智能实验教学环境下农村初中实验教学模式的探索

湖北省松滋市南海镇南海初级中学(434201) 董清华 王世静

初中物理、化学、生物都是以实验为基础的学科。实验可以创造和预设教学情境，有利于学生学习和掌握知识，有助于培养学生的能力，从而全面提升学生的科学素养。实验教学在概念的引入、概念的定义、规律的探究和归纳、物理量的测量和计算中发挥了不可替代的作用。随着科技日新月异发展，实验室建设、实验器材、实验内容与方法、实验技术都发生了很大变化，大数据、虚拟技术、AI智能等的引入也让实验教学如虎添翼。

我校是一所农村初中，2020年4月被选入教育部重点课题“中小学智能实验教学系统的构建与应用实践研究”子课题“智能实验教学环境初中理化生实验教学的有效方法研究”实验学校。在课题研究中，我们根据课题组的要求，对我校及其他农村初中的实验教学现状进行了调查，摸清了实验室、实验教师、实验教学实际情况，初步探索智能实验教学环境下适合农村初中实情的实验教学模式。

1 农村初中实验教学现状

(1)实验基本能正常开展。随着全市薄改项目落地实施，所有乡镇初中实验器材配备到位，理化生实验器材基本满足教学需要，演示实验开出率达到90%，学生实验开出率可以达到100%。

(2)特殊实验药品仍存在短缺现象。部分化学实验药品由于申报手续繁复、采购受阻，不能及时供给，无法满足实验教学的需要。

(3)实验器材老化，不适应教学需要。部分理化实验器材已经不适应教学需要，比如电学器材基本为学生实验器材，不能进行演示实验，或者实验可视性不强。

(4)实验器材的精度不高，实验误差较大。现有器材特别是测量器材，精度过低，实验误差较大，导致无法达到预定实验效果。

(5)部分实验由于安全性等因素无法开展。比如托里拆利实验，由于水银蒸汽有毒，现行教材要求不再进行演示实验。

(6)实验室建设标准不一，导致各校实验开出情况不同，实验对教学的贡献率不统一。

2 基于智能实验教学环境下教学模式的探索

2.1 基于互联网实时接入技术在教学情境中应用的探索

互联网实时接入，可以做到实时、实地、实景与教学需要的结合。教师根据教学内容提前浏览相关信息或者视频，以满足教学的需要。比如托里拆利实验，教材要求播放视频，让学生观看。在实际教学时，可以借助互联网的实时接入，让学生观看多个视频，了解：①实验中倾斜玻璃管时水银柱高度变化情况；②用水做测大气压实验；③非标准大气压条件下水银柱的高度等情况。学生通过观看这些视频，既掌握了托里拆利实验基本原理，也了解了相关拓展实验。再比如重力概念教学，可以播放神舟十号飞行员王亚平在“天宫一号”中做的相关实验，让学生直观看到物体在失重状态下的状况。

2.2 虚拟实验在实验教学中运用的探索

虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目。我们在实际教学中使用的是借助动画软件制作出来的虚拟实验装置或者器材来模拟实际实验，从而补齐部分演示实验可视性不强的短板。

在托盘天平使用的演示中，由于天平本身较小，可视性不够好。借助Flash制作的天平使用的虚拟实验装置，教师可以完整演示从天平使用前的调节到使用后器材整理的全过程，直接生动，学生印象深刻。

再如串并联电路教学中，我们通常的做法是分发磁吸式电路元件让学生在黑板上动手连接。但是由于电路连接方法很多，学生无法及时掌握。我们可以借助虚拟实验装置，对同一个实验反复拆除和连接，学生可以直观判断出正确连接方法，掌握多种连接方法。

2.3 基于物联网的实验管理系统在实验教学管理应用中的探索

我校建立了一套实验管理系统，包括教师端、实验员端、后勤保障端和教务端。教师根据教学进度申报演示实验、学生实验的时间、人数和器材要求。实验员根据全校24个班课表和实验保障情况做出实验安排表，并根据要求开放实验室。后勤保障人员根据实验实际消耗补齐实验药品和器材，对实验员申报的器材药品和消耗情况做好登记。教务主管做好实验开出情况和完成情况统计，及时协调各端口，处理相关问题。在实际运行过程中，取得了一定的效果。但是还存在无法监控实验实时情况，无法对学生实验情况进行客观评价等实际问题。

2.4 智能实验器材在实验教学中运用的探索

现有的实验器材是根据现行教材实验要求配备的。但是一些实验器材还是跟不上学生的学习需要或者跟不上时代的步伐。我们可以对实验器材加以改进，引入一些智能实验器材，补充和丰富现有实验器材。

物理热学中比热容的实验，现行实验器材是使用热得快对水和煤油加热，实验时还要提前测出两种液体的质量和初温，实验中学生要同时记录时间和温度。根据实验要求，我们将计时器、电子秤和电子温度计整合在一起，学生可以直观看到加热前、加热中液体的质量、温度变化，对比性很强，效果明显。

测家用电器的电功率实验，如果借助电能表和计时器，测量时学生不仅需要边计时边数电能表表盘转过的圈数，而且计算较为复杂。如果借助网购的电功率仪，直接将用电器接入电功率仪，再将电功率仪接入电路，打开用电器开关，实时电功率就可以直接在表盘上显示出来。

当然，智能环境下实验教学不是用虚拟实验、智能实验器材等全面取代学生的动手实验，而是现有实验教学的一种补充和完善。比如伏安法测电功率实验是初中物理一个重要的电学实验，也是每年中考考核的重点。实际实验时，学生要完成电路连接、观察灯泡亮度、数据记载、计算电功率等操作，考察学生电路设计、动手、观察、故障判断、计算等能力。如果用智能的电功率仪去测小灯泡的功率反而让学生失去了学习、实践机会，也不能培养学生能力和思维。