國內中學理科數字化實驗教學現狀與分析*

陳晨新 薛耀鋒 閆寒冰 蘇小兵

1 華東師范大學教育信息技術學系 上海 200062

2 華東師范大學 上海數字化教育裝備工程技術研究中心 上海 200062

3 華東師范大學網絡教育學院 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，碩士生導師，研究方向為教育技術能力培養等；蘇小兵，博士，院長助理，研究方向為數字化實驗環境設計等。

1 引言

我國從2002年開始逐漸采用數字化實驗的方法，最初只是將其應用在物理學科，后來逐漸擴展到化學、生物學科，現在數學、科學學科中也有應用。從2002年到2012年，數字化實驗走過了近十年的發展，在此期間，對數字化實驗研究貢獻最大的當屬中學理科一線教師，他們的研究偏重于實踐，和實際教學聯系緊密，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字化實驗與傳統實驗的比較和整合以及數字化實驗在探究教學中的應用。雖然目前對數字化實驗的研究取得一些成果，但在實際的教學過程中仍然存在不少問題。本文在數字化實驗已有研究成果的基礎上，首先對數字化實驗做系統介紹，接著深入探討數字化實驗在實際教學中的應用，分析其中存在的不足，并提出改進建議。

2 數字化實驗介紹

2.1 數字化實驗

現階段，關于數字化實驗的概念，大多數學者均是從結構組成的角度進行定義，它指由“傳感器+數據采集器+實驗軟件包+計算機”[1]構成的新型實驗系統。在本文中，數字化實驗不僅包括基于傳感器的實驗，還包括網上虛擬實驗。

數字化實驗的主要技術特征有：

1)數據采集的多樣化；

2)數據處理的智能化；

3)實驗過程的可視化；

4)實驗結果的定量化[2]。

2.2 數字化實驗教學的理論基礎

數字化實驗的理論基礎主要有相似學理論、建構主義學習理論、學習的信息加工理論和教學過程最優化理論等。

1)相似學理論經常用于解決現代科學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雜的現象。在數字化實驗教學中，生理感官相似、數字化實驗設備和真實實驗設備的結構和功能相似是成功進行網上虛擬實驗的必要條件[3]。

2)教學過程最優化理論有力地支持了教師的教。教師在進行教學前都應該思考如何組織教學才能使教學效果最大化。

3)建構主義學習理論在幫助學生的學方面具有積極作用。教師要通過情境、協作、會話等多種手段幫助學生理解事物和現象的本質、現象背后蘊含的規律以及事物之間的內在聯系，從而有助于學生在探究性學習和協作學習中實現自主的意義建構[4]。

4)學習的信息加工理論在學生學會的基礎上進行知識遷移方面提供了有力的支持。教師可以利用數字化實驗進行探究式教學，使學生真正體驗到探究的樂趣，實驗結果多種顯示，可以增強學生的形象記憶和編碼，便于學生進行知識的遷移和應用[5]。

上述4種理論與數字化實驗教學的關系如圖1所示。

2.3 數字化實驗相關產品介紹

數字化實驗的核心技術是信息技術，在國內外有專門從事為教育領域開發數字化實驗的公司。國內的公司主要有山東遠大網絡多媒體有限責任公司、華師京城高新技術股份有限公司、北京友高教育科技公司及寧波GQY數字教學設備有限公司等。

圖1 數字化實驗教學的理論支撐

山東遠大網絡多媒休有限責任公司研發的朗威系列產品開啟了國內實驗教學的數字化時代[6]。目前，該實驗裝備已被編入華東版等國內多家新課標物理教材，成為信息技術與物理教學理念整合的優秀載體。華師京城高新技術股份有限公司是華東師范大學的戰略投資企業，其生產的軟件產品包括虛擬實驗室、仿真實驗室以及數字傳感器實驗室三大系統，這三大系統構成了全方位的數字化實驗室，它可以全面滿足各學科實驗教學的各種需求。北京友高教育科技公司隸屬于北京師范大學產業總公司教育技術研究所，其產品友高數字化實驗室是一整套新型的數字化教學設備，它為實驗教學提供了一個開放的平臺。GQY公司針對國家二期課改，與國家教育部教學儀器研究所合作研發的GQY-eLab系列產品，主要適用于教育系統的物理、化學、生物以及相關探究性實驗。

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

3 數字化實驗在教學中的應用

美國與英國很早就將傳感器、數據采集器技術運用到教學中，隨后在亞洲地區(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字化實驗裝置的購置與技術的培訓。在我國，數字化實驗首先應用于中學物理學科，接著在化學、生物等學科中逐漸加以應用。

3.1 數字化實驗在學科教學中的應用

在實際的學科教學中，數字化實驗可以應用于各種實驗類型，比如說課堂演示實驗、學生分組實驗、邊學邊實驗和課外實驗，具體應用于哪種類型要根據課程內容和教師的講課方案來確定[7]。依據數字化實驗自身的優勢和學科的特點，介紹幾種典型的應用。

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

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

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

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

3.2 數字化實驗的教學評價

表1 表現性評價、發展性評價和動態評價法的區別

數字化實驗的教學評價是實驗教學的重要組成部分，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生的表現做出科學合理的判斷呢？在中學理科實驗教學中，提倡表現性評價、發展性評價和動態評價法，它們可以單獨使用，必要的時候也可組合使用。表1列出3種評價方式的區別。

由表1可知，發展性評價側重于評價方法的綜合應用，在實施過程中有可能會用到表現性評價，而表現性評價側重于學生在真實任務情境中的表現，但兩者的終極目的和功能取向基本一致，不僅注重對學習結果的評價，還特別注重對學習過程的評價。但是，由于兩者實施起來需要耗費大量的時間和精力，在學校中的應用還不是特別普及。相對而言，動態評價法的可行性較好，而且能達到公正、合理的評價目的。至于評價量表中的一級指標、二級指標和權重可以通過學科研討會進行確定，在具體實施的過程中要根據實驗類型及實驗目標進行相應的調整。當然，也不能完全摒棄傳統的紙筆測驗，畢竟它能夠直觀地展現學生的知識掌握程度，但是要注意測試題的選擇和編制。

4 數字化實驗教學中存在的不足

雖然數字化實驗有很多優點，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 削弱了學生的動手能力

數字化實驗可以準確迅速地測量各種物理量，并且通過函數處理功能，以各種形式來表示物理量之間的關系。顯然，這是數字化實驗的一大優點，但同時也成為其缺點，這一中間過程嚴重削弱了學生的動手能力和計算能力。

4.2 數字化實驗室的使用效率低

目前，受學校教育經費的限制，并不是每所學校都有能力裝備數字化實驗室，因為建設一個數字化實驗室需要大量的資金投入。另外，那些已經裝備數字化實驗室的學校并沒有好好利用，而是將其閑置一邊，只有在特殊情況下才會使用，因此，數字化實驗室的使用效率有待提高。

4.3 儀器的維護成本高

一方面，由于數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，信息技術的高速發展導致儀器的更新換代速度加快，幾年的時間里原來的實驗儀器就會老化，精確度降低，這些都導致數字化實驗的維護成本高。

4.4 應用范圍狹窄

就目前的應用情況來看，教師大都將數字化實驗應用于教材中介紹的實驗，其應用范圍太狹窄，完全沒有發揮其教育教學功能。數字化實驗作為實驗教學的一種新工具，應該具有更廣泛的應用空間，這需要廣大一線教師在教學實踐中不斷進行摸索和創新。

5 數字化實驗教學改進的建議

針對以上數字化實驗教學過程中存在的一些問題，提出改進建議。

5.1 有選擇地使用數字化實驗和傳統實驗方式

并不是所有的實驗都采用數字化實驗方式就能取得好的教學效果，教師不應該放棄傳統實驗方式，在進行實驗方式選擇的時候應該靈活一點兒，使教學方式更好地為教學內容服務。

5.2 軟硬結合，虛實結合

針對教育資源不公平的現象，一方面政府部門要盡力縮小城市和農村之間的差距，另一方面可以充分發揮網絡平臺的作用，將數字化實驗資源制作成電子資源，發布到網上或刻錄成光盤，這樣學生就可以通過網絡或影碟機來感受數字化實驗的“魔力”。

5.3 提高教師的信息素養，開展相關培訓

隨著數字化實驗在教材中所占比例的增加，有必要開展加強教師信息素養的相關培訓。教師在應用數字化實驗的過程中會遇到很多問題，比如如何將數字化實驗與傳統實驗方式進行整合，培訓可以幫助教師在短時間內找到問題的答案。

6 結束語

數字化實驗應用于理科實驗教學是一次教學手段的革新，是教育技術的進步，無論理論還是實踐，都證明了數字化實驗應用于教學具有非常獨到的優點。但凡事均具有兩面性，在發揮其優勢的時候，要盡量避免其劣勢，要真正認清當前我國數字化實驗教學的現狀，發現數字化實驗在我國理科實驗應用中存在的問題，對癥下藥，以期數字化實驗在我國理科實驗教學中發揮更大的功能和作用。

[1]馮容士.工具的變遷，課改的理念:DISlab綜述[J].物理教學,2004(9):19-22.

[2]蘇建東.充分發揮DIS實驗在高中物理教學中優勢的研究[D].上海:上海師范大學,2009.

[3]徐庚保.相似論淺說[J].計算機仿真,2000(5):1-4.

[4]張劍平,熊天平.信息技術與課程整合[M].杭州:浙江大學出版社,2006:32.

[5]劉晶,王紅錄.信息加工學習理論在教育技術中的應用[J].中小學教師培訓,2000(12):51-52.

[6]劉云覽.DIS實驗技術在物理教學中的實踐研究[D].上海:華東師范大學,2006.

[7]賴莉飛.數據采集器運用于中學物理實驗的研究[D].廣州:華南師范大學,2004:36.

[8]任立新.數字化實驗在新課程化學教學應用中的探索與實踐[J].學周刊,2011(3):173.