國內(nèi)中學(xué)理科數(shù)字化實驗教學(xué)現(xiàn)狀與分析*

陳晨新 薛耀鋒 閆寒冰 蘇小兵

1 華東師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)系 上海 200062

2 華東師范大學(xué) 上海數(shù)字化教育裝備工程技術(shù)研究中心 上海 200062

3 華東師范大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院 上海 200062

作者：陳晨新，在讀碩士，主要研究方向為教育信息化；薛耀鋒，副研究員，博士，主要研究方向為教育信息化，通訊作者；閆寒冰，副研究員，碩士生導(dǎo)師，研究方向為教育技術(shù)能力培養(yǎng)等；蘇小兵，博士，院長助理，研究方向為數(shù)字化實驗環(huán)境設(shè)計等。

1 引言

我國從2002年開始逐漸采用數(shù)字化實驗的方法，最初只是將其應(yīng)用在物理學(xué)科，后來逐漸擴(kuò)展到化學(xué)、生物學(xué)科，現(xiàn)在數(shù)學(xué)、科學(xué)學(xué)科中也有應(yīng)用。從2002年到2012年，數(shù)字化實驗走過了近十年的發(fā)展，在此期間，對數(shù)字化實驗研究貢獻(xiàn)最大的當(dāng)屬中學(xué)理科一線教師，他們的研究偏重于實踐，和實際教學(xué)聯(lián)系緊密，但這些研究大多局限于單個實驗，不具有普適性，還有一些研究集中在數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗的比較和整合以及數(shù)字化實驗在探究教學(xué)中的應(yīng)用。雖然目前對數(shù)字化實驗的研究取得一些成果，但在實際的教學(xué)過程中仍然存在不少問題。本文在數(shù)字化實驗已有研究成果的基礎(chǔ)上，首先對數(shù)字化實驗做系統(tǒng)介紹，接著深入探討數(shù)字化實驗在實際教學(xué)中的應(yīng)用，分析其中存在的不足，并提出改進(jìn)建議。

2 數(shù)字化實驗介紹

2.1 數(shù)字化實驗

現(xiàn)階段，關(guān)于數(shù)字化實驗的概念，大多數(shù)學(xué)者均是從結(jié)構(gòu)組成的角度進(jìn)行定義，它指由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+實驗軟件包+計算機(jī)”[1]構(gòu)成的新型實驗系統(tǒng)。在本文中，數(shù)字化實驗不僅包括基于傳感器的實驗，還包括網(wǎng)上虛擬實驗。

數(shù)字化實驗的主要技術(shù)特征有：

1)數(shù)據(jù)采集的多樣化；

2)數(shù)據(jù)處理的智能化；

3)實驗過程的可視化；

4)實驗結(jié)果的定量化[2]。

2.2 數(shù)字化實驗教學(xué)的理論基礎(chǔ)

數(shù)字化實驗的理論基礎(chǔ)主要有相似學(xué)理論、建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論、學(xué)習(xí)的信息加工理論和教學(xué)過程最優(yōu)化理論等。

1)相似學(xué)理論經(jīng)常用于解決現(xiàn)代科學(xué)實驗工作中遇到的問題，通過它可以用簡單的模型去研究復(fù)雜的現(xiàn)象。在數(shù)字化實驗教學(xué)中，生理感官相似、數(shù)字化實驗設(shè)備和真實實驗設(shè)備的結(jié)構(gòu)和功能相似是成功進(jìn)行網(wǎng)上虛擬實驗的必要條件[3]。

2)教學(xué)過程最優(yōu)化理論有力地支持了教師的教。教師在進(jìn)行教學(xué)前都應(yīng)該思考如何組織教學(xué)才能使教學(xué)效果最大化。

3)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論在幫助學(xué)生的學(xué)方面具有積極作用。教師要通過情境、協(xié)作、會話等多種手段幫助學(xué)生理解事物和現(xiàn)象的本質(zhì)、現(xiàn)象背后蘊含的規(guī)律以及事物之間的內(nèi)在聯(lián)系，從而有助于學(xué)生在探究性學(xué)習(xí)和協(xié)作學(xué)習(xí)中實現(xiàn)自主的意義建構(gòu)[4]。

4)學(xué)習(xí)的信息加工理論在學(xué)生學(xué)會的基礎(chǔ)上進(jìn)行知識遷移方面提供了有力的支持。教師可以利用數(shù)字化實驗進(jìn)行探究式教學(xué)，使學(xué)生真正體驗到探究的樂趣，實驗結(jié)果多種顯示，可以增強(qiáng)學(xué)生的形象記憶和編碼，便于學(xué)生進(jìn)行知識的遷移和應(yīng)用[5]。

上述4種理論與數(shù)字化實驗教學(xué)的關(guān)系如圖1所示。

2.3 數(shù)字化實驗相關(guān)產(chǎn)品介紹

數(shù)字化實驗的核心技術(shù)是信息技術(shù)，在國內(nèi)外有專門從事為教育領(lǐng)域開發(fā)數(shù)字化實驗的公司。國內(nèi)的公司主要有山東遠(yuǎn)大網(wǎng)絡(luò)多媒體有限責(zé)任公司、華師京城高新技術(shù)股份有限公司、北京友高教育科技公司及寧波GQY數(shù)字教學(xué)設(shè)備有限公司等。

圖1 數(shù)字化實驗教學(xué)的理論支撐

山東遠(yuǎn)大網(wǎng)絡(luò)多媒休有限責(zé)任公司研發(fā)的朗威系列產(chǎn)品開啟了國內(nèi)實驗教學(xué)的數(shù)字化時代[6]。目前，該實驗裝備已被編入華東版等國內(nèi)多家新課標(biāo)物理教材，成為信息技術(shù)與物理教學(xué)理念整合的優(yōu)秀載體。華師京城高新技術(shù)股份有限公司是華東師范大學(xué)的戰(zhàn)略投資企業(yè)，其生產(chǎn)的軟件產(chǎn)品包括虛擬實驗室、仿真實驗室以及數(shù)字傳感器實驗室三大系統(tǒng)，這三大系統(tǒng)構(gòu)成了全方位的數(shù)字化實驗室，它可以全面滿足各學(xué)科實驗教學(xué)的各種需求。北京友高教育科技公司隸屬于北京師范大學(xué)產(chǎn)業(yè)總公司教育技術(shù)研究所，其產(chǎn)品友高數(shù)字化實驗室是一整套新型的數(shù)字化教學(xué)設(shè)備，它為實驗教學(xué)提供了一個開放的平臺。GQY公司針對國家二期課改，與國家教育部教學(xué)儀器研究所合作研發(fā)的GQY-eLab系列產(chǎn)品，主要適用于教育系統(tǒng)的物理、化學(xué)、生物以及相關(guān)探究性實驗。

國外在數(shù)字化實驗的開發(fā)方面起步較早，技術(shù)也比較成熟，目前應(yīng)用較多的有美國PASCO公司、Vernier公司、德州儀器公司，英國Pico Technology公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。此外，以色列fourier公司、韓國數(shù)字株式會社(KD)生產(chǎn)的各種數(shù)字化實驗也比較著名。

3 數(shù)字化實驗在教學(xué)中的應(yīng)用

美國與英國很早就將傳感器、數(shù)據(jù)采集器技術(shù)運用到教學(xué)中，隨后在亞洲地區(qū)(如新加坡、文萊、馬來西亞和臺灣等地)也投入大量的資金專門用于數(shù)字化實驗裝置的購置與技術(shù)的培訓(xùn)。在我國，數(shù)字化實驗首先應(yīng)用于中學(xué)物理學(xué)科，接著在化學(xué)、生物等學(xué)科中逐漸加以應(yīng)用。

3.1 數(shù)字化實驗在學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

在實際的學(xué)科教學(xué)中，數(shù)字化實驗可以應(yīng)用于各種實驗類型，比如說課堂演示實驗、學(xué)生分組實驗、邊學(xué)邊實驗和課外實驗，具體應(yīng)用于哪種類型要根據(jù)課程內(nèi)容和教師的講課方案來確定[7]。依據(jù)數(shù)字化實驗自身的優(yōu)勢和學(xué)科的特點，介紹幾種典型的應(yīng)用。

1)從定性研究上升到定量分析。學(xué)科教學(xué)中有些實驗，如堿溶解與堿溶液的pH變化，只能觀察到實驗現(xiàn)象，卻很難進(jìn)行量化處理。而數(shù)字化實驗可以將定性研究和定量分析結(jié)合起來，使實驗結(jié)論更科學(xué)，更具有說服力。

2)有利于突破教學(xué)重難點。有些概念和原理比較抽象，學(xué)生不容易理解，比如化學(xué)中的弱電解質(zhì)，教師可以自行設(shè)計實驗，借助于數(shù)字化實驗的函數(shù)圖象處理功能，將實驗數(shù)據(jù)以圖像的形式輸出到電腦屏幕上，學(xué)生可以清晰直觀地看到實驗結(jié)果，從而將教學(xué)重難點各個擊破，使那些晦澀難懂的概念和原理變得容易認(rèn)知，達(dá)到快速突破教學(xué)重難點的目的。

3)開展課內(nèi)探究和戶外探究。數(shù)字化實驗儀器可以節(jié)省大量的實驗時間，教師可以充分利用這些時間，使學(xué)生在完成實驗任務(wù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展實驗；學(xué)生可以針對自己在實驗過程中發(fā)現(xiàn)的問題和產(chǎn)生的疑惑，自行設(shè)計實驗方案，親自動手來驗證自己的假設(shè)和猜想。另外，有些數(shù)字化實驗儀器輕巧且攜帶方便，這一特點為學(xué)生的戶外探究提供了有力的技術(shù)支持，學(xué)生可以在野外進(jìn)行實時測量和分析。

4)用于設(shè)計有趣或有毒的實驗。教師在完成實驗教學(xué)任務(wù)的基礎(chǔ)上，可以設(shè)計一些有趣的實驗，比如讓學(xué)生自己制作水果電池等。另外，數(shù)字化實驗在一些有毒的實驗(如托里拆利實驗)中也發(fā)揮了很大的作用[8]。

3.2 數(shù)字化實驗的教學(xué)評價

表1 表現(xiàn)性評價、發(fā)展性評價和動態(tài)評價法的區(qū)別

數(shù)字化實驗的教學(xué)評價是實驗教學(xué)的重要組成部分，但卻長期得不到重視。教師的評價方式單一、評價方法不合理等都是目前存在并急需解決的問題，那么究竟采用什么樣的評價方法才能對學(xué)生的表現(xiàn)做出科學(xué)合理的判斷呢？在中學(xué)理科實驗教學(xué)中，提倡表現(xiàn)性評價、發(fā)展性評價和動態(tài)評價法，它們可以單獨使用，必要的時候也可組合使用。表1列出3種評價方式的區(qū)別。

由表1可知，發(fā)展性評價側(cè)重于評價方法的綜合應(yīng)用，在實施過程中有可能會用到表現(xiàn)性評價，而表現(xiàn)性評價側(cè)重于學(xué)生在真實任務(wù)情境中的表現(xiàn)，但兩者的終極目的和功能取向基本一致，不僅注重對學(xué)習(xí)結(jié)果的評價，還特別注重對學(xué)習(xí)過程的評價。但是，由于兩者實施起來需要耗費大量的時間和精力，在學(xué)校中的應(yīng)用還不是特別普及。相對而言，動態(tài)評價法的可行性較好，而且能達(dá)到公正、合理的評價目的。至于評價量表中的一級指標(biāo)、二級指標(biāo)和權(quán)重可以通過學(xué)科研討會進(jìn)行確定，在具體實施的過程中要根據(jù)實驗類型及實驗?zāi)繕?biāo)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。當(dāng)然，也不能完全摒棄傳統(tǒng)的紙筆測驗，畢竟它能夠直觀地展現(xiàn)學(xué)生的知識掌握程度，但是要注意測試題的選擇和編制。

4 數(shù)字化實驗教學(xué)中存在的不足

雖然數(shù)字化實驗有很多優(yōu)點，但凡事均具有兩面性，在看到其長處的同時，也不能忽略它的不足。

4.1 削弱了學(xué)生的動手能力

數(shù)字化實驗可以準(zhǔn)確迅速地測量各種物理量，并且通過函數(shù)處理功能，以各種形式來表示物理量之間的關(guān)系。顯然，這是數(shù)字化實驗的一大優(yōu)點，但同時也成為其缺點，這一中間過程嚴(yán)重削弱了學(xué)生的動手能力和計算能力。

4.2 數(shù)字化實驗室的使用效率低

目前，受學(xué)校教育經(jīng)費的限制，并不是每所學(xué)校都有能力裝備數(shù)字化實驗室，因為建設(shè)一個數(shù)字化實驗室需要大量的資金投入。另外，那些已經(jīng)裝備數(shù)字化實驗室的學(xué)校并沒有好好利用，而是將其閑置一邊，只有在特殊情況下才會使用，因此，數(shù)字化實驗室的使用效率有待提高。

4.3 儀器的維護(hù)成本高

一方面，由于數(shù)字化實驗裝備屬于精密儀器，在使用的過程中稍有不慎就容易被損壞；另一方面，信息技術(shù)的高速發(fā)展導(dǎo)致儀器的更新?lián)Q代速度加快，幾年的時間里原來的實驗儀器就會老化，精確度降低，這些都導(dǎo)致數(shù)字化實驗的維護(hù)成本高。

4.4 應(yīng)用范圍狹窄

就目前的應(yīng)用情況來看，教師大都將數(shù)字化實驗應(yīng)用于教材中介紹的實驗，其應(yīng)用范圍太狹窄，完全沒有發(fā)揮其教育教學(xué)功能。數(shù)字化實驗作為實驗教學(xué)的一種新工具，應(yīng)該具有更廣泛的應(yīng)用空間，這需要廣大一線教師在教學(xué)實踐中不斷進(jìn)行摸索和創(chuàng)新。

5 數(shù)字化實驗教學(xué)改進(jìn)的建議

針對以上數(shù)字化實驗教學(xué)過程中存在的一些問題，提出改進(jìn)建議。

5.1 有選擇地使用數(shù)字化實驗和傳統(tǒng)實驗方式

并不是所有的實驗都采用數(shù)字化實驗方式就能取得好的教學(xué)效果，教師不應(yīng)該放棄傳統(tǒng)實驗方式，在進(jìn)行實驗方式選擇的時候應(yīng)該靈活一點兒，使教學(xué)方式更好地為教學(xué)內(nèi)容服務(wù)。

5.2 軟硬結(jié)合，虛實結(jié)合

針對教育資源不公平的現(xiàn)象，一方面政府部門要盡力縮小城市和農(nóng)村之間的差距，另一方面可以充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)平臺的作用，將數(shù)字化實驗資源制作成電子資源，發(fā)布到網(wǎng)上或刻錄成光盤，這樣學(xué)生就可以通過網(wǎng)絡(luò)或影碟機(jī)來感受數(shù)字化實驗的“魔力”。

5.3 提高教師的信息素養(yǎng)，開展相關(guān)培訓(xùn)

隨著數(shù)字化實驗在教材中所占比例的增加，有必要開展加強(qiáng)教師信息素養(yǎng)的相關(guān)培訓(xùn)。教師在應(yīng)用數(shù)字化實驗的過程中會遇到很多問題，比如如何將數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗方式進(jìn)行整合，培訓(xùn)可以幫助教師在短時間內(nèi)找到問題的答案。

6 結(jié)束語

數(shù)字化實驗應(yīng)用于理科實驗教學(xué)是一次教學(xué)手段的革新，是教育技術(shù)的進(jìn)步，無論理論還是實踐，都證明了數(shù)字化實驗應(yīng)用于教學(xué)具有非常獨到的優(yōu)點。但凡事均具有兩面性，在發(fā)揮其優(yōu)勢的時候，要盡量避免其劣勢，要真正認(rèn)清當(dāng)前我國數(shù)字化實驗教學(xué)的現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)數(shù)字化實驗在我國理科實驗應(yīng)用中存在的問題，對癥下藥，以期數(shù)字化實驗在我國理科實驗教學(xué)中發(fā)揮更大的功能和作用。

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