教育綜合改革背景下的綜合實驗室建設研究

徐睿

摘要：針對中小學全面深化課程改革背景下對教學環(huán)境的新需求，提出創(chuàng)新實驗室的概念。并從建設理念、區(qū)域劃分、設計要素、全局規(guī)劃、課程建設等角度介紹綜合實驗室建設的研究成果。

關鍵詞：綜合實驗室；教學環(huán)境；教育綜合改革

文章編號：1005–6629（2017）6–0023–06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

1.1 全面深化課程改革面臨的挑戰(zhàn)

適應經(jīng)濟全球化的發(fā)展、整合信息網(wǎng)絡技術、發(fā)揮各學科的綜合育人功能、營造良好的育人環(huán)境已經(jīng)成為深化課程改革所必須解決的問題。

作為全國深化考試招生制度改革的試點地區(qū)，上海市和浙江省分別發(fā)布了招生制度綜合改革方案，均提高了考試科目的選擇性，對學校的課程設置和實施帶來了挑戰(zhàn)。走班制的廣泛出現(xiàn)，對學校的教室、實驗室等教學環(huán)境的建設、運行和管理提出了更高的要求。

1.2 科技創(chuàng)新對基礎教育的要求

科技創(chuàng)新是一個系統(tǒng)工程，僅就內部而言，科技創(chuàng)新由低到高至少涉及四個層面：技術的創(chuàng)新運用、原創(chuàng)技術、支撐技術創(chuàng)新的基礎理論、原創(chuàng)思想。后三個層面的突破目前還很欠缺，從基礎教育來看，對科學素養(yǎng)的提升和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)是其中的關鍵所在。如何讓創(chuàng)新的意識、態(tài)度、能力和風氣“從娃娃開始抓起”，需要教育全方位的介入，前沿性和基礎性并重[1]。

1.3 工業(yè)4.0對教育的啟示

2013年4月的漢若威工業(yè)博覽會上，德國首先提出了工業(yè)4.0的概念，把工廠、機器、生產(chǎn)資料和人通過網(wǎng)絡技術高度聯(lián)結，形成自組織的生產(chǎn)，其內涵已經(jīng)遠遠超越機器的自動化[2]。工業(yè)4.0的迅速發(fā)展給教育帶來了如下的思考和啟示：

（1）教學工作中如何通過信息物理系統(tǒng)的智能化，提高教學的靈活性和個性化？

（2）如何實現(xiàn)教學中教師、學生、教學環(huán)境、教學資源等的“萬物互聯(lián)”？如何高效搜集教學中的各種數(shù)據(jù)？如何通過在線化、實時化的數(shù)據(jù)與智能處理使教學中的響應模式發(fā)生變革，提高教學的針對性和有效性？

（3）我們的教學環(huán)境、教學資源能否提升集成化的程度，以提高資源的利用率和教學的效率？

（4）如何提高教學的智能化程度，更好培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力？

1.4 國際科學教育的發(fā)展趨勢

2012年，美國發(fā)布了《K-12科學教育框架》，《框架》建立在三個維度的基礎上：科學與工程的實踐（Scientific and Engineering Practices）、跨學科概念（Crosscutting Concepts）、學科核心理念（Disciplinary Core Ideas）[3]。打破各學科概念之間的界線，將科學、技術、工程和數(shù)學（STEM）融合，并通過實踐與實際生活相關聯(lián)，既需要合理選擇和組織課程內容，也對支持新的學習內容和學習方式的學習環(huán)境提出了新的要求，跨學科、跨領域成為一個重要的發(fā)展方向。

1.5 當前實驗室建設和使用中存在的問題

1.5.1 實驗裝備規(guī)范的滯后問題

2006年7月19日發(fā)布的《中華人民共和國教育部中小學理科實驗室裝備規(guī)范》，還是基于理、化、生實驗室分科獨立建設制訂的?！兑?guī)范》中關于實驗室“布置”部分的“第一排”、“最后一排”、“雙人單側”、“四人雙側”、“中間縱向走道”等表述，最容易使人想到的是“秧田式”的實驗室布局，這樣的布局在教學實踐中往往暴露出自由度小、不利于學生的表達交流與合作等方面的問題。

在信息化方面，《規(guī)范》將“教學電視”和“教學屏幕”的規(guī)劃建議分列，顯然已與當前電視、屏幕、白板等功能的集成化趨勢背離?！兑?guī)范》對于信息傳輸設備的規(guī)劃建議部分僅將計算機作為信息查詢和傳輸?shù)墓ぞ?，顯然忽視了計算機在數(shù)字化實驗等方面的重要作用，沒有將計算機與學習環(huán)境、智能化應用等進行整體的設計[4]。

1.5.2 實驗室建設和使用中存在的問題

隨著國家經(jīng)濟、現(xiàn)代科學技術和實驗技術的迅速發(fā)展，各學校的實驗室建設都有了長足的發(fā)展，實驗教學的質量也有了明顯的提高。但是，在實驗室的建設中還存在著一些普遍的問題，直接影響了實驗教學開展的效率，也不利于課程改革理念的進一步落實：

（1）實驗室的格局仍然以秧田式的格局為主，實驗室的大小一般以教室面積為參照，對于實驗室的環(huán)境氛圍建設相對比較忽視，實驗功能和教學功能的整合還不夠。

（2）忽視了學科之間的統(tǒng)整，不利于學生將所學的知識在相關學科中遷移運用，也不利于通過實驗解決一些聯(lián)系社會生活實際的綜合問題。同時，不同學科在儀器等的配備方面也容易造成重復。

（3）實驗室的利用率不高。即使對于達到裝備標準規(guī)定的實驗室數(shù)量的學校，在實際運行中，也會出現(xiàn)某一學科的實驗室時間排不過來，而其他學科實驗室卻閑置的現(xiàn)象。

（4）實驗室的信息化整合程度還不夠，對新的信息化手段的關注和引入還不夠及時。

（5）實驗室管理的軟硬件條件的建設還不夠重視。課余時間實驗室很少對學生開放，對實驗室管理的軟硬件條件沒有系統(tǒng)的思考。

2 綜合實驗室的定位

實驗室是科學的搖籃，是科學研究的基地，對于基礎教育階段的實驗室，教育功能是其首要的功能，它是學生掌握知識、訓練技能、開展探究的重要場所。綜合實驗室是在整體考慮相關領域各學科實驗室教學需求的基礎上，整合各類資源，形成的既可滿足各學科教學需要，又適合跨學科實驗活動的新型實驗室。在本研究中，對綜合實驗室的界定如下。

（1）中小學實驗室：主要研究小學、初中、高中學段的綜合實驗室建設問題。

（2）科學與技術領域相關學科：需要進行綜合的學科有中學物理、中學化學、中學生命科學、初中科學、中小學勞動技術、小學自然、小學科學與技術、中小學信息科技等。

（3）各學科融合：有機整合各學科的教學需求，實現(xiàn)場地、設施的優(yōu)化和整體設計，提高實驗室利用率。

（4）信息技術高度整合：在信息獲取、信息交流、信息展示等各個環(huán)節(jié)中充分發(fā)揮信息技術的作用，包括實驗手段的數(shù)字化和信息化以及實驗室管理和學生學習活動過程檔案的信息化等各個方面。

（5）課程的適配性：綜合實驗室既普適于各分科課程，也適用于綜合課程。在綜合實驗室建設的過程中，同步開發(fā)與實驗室功能相匹配的特色課程，尤其是跨學科課程。

（6）促進學生的科學素養(yǎng)、技術素養(yǎng)和創(chuàng)新能力：中小學的綜合實驗建設的目的不在于促進科學研究結果的產(chǎn)生，而是側重于提供學生研究過程的體驗，在科學素養(yǎng)、技術素養(yǎng)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面充分發(fā)揮出綜合實驗室的教育功能。

綜合實驗室和傳統(tǒng)的一般實驗室的主要區(qū)別如表1所示。

在當前課程與教學改革的背景下，綜合實驗室及相關綜合課程的建設，有利于解決學生對課程的選擇性和有限的教學資源之間的矛盾，有利于提高資源的利用率，促進走班制的實施。

3 綜合實驗室的建設理念

綜合實驗室的建設理念源于對學生的學、教師的教和實驗室管理三方面的整體考慮，具體體現(xiàn)在以下六個方面。

3.1 安全

綜合實驗室的安全理念可以從三個層面予以體現(xiàn)：一是安全設計，即從設計上防患于未然，體現(xiàn)主動安全的理念。例如設置煤氣泄漏或漏電時的自動切斷系統(tǒng)，實驗室環(huán)境中合理設置走道和門以便能及時疏散學生等。二是安全防護，即防止災害發(fā)生時對人造成傷害的措施。例如通風櫥、排氣系統(tǒng)的配置，防爆板、護目鏡、手套、防護服等的配備。三是災害處理，即面對災害，如何將損失和傷害降到最低。例如滅火器的配備和噴淋系統(tǒng)的配置。

3.2 舒適

綜合實驗室應提供給學生一個寬松、舒適的學習環(huán)境，學生在該環(huán)境中可以自由、輕松、主動地開展各項學習活動。例如實驗椅的舒適性就是需要考慮的一個重要內容，實驗椅最好具有以下特點：椅面軟性、耐腐蝕、易清潔，有靠背，方便提拎和移動，空間占用小。

3.3 方便

在綜合實驗室中應能非常方便地獲取學習或實驗所需的各項條件。例如水、電、煤的獲取，資料的獲取，工具的獲取，信息的傳送等。

3.4 靈活

綜合實驗室的學習環(huán)境不是一成不變的，應該可以根據(jù)教學的需要進行自定義。例如桌椅布局的可調整，工具架可自定義等。

3.5 普適

綜合實驗室在教學使用中應具有極強的普適性，即它既可以用于開展分科教學，也可以用于開展跨學科的綜合課程的教學，甚至可以作為藝術、閱讀等教學所用。

3.6 高效

由于綜合實驗室的普適性，使學校能夠對多個這樣的實驗室進行整體規(guī)劃布局，并開展綜合利用，同時也可提高管理的效率。

4 綜合實驗室的功能區(qū)規(guī)劃

綜合實驗室一般應具備的功能區(qū)有：實驗區(qū)、制作區(qū)、交流區(qū)和展示區(qū)。

4.1 實驗區(qū)

實驗區(qū)（見圖1）是學生開展實驗活動的主要區(qū)域，該區(qū)域的特點是學生能夠方便地獲取實驗條件、實驗器材等，順利開展實驗。

4.2 制作區(qū)

制作區(qū)是工程、技術類作品制作的區(qū)域，所制作的作品既可以是相關課程的成果，也可以出于某些課程實驗活動的需要，進行“量身訂制”的實驗器材。在該區(qū)域，需要配備豐富的制作類工具（見圖2）。

4.3 交流區(qū)

交流區(qū)（見圖3）是學生在實驗活動中進行交流、討論的區(qū)域，該區(qū)域需要能夠根據(jù)交流的范圍靈活設計，滿足不同人數(shù)交流的需要；同時也要配備電子白板、投影儀等設備，促進交流效率的提升；從提升交流質量、促進實驗開展的角度，還可以配備紙質的工具書等相關資料。

4.4 展示區(qū)

展示區(qū)（見圖4）是展示教學資源、學生作品等的空間，該區(qū)域既可以展示相關學科的經(jīng)典儀器、模型等，也可以展示學生實踐活動的優(yōu)秀作品。好的展示區(qū)設計既可以培養(yǎng)學生對實驗的興趣，還可以對學生的實驗探究活動提供方法引導，成為學生創(chuàng)新的靈感源泉。

在學校建設綜合實驗室的實踐中，對功能區(qū)不一定要求全，可以根據(jù)學校的辦學特色和課程特點靈活選用其中的部分或全部。這些功能區(qū)不一定要有明顯的界線，很多時候功能區(qū)之間未必有實物隔斷，例如展示區(qū)往往是利用實驗室的“零碎”空間形成的。有的時候功能區(qū)之間也可以動態(tài)調整或者按需轉換，例如制作區(qū)和實驗區(qū)有時可以共享，實驗區(qū)合理進行桌椅的布局設計后也可以兼顧交流的功能等。

5 綜合實驗室的設計要素

5.1 管路

傳統(tǒng)的水、電、煤管路可以采用從房頂懸掛的方式解決（見圖5），這樣的方式在德國已有近20年的應用歷史，其可靠性和安全性得到了實踐和時間的檢驗?！皯覓焓降跖摗钡姆绞皆诓挥绊憣嶒炇覍嶒灄l件供給的情況下，解放了地面空間，使地面空間的規(guī)劃可以和普通教室一般靈活，同時也提高了實驗環(huán)境的安全性?！皯覓焓降跖摗笨梢蕴峁婋?、弱電、進水、排水、煤氣、壓縮空氣、廢氣抽排、網(wǎng)絡、視頻音頻等各種接口，與之配套的還有移動式的水斗或水車、移動式的透明通風演示實驗櫥等，可以滿足科學與技術領域的各種實驗需求。

5.2 信息化

信息化的配備首先要考慮的是使用的便捷性，要讓教師和學生在盡可能少改變原有習慣的情況下運用信息化設施。因此，終端盡可能采用體積小巧、待機時間長的便攜式的移動終端，除了可以查閱資料、開展交流、撰寫報告，還可以接駁傳感器開展數(shù)字化的實驗。實驗室中的教學屏幕可以采用觸摸可交互的類型，并且可以自由調節(jié)高度和移動位置。數(shù)據(jù)的傳輸可以采用無線網(wǎng)絡，投影方式也可以采用無線同屏的方式，使各移動終端之間通過各種無形的紐帶緊密聯(lián)結在一起。

信息化要考慮的第二個方面是對實驗過程或學習過程的記錄，可以通過為每組學生配置可調節(jié)或可移動式的攝像頭來實現(xiàn)（見圖6）。攝像頭既可以記錄學生的實驗過程，便于教師進行過程性記錄和開展過程性評價，同時也有利于加強實驗管理，提高實驗的安全性。同時，攝像頭也可以為學生觀察、記錄實驗提供新的渠道，使24小時的遠程實驗觀察成為可能。這樣的配置也使實驗技能考試進入中考、高考等大規(guī)模高利害考試成為可能，有利于導向日常教學對真實實驗的重視。

信息化的又一個方面是智能化。通過一些物聯(lián)網(wǎng)的設備及其配套的溫度、濕度、光強度、紅外感應等傳感器（見圖7），可以實現(xiàn)對實驗數(shù)據(jù)的遠程讀取和實驗條件的遠程控制，提高實驗的自動化程度，有利于打破課堂實驗的時空界限。同時，基于磁卡、指紋、人臉識別等技術，可以完整記錄學生的學習經(jīng)歷，更好實現(xiàn)個性化的實驗準備服務等。

5.3 儀器設備

綜合實驗室中“常駐”的儀器設備，從使用效率的角度，需優(yōu)先考慮可跨學科使用、使用效率高、移動不便的儀器設備，如3D打印機等。對于一些學科性強，只有個別實驗使用的儀器設備，可以放在配套用房中，需要時取用。對于有些配備數(shù)量少，需要教師指導下才能保證安全使用的儀器設備，可以讓學生在需要時至配套用房中使用。

5.4 桌椅櫥柜

從綜合實驗室的靈活性理念出發(fā)，其中的桌椅櫥柜應該都是便于移動的，一種方式就是建設“輪子上的實驗室”，使設備和空間能夠配合實驗的需求進行靈活的變換[5]。桌椅櫥柜都要輕便簡潔，減少空間占用，同時儲物空間利用率要高。

從學科的普適性角度，這些配備要兼顧各學科的教學需求。以桌子為例，物理需要平整、防水、防靜電，化學需要耐高溫、耐腐蝕，勞技需要耐敲擊、穩(wěn)定……于是加厚的理化板就可以成為一種理想的桌面選材。

5.5 環(huán)境

綜合實驗室的整體環(huán)境應該是充分利用各種空間（見圖8），處處體現(xiàn)教育元素。從空間利用上看，可以充分利用墻面、房頂和窗戶等處的空間，用于學生作品的展示、工具書籍的陳放、儀器試劑的儲存、種養(yǎng)空間的規(guī)劃等。在設計實驗室環(huán)境元素時，要充分考慮互動性，使學生可以有更多動手體驗的機會。例如，實驗室房頂上設計一組動滑輪，學生可以把自己拉起來，體驗其省力的效果。

好的實驗室環(huán)境建設，不僅要體現(xiàn)實驗室的實驗功能，更重要的是創(chuàng)設一種實驗的文化氛圍，使學生在這樣的環(huán)境中受到潛移默化的熏陶，既可以激發(fā)對實驗活動的興趣，也可以對實驗活動開展的方法有正確的導向作用。

6 綜合實驗室的全局規(guī)劃

6.1 綜合實驗室配套用房的整體設計

由于綜合實驗室具有跨學科、多用途的特點，因此其配套用房也應打破學科的界線。從功能需求來看，主要可以分為四種：儀器室、試劑室（見圖9）、準備室（見圖10）、辦公室。其中試劑室主要存放一些化學試劑、生物實驗材料、耗材等；準備室是實驗員從儀器室、試劑室取用相關用品后開展實驗準備工作的場所；辦公室是實驗員、教師的工作、研討場所，也是對學生實驗活動進行信息化管理的場所，如果場地有限，也可以在準備室中開辟出一定的區(qū)域用于實現(xiàn)此類功能。這些配套用房宜與實驗室緊鄰，以更好實現(xiàn)為綜合實驗室服務的功能。

綜合實驗室配套用房的整體設計，一是可以提高實驗用品配備的效率，避免學科之間的重復配備，也可以促進一些好用、先進的設備在各學科的普及使用。同時，這樣的設計也有利于整體規(guī)劃實驗員隊伍，部分緩解當前專業(yè)實驗員短缺的矛盾。

6.2 學校實驗室的整體規(guī)劃

對學校來說，要體現(xiàn)綜合實驗室的整體優(yōu)勢，光配備一個是不夠的，只有多個綜合實驗室的統(tǒng)籌應用才能體現(xiàn)出其效率。如果恰逢要新建學?；蛐Ｉ幔梢园盐諜C會，從基建開始進行更自由的綜合實驗室規(guī)劃。

學校的實驗環(huán)境創(chuàng)設并不僅僅是實驗室內部的建設問題，它應和整個校園環(huán)境的營造緊密融合，為學生創(chuàng)設想學、樂學的舒適學習氛圍。例如，可以在實驗室外部設計學生休息、自學或討論的空間。有些國外實驗室建設的理念也值得我們借鑒，例如：“水晶實驗室”，即以玻璃為墻，使整個實驗室成為透明的空間，對綜合實驗室中的學生來說，是一種展示的機會；對實驗室外的學生來說，也是一種吸引和環(huán)境的熏陶。

7 綜合實驗室的配套課程建設

綜合實驗室的建設還需要和學校的具體環(huán)境條件、辦學風格特色相結合，綜合實驗室的硬件建設也需要和軟件建設互動進行，尤其是課程建設。綜合實驗室的建設為分科課程和綜合課程的創(chuàng)新都提供了有力支持，所開發(fā)的課程可在學生的實踐性、體驗性、創(chuàng)造性等方面有更多的思考和作為，既可以是基礎型課程，也可以是拓展型課程。在信息化實驗條件的支持下，課程的實施可以課內和課外相結合，校內和校外相結合。同時，由于實驗室環(huán)境的革新使學生可以在學習過程中有更多的表現(xiàn)機會，其中的很多行為又可以被信息化的手段完整記錄，所以課程評價對過程性的關注也可以更加落到實處。

參考文獻：

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