用信息化手段整合中學實驗教學模式

■陳應清

正確理解傳統(tǒng)實驗室、探究性實驗室、仿真實驗室在中學實驗教學中的地位和作用，在課程改革中有效整合各種實驗模式，讓信息技術在中學實驗教學中發(fā)揮就應有的作用，促進中學實驗教學。

隨著信息技術加速應用于教育技術裝備和實驗室建設，重慶市中學已建成相當數(shù)量的探究性實驗室、仿真實驗室，有效地促進了本市中學實驗教學方式和手段的信息化，豐富了實驗教學。這里就傳統(tǒng)實驗室、探究性實驗室、仿真實驗室結構、特點進行分析，探討中學實驗教學模式的整合。

1 三種實驗平臺比較

1.1 傳統(tǒng)實驗室

1）傳統(tǒng)實驗室構成。實物教學儀器+基礎設施（如水、電、氣相關設施、實驗桌凳），是實驗室最基本構成模式。

2）傳統(tǒng)實驗室功能。傳統(tǒng)實驗室是目前中學實驗教學的主要場所，是中學最成熟、使用率最高的主體實驗場地，承擔著中學理科常規(guī)實驗教學和拓展實驗任務。

3）傳統(tǒng)實驗室特點：實驗方法比較單一，傳統(tǒng)的實驗教學方法多表現(xiàn)為灌輸式，偏重于所學知識的驗證，學生在規(guī)定的時間內(nèi)，根據(jù)教材規(guī)定的實驗項目、步驟和方法，對理論教學知識進行驗證；實驗內(nèi)容相對機械，實驗內(nèi)容多為教師或教材設計好的，并有詳細的指導書，學生只能在教師規(guī)定的框架里進行實驗，處在被動的地位，難以激發(fā)學生創(chuàng)造性思維和學習興趣；實驗類型固定，只有教師演示和學生分組實驗兩種類型。

1.2 仿真實驗室

1）仿真實驗室構成?；A設施+計算機+虛擬實驗軟件，是一種無實物儀器的虛擬實驗計算機系統(tǒng)。以仿真的方式為實驗教學創(chuàng)造一個實時反映實驗對象變化與相互作用的三維虛擬世界，師生通過計算機顯示觀測與該虛擬世界交互的三維界面，使師生可直接參與并探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化，產(chǎn)生沉浸感。

2）仿真實驗室功能。能虛擬完成傳統(tǒng)實驗內(nèi)完成的所有實驗，在短時間內(nèi)實現(xiàn)實驗過程重現(xiàn)，并能完成更多的拓展實驗，體現(xiàn)了以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力為主的思想，對輔助實驗教學有積極作用。

3）仿真實驗室特點。仿真實驗室是新型實驗教學模式，一種與傳統(tǒng)實驗有質(zhì)的區(qū)別的實驗架構。仿真實驗室是利用軟件，提供了一個實驗器具完備的綜合性實驗室，師生可以親自動手創(chuàng)建完成所能想象的所有實驗。它互動性強，仿真實驗室讓師生仿佛置身于真正的實驗室中，共同設計實驗、開展探索和分析、完成實驗、總結規(guī)律，為師生提供互動參與環(huán)境。仿真實驗室覆蓋面廣、成本低、安全性高、實驗時間短、高重復性?？杀憬莸刂谱髡n件、模擬物理、化學、生物、地理等學科實驗,實現(xiàn)了實踐學習與使用計算機的統(tǒng)一，動手與動腦的統(tǒng)一。

1.3 探究性實驗室

1）探究實驗室的構成?；A設施+傳統(tǒng)實驗儀器+數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)+網(wǎng)絡化計算機+大屏幕多媒體投影系統(tǒng)。探究實驗室是在新課程標準的指導下，對中學理科實驗教學數(shù)字化而產(chǎn)生的實驗室，又名“數(shù)字化實驗室”。探究實驗室能為學生提供必要的探究工具，是課程改革非常重要的組成部分，也是進一步深化教學改革，切實提高教學質(zhì)量的關鍵。有“軟件”指引，“硬件”支持，從而保證了中學實驗教學從傳統(tǒng)模式邁入數(shù)字化、信息技術化模式。

2）探究實驗室的功能。探究實驗室是引入信息化手段的傳統(tǒng)實驗室。探究實驗室能完成傳統(tǒng)實驗室所完成的全部實驗，并改進、拓展原有實驗儀器功能，實現(xiàn)由學生自己設計實驗步驟，通過實驗得出結論，充分支持新課改下學生進行多方面探究學習的環(huán)境，創(chuàng)設一個面對真實事物進行探究的環(huán)境。

3）探究實驗室特點。

①符合中學理科新教材，是新教材配套實驗室。這種實驗方式能大量采集處理實驗數(shù)據(jù)、真實還原信號發(fā)生的過程，使實驗結果更真實；能夠捕捉被測量的微小變化和瞬間變化，擴大實驗可研究范圍的深度以及廣度；能利用錄像技術逐步分析實驗過程。

②實現(xiàn)信息技術與學科教學的整合。在傳統(tǒng)實驗室中引入傳感器為主的數(shù)字化實驗系統(tǒng)，基于計算機平臺實現(xiàn)中學理科實驗數(shù)據(jù)采集的數(shù)字化和自動化、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析的智能化，大大提高學生綜合信息處理的能力，有效地實現(xiàn)信息技術與學科教學的整合。

③拓寬實驗范圍，實現(xiàn)學科實驗整合。能整合理科實驗，使得實驗的內(nèi)容突破學科的限制，為探究實驗室的學生自主探究提供平臺，有利于探究學習，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

2 明確三種實驗平臺關系

傳統(tǒng)實驗平臺是實驗教學的主體。在目前中學實驗教學中，實驗設備以傳統(tǒng)實物器材為主，傳統(tǒng)實驗方式是實驗教學的主體，這種實驗方式直觀真實，對培訓學生的科學態(tài)度和動手能力是任何其他實驗教學方式不能取代的。

探究實驗室是傳統(tǒng)實驗室的創(chuàng)新。這種實驗方式是在傳統(tǒng)實驗方式的基礎上使用了信息處理手段，可更加精密地顯示各實驗變量的關系，拓展了實驗范圍，提高了實驗數(shù)據(jù)處理能力。讓師生能自主設計更多教材以外的實驗，有效探索實驗過程和實驗結果的關系，探究實驗規(guī)律，對豐富實驗數(shù)據(jù)的處理方式、提高數(shù)據(jù)處理能力和速度、對培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)效果顯著。

仿真實驗室是中學實驗的新類型，是對中學實驗教學方式的補充和完善。這種虛擬實驗方式是教育信息化中的新實驗方式，與傳統(tǒng)實驗方式有本質(zhì)的區(qū)別，仿真實驗無實物器材，完成實驗的時間大幅縮短，實驗安全性好。這種實驗方式更多適用于輔助學生復習實驗、完成當前所缺相應實驗器材實驗、目前無法實現(xiàn)的條件的實驗、危險實驗、微觀實驗、宏觀實驗，是常規(guī)實驗教學的重要輔助手段，對緩解實驗裝備經(jīng)費緊張、滿足師生的創(chuàng)新需要、補充和完善實驗教學有重要作用，有利于實驗教學和設施利用。

3 整合實驗教學方式，有效開展實踐教學

當前，傳統(tǒng)實驗、探究實驗、仿真實驗三種實驗方式在本市中學實驗教學中是并行的，全市中學實驗教學方式以傳統(tǒng)實驗方式為主，探究實驗、仿真實驗為輔。

3.1 開展實驗教學研究，探索實驗教學新方式

近年來，重慶市開展了多種形式信息技術與傳統(tǒng)實驗教學整合，取得了一些實效，如璧山中學《高中理化生實驗中學生探究能力的培養(yǎng)》（04-JY-06）、璧山縣來鳳中學《現(xiàn)代教育技術與初中物理實驗教學的整合》（04-JY-05）、黔江區(qū)民族小學《現(xiàn)代教育技術與小學實驗教學整合的研究》（04-JY-22）研究課題已結題，這都是從不同側(cè)面有效探討新實驗方式與傳統(tǒng)實驗方式整合的實例，對如何利用探究實驗室、仿真實驗室組織實驗教學及與傳統(tǒng)實驗方式整合起到引領和示范作用。

3.2 積極應用新技術完善中學實驗方法

探究性實驗、仿真實驗都是在信息化條件下新的實驗方式。重慶市中小學正在大力推進教育信息化建設，據(jù)不完全統(tǒng)計，目前中學已建設了300余間探究性實驗室和仿真實驗室，為理科老師開展探究性實驗、用仿真實驗的新技術去改進、去補充、去替代原有實驗方式，形成三種實驗方式整合，有效提高了實驗教學的效率，特別是為高中學生復習、輔助實驗教學提供了支撐。

在常規(guī)實驗教學中，教師們利用傳感技術、信息技術與傳統(tǒng)教學方法有機結合，設計出家庭實驗探究活動和分組實驗探究活動，讓他們抱著懷疑日常經(jīng)驗的態(tài)度，在老師的指導下，通過相互協(xié)作，去發(fā)現(xiàn)問題、提出假設、設計實驗過程、分析實驗結果、得出科學結論。從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維能力和科學探究的方法。

現(xiàn)代信息技術能夠充分表現(xiàn)出物理現(xiàn)象中大與小、遠與近、動與靜、快與慢、整體與局部、內(nèi)部與外部等一系列復雜現(xiàn)象或過程，模擬各種線性、非線性電路，取得直接的仿真效果。中學實驗用傳統(tǒng)儀器難以完成的實驗或?qū)嶒灛F(xiàn)象不明顯的實驗，這些實驗又是教學必須的，仿真實驗的應用就會取得意想不到的效果。例如：1）電路中短路現(xiàn)象、振蕩現(xiàn)象、粒子在磁場中的運動規(guī)律等用傳統(tǒng)實驗方式無法有效展現(xiàn)，但用仿真實驗技術來演示，可取得傳統(tǒng)實驗所無法達到的直觀效果；2）大爆炸現(xiàn)象傳統(tǒng)實驗不準做、不便做也不能做，但采用仿真技術來實現(xiàn)這一難題就迎刃而解了；3）動量守恒是基本的守恒定律，傳統(tǒng)實驗無法看到微觀世界的粒子與粒子相互碰撞的奇妙現(xiàn)象，而采用宏觀的仿真設備模擬微觀粒子相互碰撞，依據(jù)實驗原理擬定實驗方案，根據(jù)實驗方法準備好實驗器材，就可以簡單明了地解決這一問題。

3.3 堅持實驗教學以傳統(tǒng)實驗為主導，充分發(fā)揮不同實驗方法的優(yōu)勢

目前，重慶市中學共建成傳統(tǒng)實驗室1800余間，是實驗室的主體，也是本市中小學標準化建設的基本要求，傳統(tǒng)實驗室在中小學教學中是不可替代的。仿真技術能夠彌補和完善傳統(tǒng)功能組合技術實驗中不能達到或不能完全體現(xiàn)的部分，探究性實驗室、仿真實驗室在中學實驗教學中有效彌補了傳統(tǒng)實驗室的不足，促進了本市中學實驗教學方式多樣化。

傳統(tǒng)實驗和仿真實驗有機結合，是重慶市實驗教學改革的基本思路。仿真實驗軟件提供了充足的虛擬元器件資源，學生實驗時不會因接線出錯而造成短路事故，不會因誤操作而造成人員或儀器設備損傷，不會發(fā)生實驗室內(nèi)常見的故障：如示波器只有單個通道正常；信號發(fā)生器產(chǎn)生波形失真；萬用表電池不足；測電阻讀數(shù)不準等。傳統(tǒng)實驗給學生以直觀真實體驗，雖然有實驗過程中需要很多儀器設備、占用空間多、儀器使用前要調(diào)試、實驗時間長、誤差控制難度大、生成實驗報告麻煩等諸多不便，但這恰好是中學實驗教學讓學生獲取知識和動手能力不可替代的教學模式。

筆者認為，單純用仿真實驗方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實驗方式的作法不妥。傳統(tǒng)的組合儀器在實驗中能給學生以“真實感”，中學實驗的多數(shù)實驗結果也只有通過真實的傳統(tǒng)實驗才能得到，學生在仿真實驗中有“不踏實”感覺；仿真技術的局限性恰恰是傳統(tǒng)實驗的優(yōu)點，發(fā)揮二者各自的優(yōu)勢，是創(chuàng)新中學實驗方式的著力點。因此，用新技術整合中學實驗教學方式仍要堅持以傳統(tǒng)實驗教學方式為主，傳統(tǒng)的實驗方式記載著前人進行科學研究的思路，同時傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)收集和數(shù)據(jù)處理工作對培養(yǎng)學生細心觀察、認真思考和科學分析能力都是十分重要的方式；探究實驗方式、仿真實驗方式是傳統(tǒng)實驗方式的豐富、補充和完善?！?/p>