要求為5～40℃。一般情況下,應(yīng)保證網(wǎng)絡(luò)設(shè)備運(yùn)行在18～22℃的室溫環(huán)境下。

（2）室內(nèi)濕度：因設(shè)備而異，一般為20%～80%，不結(jié)露。

（3）實(shí)驗(yàn)室需要安裝必要的空調(diào)設(shè)備和通風(fēng)設(shè)備。保證實(shí)現(xiàn)以上提到的溫度和濕度條件。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部還應(yīng)保持空氣清潔,人員出入時應(yīng)換拖鞋或鞋套,同時,空調(diào)設(shè)備和通風(fēng)設(shè)備應(yīng)具備空氣凈化功能。

6.安全措施

配備防火、防潮、防盜等設(shè)施。用電負(fù)荷應(yīng)留有余地，按規(guī)范設(shè)強(qiáng)、弱電線，分組鋪設(shè)強(qiáng)電，教師一路，學(xué)生至少3路，確保啟動電流沖擊，空調(diào)專線鋪設(shè)，安裝漏電過載保護(hù)器和可靠的接地保護(hù)。至少有一處供水和排水設(shè)施。

7.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室學(xué)生實(shí)驗(yàn)桌應(yīng)供電到桌,教師演示臺有電源總控制設(shè)備,集中控制學(xué)生實(shí)驗(yàn)電源,配有觸電保護(hù)器。計(jì)算機(jī)電源插座固定(或嵌)在實(shí)驗(yàn)桌內(nèi)部。實(shí)驗(yàn)室配置網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備及信息口若干,實(shí)驗(yàn)室配備數(shù)字化多媒體投影設(shè)備（計(jì)算機(jī)、數(shù)碼投影機(jī)、視頻展臺和交互式電子白板、音響系統(tǒng)）。

8.實(shí)驗(yàn)室相關(guān)的設(shè)施（水、電、氣、網(wǎng)絡(luò)）采取隱埋式，電線切勿外露。

9.準(zhǔn)備室盡量放在實(shí)驗(yàn)室一側(cè)，準(zhǔn)備室安裝有控制實(shí)驗(yàn)室水、電的總閥門。

以下是南京三中數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室圖片集錦：

圖8 生化數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室

圖9 生化數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室

圖10 物理數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室

沈衛(wèi)，本科，中教一級，總務(wù)處副主任，信息中心主任。