數(shù)字化實驗室及其在中職教學(xué)中的應(yīng)用

羅世春 李明海

靈山縣職業(yè)技術(shù)學(xué)校

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，國家基礎(chǔ)教育課程改革的穩(wěn)步推進(jìn)，以及歐美等發(fā)達(dá)國家將數(shù)字化實驗室應(yīng)用于理科教學(xué)的積極影響，我國新一輪課程改革對信息技術(shù)尤其是基于傳感器的數(shù)字化實驗室與課程整合提出了明確要求。結(jié)合近年來在職校進(jìn)行的基于傳感器的實驗教學(xué)實踐，利用中職課程改革的契機(jī)，我們對數(shù)字化實驗室及其在中職教學(xué)中的應(yīng)用做了積極并富有成效的探索。

一、數(shù)字化實驗室應(yīng)用于中職教學(xué)的層次

作為我國中職教學(xué)的新生事物，以及筆者近年的教學(xué)嘗試，數(shù)字化實驗室應(yīng)用于中職教學(xué)深受學(xué)生歡迎，并贏得了同行認(rèn)可，初步突顯出其較強的教育功能，有利于中職新課程的推進(jìn)。通過對教學(xué)實踐的跟蹤分析，基于數(shù)字化實驗室的中職教學(xué)在常規(guī)教學(xué)創(chuàng)新、傳統(tǒng)實驗改進(jìn)、科學(xué)探究深入三個應(yīng)用層次上具有較好的教學(xué)效果。

1.常規(guī)教學(xué)創(chuàng)新

常規(guī)教學(xué)如何創(chuàng)新?或者說，常規(guī)教學(xué)創(chuàng)新的基點在哪里?這不得不促使我們先了解科學(xué)的本質(zhì)觀。近代科學(xué)的奠基人伽利略曾經(jīng)指出，經(jīng)驗和推理是科學(xué)賴以建立的兩根支柱。由此，科學(xué)中有兩種思維方法：一種是由培根提出并由伽利略卓有成效運用了的歸納方法；另一種是笛卡爾在指導(dǎo)自己思維活動時自覺運用的演繹方法。的確，演繹法和歸納法是科學(xué)認(rèn)識的根本方法，同時也是中職教學(xué)的重要方法。前者強調(diào)從一般到特殊，由定義、定律、定理等出發(fā)一步步遞推，邏輯嚴(yán)密結(jié)論可靠，且能體現(xiàn)事物的特性；而后者注重從特殊到一般，由現(xiàn)象出發(fā)探索眾多事物的根本規(guī)律，且能體現(xiàn)事物的共性。兩種方法雖都有自己的優(yōu)點，但其不足也很明顯：演繹法縮小了范圍，使根本規(guī)律的作用得不到充分的展現(xiàn)；歸納法容易存在不完全歸納的問題。孰優(yōu)孰劣，難有定論。又因科學(xué)知識本身的客觀實在性，所以，常規(guī)教學(xué)創(chuàng)新的基點在于探索科學(xué)的方法。楊振寧先生通過比較中美科學(xué)教育發(fā)現(xiàn)，在中國傳統(tǒng)的教育體制下，中國中學(xué)、大學(xué)教學(xué)普遍使用的是演繹法，而美國則更注重歸納法。究我國學(xué)生容易忽視歸納法原因，除了傳統(tǒng)文化尤其是老莊思辯哲學(xué)影響外，恐怕歸納法教學(xué)的耗時性和現(xiàn)代教學(xué)手段的落后性之間矛盾也應(yīng)是原因之一，使得一些中職教師對應(yīng)用歸納法教學(xué)望而卻步。而數(shù)字化實驗室因其強大的實驗現(xiàn)象展示和數(shù)據(jù)處理功能，可以大大提高教學(xué)效率和質(zhì)量，應(yīng)用于中職教學(xué)恰好可以彌補這一缺憾。例如，動能定理的傳統(tǒng)教學(xué)大都采用演繹方法，即利用牛頓第二定律和勻變速直線運動公式推導(dǎo)出一個合乎邏輯的動能定理。事實上，演繹教學(xué)法運用不當(dāng)，往往成為“灌輸式”教學(xué)，學(xué)生處于被動地位，不利于素質(zhì)教育的實施。如果從啟發(fā)式的歸納法思想出發(fā)，創(chuàng)設(shè)一定質(zhì)量物體自由下落、沿斜面下滑等問題情境，啟發(fā)學(xué)生借助數(shù)字化實驗室(運動傳感器可以測量任一時刻的速度和位移；計算機(jī)軟件可以創(chuàng)建動能和功的計算公式)探索物體受力做功和動能變化的關(guān)系，最后再讓學(xué)生自己根據(jù)已有知識來演繹所歸納的結(jié)論。這樣的教學(xué)不但可以使學(xué)生應(yīng)用兩種方法的能力都得到發(fā)展，還讓學(xué)生體驗到了“做科學(xué)”的探究過程，非常符合新課改的基本理念。

由此，為實現(xiàn)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)，促進(jìn)學(xué)生的全面發(fā)展，科學(xué)教育中的常規(guī)教學(xué)創(chuàng)新具體表現(xiàn)為演繹和歸納兩種方法的融合。

2.傳統(tǒng)實驗改進(jìn)

如果說常規(guī)教學(xué)創(chuàng)新層次不過是借助于數(shù)字化實驗室進(jìn)行的理科教學(xué)“變式”，那么，傳統(tǒng)實驗改進(jìn)層次則是充分發(fā)揮數(shù)字化實驗室的“特色”。其實，數(shù)字化實驗室如何更有效地應(yīng)用于中職傳統(tǒng)實驗改進(jìn)，關(guān)鍵要回答好如下問題：

(1)傳統(tǒng)實驗難以深入的困難是什么

傳統(tǒng)中職實驗，一般都是靠學(xué)生的肉眼觀察實驗現(xiàn)象、手腦記錄和處理數(shù)據(jù)，其局限性顯而易見。歸納一下，傳統(tǒng)理科實驗主要遇到三個方面的困難：一是細(xì)微科學(xué)過程難以捕捉；二是定性科學(xué)實驗難以量化；三是抽象科學(xué)理論難以理解。

(2)運用數(shù)字化實驗室如何進(jìn)行改進(jìn)

針對中職傳統(tǒng)實驗改進(jìn)遇到的上述困難，數(shù)字化實驗室依靠其獨有的功能和優(yōu)勢，能夠分別給予解決。

一是實驗過程“可視化”。傳感器和計算機(jī)組成的數(shù)字化實驗室可以檢測信號量的微小變化和瞬間變化，并能以數(shù)字、圖像、表格、視頻等多種形式呈現(xiàn)給學(xué)生，從而使科學(xué)實驗的研究范圍大大擴(kuò)展、形式更加多樣。例如“酸堿中和滴定”實驗，傳統(tǒng)方法常會由于人為因素比如加液、振蕩、讀數(shù)不恰當(dāng)?shù)?，從而造成未知溶液濃度的?biāo)定誤差。而借助數(shù)字化實驗室中的PH 傳感器、滴數(shù)傳感器以及計算機(jī)，可以很好控制滴定的終點時刻(PH=7)，從而改進(jìn)實驗。

二是定性實驗“定量化”。定性實驗?zāi)芊襁M(jìn)一步深化，受實驗技術(shù)的制約。數(shù)字化實驗室為定性實驗的“定量化”研究提供了很好幫助，有利于學(xué)生理解科學(xué)的本質(zhì)。譬如，按照傳統(tǒng)實驗方法對靜電力大小進(jìn)行定性研究，會遇到像兩小球不易帶電、帶電后放電較快、偏離豎直方向的角度不易觀察等困難。若借助電流傳感器，將會帶來非常理想的實驗效果。所以，數(shù)字化實驗室能夠支持學(xué)生在實驗中進(jìn)行定量測量，特別是測量傳統(tǒng)實驗設(shè)備難以測量的變量，使學(xué)生積極參與到以觀察和實驗為主的探究學(xué)習(xí)中。

三是抽象問題“直觀化”。數(shù)字化實驗室抽象問題“直觀化”功能不僅有利于學(xué)生對實驗現(xiàn)象的觀察，還方便學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)的處理，從而可以提高實驗的效率和質(zhì)量。動力學(xué)中的超重失重雖是生活中的常見現(xiàn)象，但由于超重失重發(fā)生在物體變速運動過程中，按照傳統(tǒng)實驗方法，只能用彈簧測力計測量壓力的變化。顯然，變速運動過程中是很難讀出彈簧測力計示數(shù)的，所以學(xué)生無法看到該過程中的壓力變化情況，更別提記錄數(shù)據(jù)了。而借助力傳感器和運動傳感器能夠在同一界面直觀顯示F-t 和a-t 圖像。根據(jù)圖像不僅可以直觀理解超重失重的內(nèi)涵，還可以探索超重失重與加減速運動的關(guān)系。

3.科學(xué)探究深入

科學(xué)探究教學(xué)既是一種教學(xué)模式，也是一個創(chuàng)造性的活動。以探索、研究科學(xué)規(guī)律為出發(fā)點，以學(xué)生的實驗活動為中心，以培養(yǎng)學(xué)生的探究能力為目標(biāo)，最終實現(xiàn)學(xué)生的全面發(fā)展和個性張揚。在數(shù)字化實驗室的支持下，科學(xué)探究教學(xué)可以更加深入、發(fā)揮更大作用。為了讓學(xué)有所長的學(xué)生更充分地發(fā)展，以便進(jìn)一步提高學(xué)生的實驗素養(yǎng)，增強學(xué)生的創(chuàng)新意識，發(fā)展學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和獨立研究能力等，我們建議有條件的學(xué)校開設(shè)校本課程《基于數(shù)字化實驗室的科學(xué)探究》，以便于整合學(xué)校各方面的資源，充分發(fā)揮各類傳感器的作用，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神和探究能力。數(shù)字化實驗室應(yīng)用于科學(xué)探究學(xué)習(xí)，可以使學(xué)生親自體驗“做科學(xué)”的探究過程，這樣更能體現(xiàn)學(xué)生的主體性，增加學(xué)生的參與度，既有利于學(xué)生基本知識技能的獲得，又有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)態(tài)度、實踐能力和創(chuàng)新素質(zhì)。

二、結(jié)語

問題尚還存在，但我們應(yīng)堅信，數(shù)字化實驗室的發(fā)展不僅是教學(xué)形式和學(xué)習(xí)方式的變革，而且會對當(dāng)前的教育思想、觀念產(chǎn)生深刻影響。