威成亚的四、数字化探究实验室
    威成亚 -四、数字化探究实验室

1)背景

  数字化探究实验室产品背景:
  1.国家实施的2000-2010年的课程改革对科学教育的反思(强调科学探究、强调学生科学素养、创造性思维、问题解决能力的培养);
  2.2个主流的科学教育观点:“做中学”科学,“科学学习与生活结合”;
  3.现代信息技术和传感技术的发展,对探究实验室的产生提供了技术支撑;
  4.当前已有13个省(市)出台数字化探究实验室配备标准(北京、天津、上海、山东、广东、江苏、浙江、福建、河北、山西、陕西、湖南、湖北)。 2)概念

  数字化探究实验室概念:探究实验本质上是模拟的科学研究活动,学生以类似于科学研究的方式,在教师指导下,根据教学内容和各自的兴趣、从课程学习、社会现象、自然现象、自我生活中,选择和确定探究实验主题,独立与合作地开展实验探究,主动地获取和运用知识,解决问题,从而体验和了解科学探索过程,养成自主探究、创新的意识、素养和习惯,形成和提高创造能力。与传统实验相比,数字化实验有独特的优越性,使实验效率空前的提高,在切实减轻学生负担的同时,为培养学生的探究精神、创新能力和实验能力提供了整体解决方案。
  探究实验的内容主要是以课程教学内容为指引,按学科分为物理、化学、生物、自然科学等探究实验,按年级分为高中、初中、小学科学探究实验,通过探究实验室创设探究学习环境,借助各类先进实验设备及相关指导软件工具支持,进行上述内容的探究学习实验活动。
  众所周知,我国目前正轰轰烈烈的进行中小学课程改革。课程改革的核心理念,就是要强化学生的自主
  探究性学习,让学生通过自主探究性学习,掌握新的知识,获得新技能,培养科学探究的能力。在课程改革的新形势下,理科教学中实验教学的地位显得更为重要。许多的知识、规律不再是由教材直接给出后通过教师灌输给学生,而是要求让学生通过探究性实验来再发现,这就对理科实验室提出更高的要求。
  传统的理科实验室的缺陷,常常使教师在教学过程中产生困惑。最主要有以下几个方面的问题:一是传统实验仪器的分辨率不高,影响了探究实验的结果。既然要求学生通过探究实验对科学知识和规律进行再发现,那么就必须使探究实验的结果和需再发现的规律尽可能的相符合,可是由于传统实验仪器的分辨率不高,导致最后得到的结果和科学规律不尽相符,教学目的无法实现;二是传统实验室中实验数据的记录只能采用手工记录,数据采样率不高,对实验结果的精确度影响较大,更重要的是这种传统的数据记录方法面对一些快速连续变化的量时往往无能为力,导致一些实验无法完成;三是中学生分析处理数据的能力不强。传统实验室只能根据实验要求采集实验数据,但没有自动分析处理实验数据的功能。学生虽然在老师的指导下获得实验数据,但不懂如何分析和处理数据,最后还是回到由教师直接给出实验结果的老路上,使实验不能真正体现课程改革的理念。
  长此以往,学生会觉得实验难做,实验意义不大,严重影响学生的学习兴趣。在这种情况下,数字化探究实验室产品应运而生,为中学理科实验教学提供完美的解决方案。对比传统实验室,数字化探究实验室在上述几个方面都拥有巨大的优势:首先数字化实验室采用传感器作为采集实验数据的工具,其分辨率远远高于传统实验仪器。以物理实验室中最简单、最常用的测力工具为例,传统实验室大多用弹簧测力计作为测力工具,其分辨率一般为0.1N,而数字化探究实验室采用力传感器作为测力工具,其分辨率一般可达到0.005N,精确度远高于传统测力工具。数字化探究实验平台采用各种类型的高分辨率传感器作为实验数据采集工具,精确度大大优于传统实验室,为科学规律的再发现提供了完美的工具;其次,数字化探究实验平台具有实验数据自动采集的功能,采集频率一般在10kHz以上。足够高的数据采样率保证了实验结果的精确度,同时可以轻松解决许多传统实验室无法解决的涉及到连续快速变化的量的各种实验;最后,数字化探究实验平台的软件部分具有强大的数据处理功能,可以帮助学生轻松的对实验结果进行分析处理,让学生通过探究实验对科学规律进行再发现,使理科实验教学得到大大的简化,真正体现了新课程改革的核心理念。
  数字化探究实验室所具有的这些优势,使其在基础教育中能得到广泛的应用。在发达国家,数字化探究实验室早已经成为基础教育中必备的工具,而在我国,在课程改革的要求下,也开始了关于数字化探究实验室在基础教育中的尝试。作为中国新课程改革首批试点地区的上海率先将数字化实验室引入基础教育中,2002年上海市教委将数字化探究实验室引入二期课改的高中物理教材,开了我国在基础教育部分推广数字化探究实验室的先河。在上海市课程改革取得初步成功的基础上,中国教育部在2003年制定的《普通高中物理课程标准(实验)》也将数字化探究实验室引入到国家新课程理科实验教学中,正式拉开了在我国基础教育部分广泛应用数字化探究实验室的序幕。目前,全国大多数省市已将数字化探究实验室列入基础教育装备标准,数字化探究实验室作为基础教育中理科实验室的发展方向,已经得到教育界大多数专家、学者和决策者的公认。 3)组建必要性

  数字化实验室组建的必要性:
  1、建设数字化实验室是落实《基础教育课程改革纲要》的重要举措。
  2、科学探究既是学生的学习目标,又是重要的教学方式之一。 4)主要功能

  数字化探究实验室的功能:
  1、实现对抽象的、动态变化的物理量进行直观测量与观察,归纳总结出相应的运动规律。
  2、实现观察测量过程与绘图分析过程的同步,现象直观、测量精确,提高课堂教学效率。
  3、可拓展探究问题的深度和广度。
  4、丰富了探究方案的选择。
  5、可以更好地培养学生分析、质疑、探究、解决问题的综合能力。
  6、创设以综合、探究、创新为理念的新课程实验教学环境,养成自主、合作、探究的新的学习方式。 5)组成部分

  数字化探究实验室组成部分:数字化实验室基于探究实验,本质上是模拟的科学研究活动的理念,综合体现了现代教学理论、学习理 论、科学理论、模拟理论、组织理论、团队理论对探究实验的本质、心理基础、模式设计、实施与评价及其发展的研究成果。
  数字化实验室由二部分构成:
  学生探究过程
  1、科学的实验流程:每个探究实验都是一次模拟的科学研究活动,体现了科学研究过程的基本程序。该流程为确定实验课题——搜集资料——提出问题——制定方案——模拟实验——实验论证——实验报告。
  2、模拟实验平台:应用模拟防真技术,突破常规实验物质条件的限制。
  3、即时指引:在实施探究实验过程中,随时提供指引,克服了实验的盲目性,提高了实验效率。
  教师管理指导
  在探究实验过程中教师的角色是导师,计算机自动记录实验过程,保证数据的客观性,方便教师实验“一对多”的实验活动管理,同时高效的管理仪器设备、药品。
  中教开源数字化实验室由数据采集器、系列传感器和软件构成。其中软件包括新课改教材专用软件和通用软件,传感器的种类正在根据教学要求不断扩展。
  1.传感器:传感器的作用是把实验中测量的各种非电信号(例如:力、位移、光强、PH值等)转换成标准的电信号,并把这些电信号传递给采集器。
  2.采集器:采集器是传感器与计算机的接口。它的作用是把实验中各种传感器输出的电信号转换成数字信号并输入到计算机中。
  3.数字化探究实验室专用软件: 数字化实验室软件主要用于传感器数据的采集、数据表现与数据分析。软件在数据表现上,提供了数据表格、数据曲线等表现形式。在数据分析上,提供了数据统计、曲线拟合和线形回归等方式,操作简单,使用方便。采集器与计算机之间通过USB接口相联,具有优秀的兼容性、稳定性和操作上的灵活性。
  进行实验时,首先通过传感器测量各种物理量,并把测量的值传递给数据采集器;然后由数据采集器把采集到的实验数据传递给计算机;最后通过计算机软件以数值、图表、曲线等各种方式表现实验数据,并可根据教学要求对实验数据进行各种分析与处理。
  6)推广意义
  数字化探究实验室推广意义:
  1.创新教学手段,促进信息技术与课程的全面整合
  “信息技术应包括:现代感应技术、通讯技术、计算机智能技术和控制技术。”
  科技的进步必然促进教育的发展,近年来,信息技术的飞速发展,给教育教学领域带来翻天覆地的变化,新型的教学设备提供了全新的教学手段,开拓了全新的视野,更产生了的全新的成果,其中信息技术与学科教学的整合已经成为世界教育领域发展的潮流。
  科学的本质是探索真理和发现真理,但是由于国内以前缺乏有效的手段,信息技术与课程的整合一直停留在比较肤浅的层面上,根本不能深入到学科的本质中去,大多数人对此产生了困惑。数字化探究实验室的出现从根本上解决了这一问题,它从理科教学的重要环节——实验入手,通过数字化的实验设备去解决理化生学科教学中的问题,不仅提高了教学效率,解决了教学难题,更进一步培养了学生的动手能力和探究精神。这种新型的教学设备是教育技术发展的最新成果,从根本上改变了以前几十年不变的实验教学模式,为教学改革的创新提供了舞台,为促进信息技术与中学理科教学的全面整合起到了革命性的作用!
  2.更新教学理念,适应新课改的需要
  现代教育的理念是不仅要使学生获得一定的知识和技能,更要通过学习过程养成科学的思维和研究方法,还要形成正确的情感、态度和价值观。
  目前中国正进行着新一轮的基础教育课程改革。新课改提倡全面发挥学生的主动性,使学生较为深入地学习物理、化学、生物实验的有关理论、方法和技能,进一步提高学生的实验素养。主要表现为,激发学生实验探究的兴趣,增强学生的创新意识,培养学生实事求是、严谨认真的科学态度,养成交流与合作的良好习惯,发展学生的实践能力等方面。
  新课程标准要求学生通过强化实验方案的自我设计,深入对实验过程和实验误差分析,重视对实验方案和实验结果评估。而数字化探究实验室在激发学生兴趣,帮助师生更好地对实验过程探究、实验误差分析、实验结果评估等方面显然具有传统实验设备无法超越、无可比拟的优势。
  所以,数字化探究实验室的推广与运用,不仅是教学手段的创新,更是教学理念的革命!
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    收录时间:2016年04月29日 10:16:54 来源:百科网 作者:匿名
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