數字化實驗室的優勢、實用感受及改進建議

■徐捷

作為武漢市普通高中理科實驗室改造項目第一批重點試點學校，漢陽區建港中學在數字化實驗室建設的過程中，得到了來自武漢市財政局、武漢市教育局條件建設處、武漢市教育科學研究院、教學儀器及信息化裝備處、區房管儀器站等上級單位的大力支持。目前，武漢市建港中學隨著硬件設施的升級和教學裝備的換代，嶄新的教學硬件極大地激發了教師們的工作熱情。

一、數字化實驗室的優勢

相比傳統的實驗室，數字化實驗室確有其無可比擬的優勢：

1.設備先進，改變了實驗結果的呈現方式。DIS對于實驗數據的采集與分析效率很高，圖像呈現直觀性強，有利于突出實驗規律的本質，有利于突破教學重、難點。數字實驗室由“輸出終端＋傳感器＋配套教具”組成。數字實驗室克服了傳統實驗儀器和實驗方式的某些弊端，實現了信息技術與常規教學、探究性實驗的結合。例如“電容與電容器”這一節，數字化實驗室不只是解決了傳統教學模式中“電容測量”這一難題，更為我們解決此類問題提供了嶄新的思路，拓展了初、高中實驗創新的新途徑。再例如在《恒定電流》的學習中，利用數據分析器測量水果電池的內電阻；在學習交變電流時，用電流傳感器測量交變電流的有效值等，實驗效果明顯，可信度高，比傳統教學模式下的空頭說教效果好許多。

2.優化環節，改善了教師實驗的演示效果。數字化實驗室用于課堂實驗教學亮點十分突出，有效地提高了實驗效果和課堂教學效率。例如探究（驗證）牛頓第三定律、法拉第電磁感應定律、機械能守恒定律等……用傳統實驗器材做起來現象不是很明顯的實驗，用數字化實驗演示時效果非常明顯?，使用起來也非常方便。通過電腦繪出的圖線，學生很快就能歸納出物理規律，而且去蕪存菁，直奔規律的本質。

3.與時俱進，適應了新課程的教學特點。新課程、新課標強調“三維目標”——除了“知識與技能”，更強調“過程與方法”、“情感、態度與價值觀”的教學。使用DIS輔助教學，不僅有利于落實“過程與方法”，層層鋪墊降低難度，而且增加了學生的參與度，也有利于培養學生科學嚴謹、實事求是的治學態度與正確的價值觀。

4.激發興趣，落實了學生課堂的主體地位。采用數字化實驗室進行實驗教學，注重“學生是學習的主體”，讓學生在探究互動中構建知識和掌握規律，體會科學實驗的真實情景，感受高科技時代的氣息，增強探究科學問題的好奇心和動力，有利于實驗情感的培養以及學生知識面的拓展。數字化實驗室能夠給學習者帶來美妙的享受，能夠激發學生的學習熱情，使更多的學生能夠自主地學習，豐富了學生的學習方式，為學生提供了更多的學習時間和更大的學習空間；也能夠給教師帶來成功的感觸，激發教師的工作熱情，提高教師專業水平。當然這也要求教師在備課時，不僅要備教材、備學生，還應該注重課堂教學與DIS教學設備的有機結合。

二、數字化實驗室的實用感受

我校的數字實驗室自建設以來，深受師生的喜愛，使用率一直較高。歸納其實用感受，有以下幾點：

1.讓師生以更平和的心態投入到實驗中去。傳統的實驗在操作步驟上近乎于苛刻，不允許出現任何失誤，否則就有可能損壞實驗器材，給實驗中的師生產生一定的心理壓力，只能機械地進行操作，力求順利地完成相關的實驗，這對不熟悉實驗內容的學生而言，只能是按部就班地進行一次操作而已，其實驗能力并不能得到有效的拓展。而數字實驗器材，其固定的信號傳輸路徑，最大限度地防止了儀器被損壞的可能性，允許學生在原有的實驗步驟的基礎上進行發揮，增加師生實驗時的能動性，用更為平和的心態進行實驗。

2.讓學生更容易接受實驗內容。雖然數字實驗產品相對于傳統的實驗器材要高端了不少，但傳感器本身就是一種電子產品，這類物品在我們的生活中極為普遍，學生都有普遍的接觸行為，學生對這類儀器的認同程度要遠高于傳統的實驗器材，而且，某些操作有一種讓學生“無師自通”的感覺，這些更接近生活的實驗操作，更容易引導學生自覺地走進實驗之中。

3.將師生從枯燥的數據處理中解脫出來。傳統的實驗在定量的研究問題時，需要讀取大量的數據，進行復雜的運算，這一過程枯燥乏味，而且容易無功而返。而數字化實驗系統將數據的讀取、顯示、計算處理、結果顯示一體化，實時完成，節省的不僅僅是時間，更容易讓學生將結果與實驗過程對接進來，有效地提高了學習效率。

4.強化了實驗過程。傳統的實驗，其過程往往是瞬間即逝的，而數字實驗能記錄實驗過程，其過程達到了可視化，這為師生發現與思考與討論實驗中的問題提供了極大的空間，有效地提高了學習內容的可接受性。特別是實驗中的難點內容，通過這種方式較好地得到了化解。

5.為學生回顧、鞏固實驗提供了依據。人總是會有遺忘的，所以，傳統的實驗，老師總是讓學生一次一次地讓學生重復實驗，以達到強化的目的，而由于數字化實驗過程具有可儲存的特點，學生可以通過對自己保存的實驗進行整理，從而達到回顧與鞏固的目的。

三、數字化實驗室的改進建議

數字化實驗室的建設與推廣是大勢所趨。在使用過程中，各位一線教師也對數字化實驗室的利弊進行了研討，筆者也與武漢市同行進行了深入而坦誠地交流。現整理若干思考與建議如下：

1.實驗數據的精確性是一把雙刃劍。在《探究加速度與力和質量的關系》這一實驗中，由于實驗數據非常精確，電腦繪制出的函數圖像往往要么不過原點，要么不是直線（而且彎曲的比較明顯），那么為了減小誤差，教師耗費了大量不必要的設備調校時間，事倍功半。其實如果在軟件上做一些合理的修改，在數據精度上設置更為合理的數量級，那么上述問題即可迎刃而解，實為很簡單的問題。

2.力學傳感器和電學傳感器的配件容易損耗。傳感器本身是一套非常精密的元器件，使用壽命是有限的，而傳感器是數字化實驗室的核心部件。很多傳感器的自然損耗較大，而像溫度傳感器等使用頻率又較小。建議在一套設備中，力學、電學傳感器加大配備比重，而光學、熱學傳感器配齊即可。

3.教師素質良莠不齊，制約了數字化實驗室的使用。因此建議加大對教師的培訓力度，特別是進一步加強實驗技能培訓和加快教育理念更新，同時對能夠在數字化實驗室建設與改進方面做出切實貢獻的一線教師給予適當的激勵。不可否認的是，現在的某些教師工作動力不強，主動學習和接受新事物的愿望不足。再好的教學裝備，也離不開“人”的因素——人的作用永遠是第一位的。

4.USB充電口缺乏更為周全與人性化的設計。實驗臺上USB充電口的設置讓人眼前一亮，但是它們的保護和防塵等需要更周全更人性化的設計。許多初中教師反映，鑒于學生的年齡特點，他們對USB接口臺的愛護不夠，頻繁地玩弄可能造成一些安全隱患和不必要的器材損壞。此外，數字化實驗室似可考慮通過合適的通用接口與電子白板建立一定的互聯互通關系，把電子白板與數字化實驗室無縫連接起來，以利于教師的日常教學，將可獲得“1+1＞2”之效。

5.課本內容與實際實驗操作過程相矛盾。數字化實驗室的投入使用，使得大多數傳統測量儀器被各類性能先進的傳感器所代替，而我們的課本上講的都是傳統測量儀器的使用方法及注意事項——甚至中、高考仍然把過時的陳舊的指針式電表的讀數（電流表、電壓表、多用電表等）一考再考，實際上生活中早就廣泛使用液晶顯示代替指針了——如果使用數字化實驗器材，課本內容和實際實驗操作過程中的沖突如何化解？實驗能力的培養和高考應試的矛盾怎么解決？這是值得我們下一階段需要好好加以理順的一系列矛盾關系。

6.在師資培訓中要強調傳統實驗與數字化實驗室的優勢互補。數字化實驗室一般采用電腦顯示器作為輸出終端，教師使用電腦上帶有做實驗時采集數據的專用軟件，這些專用軟件一般都可以做到只輸入數據就可以得出結論，而忽略了中間各物理量之間的關系。應該看到：數字化實驗室在培養學生觀察習慣、計算、作圖、歸納等方面有所欠缺，犧牲了學生非常重要的體驗過程。在下一階段的師資培訓中，需要強化教師的理念更新與實際動手操作能力的培訓，將理論教學與實踐操作培訓相結合，深入領會優化數字化實驗室的設計思想，以利于教師在實驗課的日常教學中，既能讓學生體驗傳統實驗的探究過程，又能讓學生享受到DIS數字化信息系統帶來的方便快捷，使學生的合作精神、探究精神、創新思維及嚴密思維能力在實驗過程中得到更好地鍛煉和提高。

這或許是下一代數字化實驗室在底層設計思想上的一個新的升級方向。只要我們沿著一條正確的道路堅持走下去，相信數字化實驗室的建設必將在推動武漢市教學質量提升和課堂效率優化方面作出更大貢獻！