數字化實驗室及其在中職教學中的應用

羅世春 李明海

靈山縣職業技術學校

隨著信息技術的飛速發展，國家基礎教育課程改革的穩步推進，以及歐美等發達國家將數字化實驗室應用于理科教學的積極影響，我國新一輪課程改革對信息技術尤其是基于傳感器的數字化實驗室與課程整合提出了明確要求。結合近年來在職校進行的基于傳感器的實驗教學實踐，利用中職課程改革的契機，我們對數字化實驗室及其在中職教學中的應用做了積極并富有成效的探索。

一、數字化實驗室應用于中職教學的層次

作為我國中職教學的新生事物，以及筆者近年的教學嘗試，數字化實驗室應用于中職教學深受學生歡迎，并贏得了同行認可，初步突顯出其較強的教育功能，有利于中職新課程的推進。通過對教學實踐的跟蹤分析，基于數字化實驗室的中職教學在常規教學創新、傳統實驗改進、科學探究深入三個應用層次上具有較好的教學效果。

1.常規教學創新

常規教學如何創新?或者說，常規教學創新的基點在哪里?這不得不促使我們先了解科學的本質觀。近代科學的奠基人伽利略曾經指出，經驗和推理是科學賴以建立的兩根支柱。由此，科學中有兩種思維方法：一種是由培根提出并由伽利略卓有成效運用了的歸納方法；另一種是笛卡爾在指導自己思維活動時自覺運用的演繹方法。的確，演繹法和歸納法是科學認識的根本方法，同時也是中職教學的重要方法。前者強調從一般到特殊，由定義、定律、定理等出發一步步遞推，邏輯嚴密結論可靠，且能體現事物的特性；而后者注重從特殊到一般，由現象出發探索眾多事物的根本規律，且能體現事物的共性。兩種方法雖都有自己的優點，但其不足也很明顯：演繹法縮小了范圍，使根本規律的作用得不到充分的展現；歸納法容易存在不完全歸納的問題。孰優孰劣，難有定論。又因科學知識本身的客觀實在性，所以，常規教學創新的基點在于探索科學的方法。楊振寧先生通過比較中美科學教育發現，在中國傳統的教育體制下，中國中學、大學教學普遍使用的是演繹法，而美國則更注重歸納法。究我國學生容易忽視歸納法原因，除了傳統文化尤其是老莊思辯哲學影響外，恐怕歸納法教學的耗時性和現代教學手段的落后性之間矛盾也應是原因之一，使得一些中職教師對應用歸納法教學望而卻步。而數字化實驗室因其強大的實驗現象展示和數據處理功能，可以大大提高教學效率和質量，應用于中職教學恰好可以彌補這一缺憾。例如，動能定理的傳統教學大都采用演繹方法，即利用牛頓第二定律和勻變速直線運動公式推導出一個合乎邏輯的動能定理。事實上，演繹教學法運用不當，往往成為“灌輸式”教學，學生處于被動地位，不利于素質教育的實施。如果從啟發式的歸納法思想出發，創設一定質量物體自由下落、沿斜面下滑等問題情境，啟發學生借助數字化實驗室(運動傳感器可以測量任一時刻的速度和位移；計算機軟件可以創建動能和功的計算公式)探索物體受力做功和動能變化的關系，最后再讓學生自己根據已有知識來演繹所歸納的結論。這樣的教學不但可以使學生應用兩種方法的能力都得到發展，還讓學生體驗到了“做科學”的探究過程，非常符合新課改的基本理念。

由此，為實現學生科學素質的培養，促進學生的全面發展，科學教育中的常規教學創新具體表現為演繹和歸納兩種方法的融合。

2.傳統實驗改進

如果說常規教學創新層次不過是借助于數字化實驗室進行的理科教學“變式”，那么，傳統實驗改進層次則是充分發揮數字化實驗室的“特色”。其實，數字化實驗室如何更有效地應用于中職傳統實驗改進，關鍵要回答好如下問題：

(1)傳統實驗難以深入的困難是什么

傳統中職實驗，一般都是靠學生的肉眼觀察實驗現象、手腦記錄和處理數據，其局限性顯而易見。歸納一下，傳統理科實驗主要遇到三個方面的困難：一是細微科學過程難以捕捉；二是定性科學實驗難以量化；三是抽象科學理論難以理解。

(2)運用數字化實驗室如何進行改進

針對中職傳統實驗改進遇到的上述困難，數字化實驗室依靠其獨有的功能和優勢，能夠分別給予解決。

一是實驗過程“可視化”。傳感器和計算機組成的數字化實驗室可以檢測信號量的微小變化和瞬間變化，并能以數字、圖像、表格、視頻等多種形式呈現給學生，從而使科學實驗的研究范圍大大擴展、形式更加多樣。例如“酸堿中和滴定”實驗，傳統方法常會由于人為因素比如加液、振蕩、讀數不恰當等，從而造成未知溶液濃度的標定誤差。而借助數字化實驗室中的PH 傳感器、滴數傳感器以及計算機，可以很好控制滴定的終點時刻(PH=7)，從而改進實驗。

二是定性實驗“定量化”。定性實驗能否進一步深化，受實驗技術的制約。數字化實驗室為定性實驗的“定量化”研究提供了很好幫助，有利于學生理解科學的本質。譬如，按照傳統實驗方法對靜電力大小進行定性研究，會遇到像兩小球不易帶電、帶電后放電較快、偏離豎直方向的角度不易觀察等困難。若借助電流傳感器，將會帶來非常理想的實驗效果。所以，數字化實驗室能夠支持學生在實驗中進行定量測量，特別是測量傳統實驗設備難以測量的變量，使學生積極參與到以觀察和實驗為主的探究學習中。

三是抽象問題“直觀化”。數字化實驗室抽象問題“直觀化”功能不僅有利于學生對實驗現象的觀察，還方便學生對實驗數據的處理，從而可以提高實驗的效率和質量。動力學中的超重失重雖是生活中的常見現象，但由于超重失重發生在物體變速運動過程中，按照傳統實驗方法，只能用彈簧測力計測量壓力的變化。顯然，變速運動過程中是很難讀出彈簧測力計示數的，所以學生無法看到該過程中的壓力變化情況，更別提記錄數據了。而借助力傳感器和運動傳感器能夠在同一界面直觀顯示F-t 和a-t 圖像。根據圖像不僅可以直觀理解超重失重的內涵，還可以探索超重失重與加減速運動的關系。

3.科學探究深入

科學探究教學既是一種教學模式，也是一個創造性的活動。以探索、研究科學規律為出發點，以學生的實驗活動為中心，以培養學生的探究能力為目標，最終實現學生的全面發展和個性張揚。在數字化實驗室的支持下，科學探究教學可以更加深入、發揮更大作用。為了讓學有所長的學生更充分地發展，以便進一步提高學生的實驗素養，增強學生的創新意識，發展學生的自主學習能力和獨立研究能力等，我們建議有條件的學校開設校本課程《基于數字化實驗室的科學探究》，以便于整合學校各方面的資源，充分發揮各類傳感器的作用，培養學生的科學精神和探究能力。數字化實驗室應用于科學探究學習，可以使學生親自體驗“做科學”的探究過程，這樣更能體現學生的主體性，增加學生的參與度，既有利于學生基本知識技能的獲得，又有利于培養學生的科學態度、實踐能力和創新素質。

二、結語

問題尚還存在，但我們應堅信，數字化實驗室的發展不僅是教學形式和學習方式的變革，而且會對當前的教育思想、觀念產生深刻影響。