教育综合改革背景下的综合实验室建设研究

徐睿

摘要：针对中小学全面深化课程改革背景下对教学环境的新需求，提出创新实验室的概念。并从建设理念、区域划分、设计要素、全局规划、课程建设等角度介绍综合实验室建设的研究成果。

关键词：综合实验室；教学环境；教育综合改革

文章编号：1005–6629（2017）6–0023–06 中图分类号：G633.8 文献标识码：B

1 问题的提出

1.1 全面深化课程改革面临的挑战

适应经济全球化的发展、整合信息网络技术、发挥各学科的综合育人功能、营造良好的育人环境已经成为深化课程改革所必须解决的问题。

作为全国深化考试招生制度改革的试点地区，上海市和浙江省分别发布了招生制度综合改革方案，均提高了考试科目的选择性，对学校的课程设置和实施带来了挑战。走班制的广泛出现，对学校的教室、实验室等教学环境的建设、运行和管理提出了更高的要求。

1.2 科技创新对基础教育的要求

科技创新是一个系统工程，仅就内部而言，科技创新由低到高至少涉及四个层面：技术的创新运用、原创技术、支撑技术创新的基础理论、原创思想。后三个层面的突破目前还很欠缺，从基础教育来看，对科学素养的提升和创造性思维的培养是其中的关键所在。如何让创新的意识、态度、能力和风气“从娃娃开始抓起”，需要教育全方位的介入，前沿性和基础性并重[1]。

1.3 工业4.0对教育的启示

2013年4月的汉若威工业博览会上，德国首先提出了工业4.0的概念，把工厂、机器、生产资料和人通过网络技术高度联结，形成自组织的生产，其内涵已经远远超越机器的自动化[2]。工业4.0的迅速发展给教育带来了如下的思考和启示：

（1）教学工作中如何通过信息物理系统的智能化，提高教学的灵活性和个性化？

（2）如何实现教学中教师、学生、教学环境、教学资源等的“万物互联”？如何高效搜集教学中的各种数据？如何通过在线化、实时化的数据与智能处理使教学中的响应模式发生变革，提高教学的针对性和有效性？

（3）我们的教学环境、教学资源能否提升集成化的程度，以提高资源的利用率和教学的效率？

（4）如何提高教学的智能化程度，更好培养学生的创新精神和实践能力？

1.4 国际科学教育的发展趋势

2012年，美国发布了《K-12科学教育框架》，《框架》建立在三个维度的基础上：科學与工程的实践（Scientific and Engineering Practices）、跨学科概念（Crosscutting Concepts）、学科核心理念（Disciplinary Core Ideas）[3]。打破各学科概念之间的界线，将科学、技术、工程和数学（STEM）融合，并通过实践与实际生活相关联，既需要合理选择和组织课程内容，也对支持新的学习内容和学习方式的学习环境提出了新的要求，跨学科、跨领域成为一个重要的发展方向。

1.5 当前实验室建设和使用中存在的问题

1.5.1 实验装备规范的滞后问题

2006年7月19日发布的《中华人民共和国教育部中小学理科实验室装备规范》，还是基于理、化、生实验室分科独立建设制订的。《规范》中关于实验室“布置”部分的“第一排”、“最后一排”、“双人单侧”、“四人双侧”、“中间纵向走道”等表述，最容易使人想到的是“秧田式”的实验室布局，这样的布局在教学实践中往往暴露出自由度小、不利于学生的表达交流与合作等方面的问题。

在信息化方面，《规范》将“教学电视”和“教学屏幕”的规划建议分列，显然已与当前电视、屏幕、白板等功能的集成化趋势背离。《规范》对于信息传输设备的规划建议部分仅将计算机作为信息查询和传输的工具，显然忽视了计算机在数字化实验等方面的重要作用，没有将计算机与学习环境、智能化应用等进行整体的设计[4]。

1.5.2 实验室建设和使用中存在的问题

随着国家经济、现代科学技术和实验技术的迅速发展，各学校的实验室建设都有了长足的发展，实验教学的质量也有了明显的提高。但是，在实验室的建设中还存在着一些普遍的问题，直接影响了实验教学开展的效率，也不利于课程改革理念的进一步落实：

（1）实验室的格局仍然以秧田式的格局为主，实验室的大小一般以教室面积为参照，对于实验室的环境氛围建设相对比较忽视，实验功能和教学功能的整合还不够。

（2）忽视了学科之间的统整，不利于学生将所学的知识在相关学科中迁移运用，也不利于通过实验解决一些联系社会生活实际的综合问题。同时，不同学科在仪器等的配备方面也容易造成重复。

（3）实验室的利用率不高。即使对于达到装备标准规定的实验室数量的学校，在实际运行中，也会出现某一学科的实验室时间排不过来，而其他学科实验室却闲置的现象。

（4）实验室的信息化整合程度还不够，对新的信息化手段的关注和引入还不够及时。

（5）实验室管理的软硬件条件的建设还不够重视。课余时间实验室很少对学生开放，对实验室管理的软硬件条件没有系统的思考。

2 综合实验室的定位

实验室是科学的摇篮，是科学研究的基地，对于基础教育阶段的实验室，教育功能是其首要的功能，它是学生掌握知识、训练技能、开展探究的重要场所。综合实验室是在整体考虑相关领域各学科实验室教学需求的基础上，整合各类资源，形成的既可满足各学科教学需要，又适合跨学科实验活动的新型实验室。在本研究中，对综合实验室的界定如下。

（1）中小学实验室：主要研究小学、初中、高中学段的综合实验室建设问题。

（2）科学与技术领域相关学科：需要进行综合的学科有中学物理、中学化学、中学生命科学、初中科学、中小学劳动技术、小学自然、小学科学与技术、中小学信息科技等。

（3）各学科融合：有机整合各学科的教学需求，实现场地、设施的优化和整体设计，提高实验室利用率。

（4）信息技术高度整合：在信息获取、信息交流、信息展示等各个环节中充分发挥信息技术的作用，包括实验手段的数字化和信息化以及实验室管理和学生学习活动过程档案的信息化等各个方面。

（5）课程的适配性：综合实验室既普适于各分科课程，也适用于综合课程。在综合实验室建设的过程中，同步开发与实验室功能相匹配的特色课程，尤其是跨学科课程。

（6）促进学生的科学素养、技术素养和创新能力：中小学的综合实验建设的目的不在于促进科学研究结果的产生，而是侧重于提供学生研究过程的体验，在科学素养、技术素养和创新能力培养方面充分发挥出综合实验室的教育功能。

综合实验室和传统的一般实验室的主要区别如表1所示。

在当前课程与教学改革的背景下，综合实验室及相关综合课程的建设，有利于解决学生对课程的选择性和有限的教学资源之间的矛盾，有利于提高资源的利用率，促进走班制的实施。

3 综合实验室的建设理念

综合实验室的建设理念源于对学生的学、教师的教和实验室管理三方面的整体考虑，具体体现在以下六个方面。

3.1 安全

综合实验室的安全理念可以从三个层面予以体现：一是安全设计，即从设计上防患于未然，体现主动安全的理念。例如设置煤气泄漏或漏电时的自动切断系统，实验室环境中合理设置走道和门以便能及时疏散学生等。二是安全防护，即防止灾害发生时对人造成伤害的措施。例如通风橱、排气系统的配置，防爆板、护目镜、手套、防护服等的配备。三是灾害处理，即面对灾害，如何将损失和伤害降到最低。例如灭火器的配备和喷淋系统的配置。

3.2 舒适

综合实验室应提供给学生一个宽松、舒适的学习环境，学生在该环境中可以自由、轻松、主动地开展各项学习活动。例如实验椅的舒适性就是需要考虑的一个重要内容，实验椅最好具有以下特点：椅面软性、耐腐蚀、易清洁，有靠背，方便提拎和移动，空间占用小。

3.3 方便

在综合实验室中应能非常方便地获取学习或实验所需的各项条件。例如水、电、煤的获取，资料的获取，工具的获取，信息的传送等。

3.4 灵活

综合实验室的学习环境不是一成不变的，应该可以根据教学的需要进行自定义。例如桌椅布局的可调整，工具架可自定义等。

3.5 普适

综合实验室在教学使用中应具有极强的普适性，即它既可以用于开展分科教学，也可以用于开展跨学科的综合课程的教学，甚至可以作为艺术、阅读等教学所用。

3.6 高效

由于综合实验室的普适性，使学校能够对多个这样的实验室进行整体规划布局，并开展综合利用，同时也可提高管理的效率。

4 综合实验室的功能区规划

综合实验室一般应具备的功能区有：实验区、制作区、交流区和展示区。

4.1 实验区

实验区（见图1）是学生开展实验活动的主要区域，该区域的特点是学生能够方便地获取实验条件、实验器材等，顺利开展实验。

4.2 制作區

制作区是工程、技术类作品制作的区域，所制作的作品既可以是相关课程的成果，也可以出于某些课程实验活动的需要，进行“量身订制”的实验器材。在该区域，需要配备丰富的制作类工具（见图2）。

4.3 交流区

交流区（见图3）是学生在实验活动中进行交流、讨论的区域，该区域需要能够根据交流的范围灵活设计，满足不同人数交流的需要；同时也要配备电子白板、投影仪等设备，促进交流效率的提升；从提升交流质量、促进实验开展的角度，还可以配备纸质的工具书等相关资料。

4.4 展示区

展示区（见图4）是展示教学资源、学生作品等的空间，该区域既可以展示相关学科的经典仪器、模型等，也可以展示学生实践活动的优秀作品。好的展示区设计既可以培养学生对实验的兴趣，还可以对学生的实验探究活动提供方法引导，成为学生创新的灵感源泉。

在学校建设综合实验室的实践中，对功能区不一定要求全，可以根据学校的办学特色和课程特点灵活选用其中的部分或全部。这些功能区不一定要有明显的界线，很多时候功能区之间未必有实物隔断，例如展示区往往是利用实验室的“零碎”空间形成的。有的时候功能区之间也可以动态调整或者按需转换，例如制作区和实验区有时可以共享，实验区合理进行桌椅的布局设计后也可以兼顾交流的功能等。

5 综合实验室的设计要素

5.1 管路

传统的水、电、煤管路可以采用从房顶悬挂的方式解决（见图5），这样的方式在德国已有近20年的应用历史，其可靠性和安全性得到了实践和时间的检验。“悬挂式吊舱”的方式在不影响实验室实验条件供给的情况下，解放了地面空间，使地面空间的规划可以和普通教室一般灵活，同时也提高了实验环境的安全性。“悬挂式吊舱”可以提供强电、弱电、进水、排水、煤气、压缩空气、废气抽排、网络、视频音频等各种接口，与之配套的还有移动式的水斗或水车、移动式的透明通风演示实验橱等，可以满足科学与技术领域的各种实验需求。

5.2 信息化

信息化的配备首先要考虑的是使用的便捷性，要让教师和学生在尽可能少改变原有习惯的情况下运用信息化设施。因此，终端尽可能采用体积小巧、待机时间长的便携式的移动终端，除了可以查阅资料、开展交流、撰写报告，还可以接驳传感器开展数字化的实验。实验室中的教学屏幕可以采用触摸可交互的类型，并且可以自由调节高度和移动位置。数据的传输可以采用无线网络，投影方式也可以采用无线同屏的方式，使各移动终端之间通过各种无形的纽带紧密联结在一起。

信息化要考虑的第二个方面是对实验过程或学习过程的记录，可以通过为每组学生配置可调节或可移动式的摄像头来实现（见图6）。摄像头既可以记录学生的实验过程，便于教师进行过程性记录和开展过程性评价，同时也有利于加强实验管理，提高实验的安全性。同时，摄像头也可以为学生观察、记录实验提供新的渠道，使24小时的远程实验观察成为可能。这样的配置也使实验技能考试进入中考、高考等大规模高利害考试成为可能，有利于导向日常教学对真实实验的重视。

信息化的又一个方面是智能化。通过一些物联网的设备及其配套的温度、湿度、光强度、红外感应等传感器（见图7），可以实现对实验数据的远程读取和实验条件的远程控制，提高实验的自动化程度，有利于打破课堂实验的时空界限。同时，基于磁卡、指纹、人脸识别等技术，可以完整记录学生的学习经历，更好实现个性化的实验准备服务等。

5.3 儀器设备

综合实验室中“常驻”的仪器设备，从使用效率的角度，需优先考虑可跨学科使用、使用效率高、移动不便的仪器设备，如3D打印机等。对于一些学科性强，只有个别实验使用的仪器设备，可以放在配套用房中，需要时取用。对于有些配备数量少，需要教师指导下才能保证安全使用的仪器设备，可以让学生在需要时至配套用房中使用。

5.4 桌椅橱柜

从综合实验室的灵活性理念出发，其中的桌椅橱柜应该都是便于移动的，一种方式就是建设“轮子上的实验室”，使设备和空间能够配合实验的需求进行灵活的变换[5]。桌椅橱柜都要轻便简洁，减少空间占用，同时储物空间利用率要高。

从学科的普适性角度，这些配备要兼顾各学科的教学需求。以桌子为例，物理需要平整、防水、防静电，化学需要耐高温、耐腐蚀，劳技需要耐敲击、稳定……于是加厚的理化板就可以成为一种理想的桌面选材。

5.5 环境

综合实验室的整体环境应该是充分利用各种空间（见图8），处处体现教育元素。从空间利用上看，可以充分利用墙面、房顶和窗户等处的空间，用于学生作品的展示、工具书籍的陈放、仪器试剂的储存、种养空间的规划等。在设计实验室环境元素时，要充分考虑互动性，使学生可以有更多动手体验的机会。例如，实验室房顶上设计一组动滑轮，学生可以把自己拉起来，体验其省力的效果。

好的实验室环境建设，不仅要体现实验室的实验功能，更重要的是创设一种实验的文化氛围，使学生在这样的环境中受到潜移默化的熏陶，既可以激发对实验活动的兴趣，也可以对实验活动开展的方法有正确的导向作用。

6 综合实验室的全局规划

6.1 综合实验室配套用房的整体设计

由于综合实验室具有跨学科、多用途的特点，因此其配套用房也应打破学科的界线。从功能需求来看，主要可以分为四种：仪器室、试剂室（见图9）、准备室（见图10）、办公室。其中试剂室主要存放一些化学试剂、生物实验材料、耗材等；准备室是实验员从仪器室、试剂室取用相关用品后开展实验准备工作的场所；办公室是实验员、教师的工作、研讨场所，也是对学生实验活动进行信息化管理的场所，如果场地有限，也可以在准备室中开辟出一定的区域用于实现此类功能。这些配套用房宜与实验室紧邻，以更好实现为综合实验室服务的功能。

综合实验室配套用房的整体设计，一是可以提高实验用品配备的效率，避免学科之间的重复配备，也可以促进一些好用、先进的设备在各学科的普及使用。同时，这样的设计也有利于整体规划实验员队伍，部分缓解当前专业实验员短缺的矛盾。

6.2 学校实验室的整体规划

对学校来说，要体现综合实验室的整体优势，光配备一个是不够的，只有多个综合实验室的统筹应用才能体现出其效率。如果恰逢要新建学校或校舍，可以把握机会，从基建开始进行更自由的综合实验室规划。

学校的实验环境创设并不仅仅是实验室内部的建设问题，它应和整个校园环境的营造紧密融合，为学生创设想学、乐学的舒适学习氛围。例如，可以在实验室外部设计学生休息、自学或讨论的空间。有些国外实验室建设的理念也值得我们借鉴，例如：“水晶实验室”，即以玻璃为墙，使整个实验室成为透明的空间，对综合实验室中的学生来说，是一种展示的机会；对实验室外的学生来说，也是一种吸引和环境的熏陶。

7 综合实验室的配套课程建设

综合实验室的建设还需要和学校的具体环境条件、办学风格特色相结合，综合实验室的硬件建设也需要和软件建设互动进行，尤其是课程建设。综合实验室的建设为分科课程和综合课程的创新都提供了有力支持，所开发的课程可在学生的实践性、体验性、创造性等方面有更多的思考和作为，既可以是基础型课程，也可以是拓展型课程。在信息化实验条件的支持下，课程的实施可以课内和课外相结合，校内和校外相结合。同时，由于实验室环境的革新使学生可以在学习过程中有更多的表现机会，其中的很多行为又可以被信息化的手段完整记录，所以课程评价对过程性的关注也可以更加落到实处。

参考文献：

[1]顾骏.教育理应全方位助力上海科创中心建设[J].上海教育，2015，（6B）：86.

[2]夏妍娜，赵胜.工业4.0：正在发生的未来[M].北京：机械工业出版社，2015：3，13.

[3] Committee on Conceptual Framework for the New K-12 Science Education Standards； National Research Council. A Framework for K-12 Science Education： Practices， Crosscutting Concepts， and Core Ideas[M]. Washington， D.C.： The National Academies Press， 2012.

[4]中华人民共和国教育部基础教育司.中华人民共和国教育部中小学理科实验室装备规范[EB/OL]. http：//wenku. baidu.com/link？url=InRB__75kup5qTPN7Fe5II7NqjnKfC FsRU_C174FFSizSq8K_Om3UHL_t8tuP09rSaslnJGWWZJEbfKq1J1KLun02GLfz6x3E3BaJ6RBINa.

[5]尹智宏.如何设计全新的现代“共享开放”实验室[J].实验室研究与探索，2012，（7）：171.