国内中学理科数字化实验教学现状与分析*

陈晨新 薛耀锋 闫寒冰 苏小兵

1 华东师范大学教育信息技术学系 上海 200062

2 华东师范大学 上海数字化教育装备工程技术研究中心 上海 200062

3 华东师范大学网络教育学院 上海 200062

作者：陈晨新，在读硕士，主要研究方向为教育信息化；薛耀锋，副研究员，博士，主要研究方向为教育信息化，通讯作者；闫寒冰，副研究员，硕士生导师，研究方向为教育技术能力培养等；苏小兵，博士，院长助理，研究方向为数字化实验环境设计等。

1 引言

我国从2002年开始逐渐采用数字化实验的方法，最初只是将其应用在物理学科，后来逐渐扩展到化学、生物学科，现在数学、科学学科中也有应用。从2002年到2012年，数字化实验走过了近十年的发展，在此期间，对数字化实验研究贡献最大的当属中学理科一线教师，他们的研究偏重于实践，和实际教学联系紧密，但这些研究大多局限于单个实验，不具有普适性，还有一些研究集中在数字化实验与传统实验的比较和整合以及数字化实验在探究教学中的应用。虽然目前对数字化实验的研究取得一些成果，但在实际的教学过程中仍然存在不少问题。本文在数字化实验已有研究成果的基础上，首先对数字化实验做系统介绍，接着深入探讨数字化实验在实际教学中的应用，分析其中存在的不足，并提出改进建议。

2 数字化实验介绍

2.1 数字化实验

现阶段，关于数字化实验的概念，大多数学者均是从结构组成的角度进行定义，它指由“传感器+数据采集器+实验软件包+计算机”[1]构成的新型实验系统。在本文中，数字化实验不仅包括基于传感器的实验，还包括网上虚拟实验。

数字化实验的主要技术特征有：

1)数据采集的多样化；

2)数据处理的智能化；

3)实验过程的可视化；

4)实验结果的定量化[2]。

2.2 数字化实验教学的理论基础

数字化实验的理论基础主要有相似学理论、建构主义学习理论、学习的信息加工理论和教学过程最优化理论等。

1)相似学理论经常用于解决现代科学实验工作中遇到的问题，通过它可以用简单的模型去研究复杂的现象。在数字化实验教学中，生理感官相似、数字化实验设备和真实实验设备的结构和功能相似是成功进行网上虚拟实验的必要条件[3]。

2)教学过程最优化理论有力地支持了教师的教。教师在进行教学前都应该思考如何组织教学才能使教学效果最大化。

3)建构主义学习理论在帮助学生的学方面具有积极作用。教师要通过情境、协作、会话等多种手段帮助学生理解事物和现象的本质、现象背后蕴含的规律以及事物之间的内在联系，从而有助于学生在探究性学习和协作学习中实现自主的意义建构[4]。

4)学习的信息加工理论在学生学会的基础上进行知识迁移方面提供了有力的支持。教师可以利用数字化实验进行探究式教学，使学生真正体验到探究的乐趣，实验结果多种显示，可以增强学生的形象记忆和编码，便于学生进行知识的迁移和应用[5]。

上述4种理论与数字化实验教学的关系如图1所示。

2.3 数字化实验相关产品介绍

数字化实验的核心技术是信息技术，在国内外有专门从事为教育领域开发数字化实验的公司。国内的公司主要有山东远大网络多媒体有限责任公司、华师京城高新技术股份有限公司、北京友高教育科技公司及宁波GQY数字教学设备有限公司等。

图1 数字化实验教学的理论支撑

山东远大网络多媒休有限责任公司研发的朗威系列产品开启了国内实验教学的数字化时代[6]。目前，该实验装备已被编入华东版等国内多家新课标物理教材，成为信息技术与物理教学理念整合的优秀载体。华师京城高新技术股份有限公司是华东师范大学的战略投资企业，其生产的软件产品包括虚拟实验室、仿真实验室以及数字传感器实验室三大系统，这三大系统构成了全方位的数字化实验室，它可以全面满足各学科实验教学的各种需求。北京友高教育科技公司隶属于北京师范大学产业总公司教育技术研究所，其产品友高数字化实验室是一整套新型的数字化教学设备，它为实验教学提供了一个开放的平台。GQY公司针对国家二期课改，与国家教育部教学仪器研究所合作研发的GQY-eLab系列产品，主要适用于教育系统的物理、化学、生物以及相关探究性实验。

国外在数字化实验的开发方面起步较早，技术也比较成熟，目前应用较多的有美国PASCO公司、Vernier公司、德州仪器公司，英国Pico Technology公司生产的产品。此外，以色列fourier公司、韩国数字株式会社(KD)生产的各种数字化实验也比较著名。

3 数字化实验在教学中的应用

美国与英国很早就将传感器、数据采集器技术运用到教学中，随后在亚洲地区(如新加坡、文莱、马来西亚和台湾等地)也投入大量的资金专门用于数字化实验装置的购置与技术的培训。在我国，数字化实验首先应用于中学物理学科，接着在化学、生物等学科中逐渐加以应用。

3.1 数字化实验在学科教学中的应用

在实际的学科教学中，数字化实验可以应用于各种实验类型，比如说课堂演示实验、学生分组实验、边学边实验和课外实验，具体应用于哪种类型要根据课程内容和教师的讲课方案来确定[7]。依据数字化实验自身的优势和学科的特点，介绍几种典型的应用。

1)从定性研究上升到定量分析。学科教学中有些实验，如碱溶解与碱溶液的pH变化，只能观察到实验现象，却很难进行量化处理。而数字化实验可以将定性研究和定量分析结合起来，使实验结论更科学，更具有说服力。

2)有利于突破教学重难点。有些概念和原理比较抽象，学生不容易理解，比如化学中的弱电解质，教师可以自行设计实验，借助于数字化实验的函数图象处理功能，将实验数据以图像的形式输出到电脑屏幕上，学生可以清晰直观地看到实验结果，从而将教学重难点各个击破，使那些晦涩难懂的概念和原理变得容易认知，达到快速突破教学重难点的目的。

3)开展课内探究和户外探究。数字化实验仪器可以节省大量的实验时间，教师可以充分利用这些时间，使学生在完成实验任务的基础上进行拓展实验；学生可以针对自己在实验过程中发现的问题和产生的疑惑，自行设计实验方案，亲自动手来验证自己的假设和猜想。另外，有些数字化实验仪器轻巧且携带方便，这一特点为学生的户外探究提供了有力的技术支持，学生可以在野外进行实时测量和分析。

4)用于设计有趣或有毒的实验。教师在完成实验教学任务的基础上，可以设计一些有趣的实验，比如让学生自己制作水果电池等。另外，数字化实验在一些有毒的实验(如托里拆利实验)中也发挥了很大的作用[8]。

3.2 数字化实验的教学评价

表1 表现性评价、发展性评价和动态评价法的区别

数字化实验的教学评价是实验教学的重要组成部分，但却长期得不到重视。教师的评价方式单一、评价方法不合理等都是目前存在并急需解决的问题，那么究竟采用什么样的评价方法才能对学生的表现做出科学合理的判断呢？在中学理科实验教学中，提倡表现性评价、发展性评价和动态评价法，它们可以单独使用，必要的时候也可组合使用。表1列出3种评价方式的区别。

由表1可知，发展性评价侧重于评价方法的综合应用，在实施过程中有可能会用到表现性评价，而表现性评价侧重于学生在真实任务情境中的表现，但两者的终极目的和功能取向基本一致，不仅注重对学习结果的评价，还特别注重对学习过程的评价。但是，由于两者实施起来需要耗费大量的时间和精力，在学校中的应用还不是特别普及。相对而言，动态评价法的可行性较好，而且能达到公正、合理的评价目的。至于评价量表中的一级指标、二级指标和权重可以通过学科研讨会进行确定，在具体实施的过程中要根据实验类型及实验目标进行相应的调整。当然，也不能完全摒弃传统的纸笔测验，毕竟它能够直观地展现学生的知识掌握程度，但是要注意测试题的选择和编制。

4 数字化实验教学中存在的不足

虽然数字化实验有很多优点，但凡事均具有两面性，在看到其长处的同时，也不能忽略它的不足。

4.1 削弱了学生的动手能力

数字化实验可以准确迅速地测量各种物理量，并且通过函数处理功能，以各种形式来表示物理量之间的关系。显然，这是数字化实验的一大优点，但同时也成为其缺点，这一中间过程严重削弱了学生的动手能力和计算能力。

4.2 数字化实验室的使用效率低

目前，受学校教育经费的限制，并不是每所学校都有能力装备数字化实验室，因为建设一个数字化实验室需要大量的资金投入。另外，那些已经装备数字化实验室的学校并没有好好利用，而是将其闲置一边，只有在特殊情况下才会使用，因此，数字化实验室的使用效率有待提高。

4.3 仪器的维护成本高

一方面，由于数字化实验装备属于精密仪器，在使用的过程中稍有不慎就容易被损坏；另一方面，信息技术的高速发展导致仪器的更新换代速度加快，几年的时间里原来的实验仪器就会老化，精确度降低，这些都导致数字化实验的维护成本高。

4.4 应用范围狭窄

就目前的应用情况来看，教师大都将数字化实验应用于教材中介绍的实验，其应用范围太狭窄，完全没有发挥其教育教学功能。数字化实验作为实验教学的一种新工具，应该具有更广泛的应用空间，这需要广大一线教师在教学实践中不断进行摸索和创新。

5 数字化实验教学改进的建议

针对以上数字化实验教学过程中存在的一些问题，提出改进建议。

5.1 有选择地使用数字化实验和传统实验方式

并不是所有的实验都采用数字化实验方式就能取得好的教学效果，教师不应该放弃传统实验方式，在进行实验方式选择的时候应该灵活一点儿，使教学方式更好地为教学内容服务。

5.2 软硬结合，虚实结合

针对教育资源不公平的现象，一方面政府部门要尽力缩小城市和农村之间的差距，另一方面可以充分发挥网络平台的作用，将数字化实验资源制作成电子资源，发布到网上或刻录成光盘，这样学生就可以通过网络或影碟机来感受数字化实验的“魔力”。

5.3 提高教师的信息素养，开展相关培训

随着数字化实验在教材中所占比例的增加，有必要开展加强教师信息素养的相关培训。教师在应用数字化实验的过程中会遇到很多问题，比如如何将数字化实验与传统实验方式进行整合，培训可以帮助教师在短时间内找到问题的答案。

6 结束语

数字化实验应用于理科实验教学是一次教学手段的革新，是教育技术的进步，无论理论还是实践，都证明了数字化实验应用于教学具有非常独到的优点。但凡事均具有两面性，在发挥其优势的时候，要尽量避免其劣势，要真正认清当前我国数字化实验教学的现状，发现数字化实验在我国理科实验应用中存在的问题，对症下药，以期数字化实验在我国理科实验教学中发挥更大的功能和作用。

[1]冯容士.工具的变迁，课改的理念:DISlab综述[J].物理教学,2004(9):19-22.

[2]苏建东.充分发挥DIS实验在高中物理教学中优势的研究[D].上海:上海师范大学,2009.

[3]徐庚保.相似论浅说[J].计算机仿真,2000(5):1-4.

[4]张剑平,熊天平.信息技术与课程整合[M].杭州:浙江大学出版社,2006:32.

[5]刘晶,王红录.信息加工学习理论在教育技术中的应用[J].中小学教师培训,2000(12):51-52.

[6]刘云览.DIS实验技术在物理教学中的实践研究[D].上海:华东师范大学,2006.

[7]赖莉飞.数据采集器运用于中学物理实验的研究[D].广州:华南师范大学,2004:36.

[8]任立新.数字化实验在新课程化学教学应用中的探索与实践[J].学周刊,2011(3):173.