数字化实验室及其在中职教学中的应用

罗世春 李明海

灵山县职业技术学校

随着信息技术的飞速发展，国家基础教育课程改革的稳步推进，以及欧美等发达国家将数字化实验室应用于理科教学的积极影响，我国新一轮课程改革对信息技术尤其是基于传感器的数字化实验室与课程整合提出了明确要求。结合近年来在职校进行的基于传感器的实验教学实践，利用中职课程改革的契机，我们对数字化实验室及其在中职教学中的应用做了积极并富有成效的探索。

一、数字化实验室应用于中职教学的层次

作为我国中职教学的新生事物，以及笔者近年的教学尝试，数字化实验室应用于中职教学深受学生欢迎，并赢得了同行认可，初步突显出其较强的教育功能，有利于中职新课程的推进。通过对教学实践的跟踪分析，基于数字化实验室的中职教学在常规教学创新、传统实验改进、科学探究深入三个应用层次上具有较好的教学效果。

1.常规教学创新

常规教学如何创新?或者说，常规教学创新的基点在哪里?这不得不促使我们先了解科学的本质观。近代科学的奠基人伽利略曾经指出，经验和推理是科学赖以建立的两根支柱。由此，科学中有两种思维方法：一种是由培根提出并由伽利略卓有成效运用了的归纳方法；另一种是笛卡尔在指导自己思维活动时自觉运用的演绎方法。的确，演绎法和归纳法是科学认识的根本方法，同时也是中职教学的重要方法。前者强调从一般到特殊，由定义、定律、定理等出发一步步递推，逻辑严密结论可靠，且能体现事物的特性；而后者注重从特殊到一般，由现象出发探索众多事物的根本规律，且能体现事物的共性。两种方法虽都有自己的优点，但其不足也很明显：演绎法缩小了范围，使根本规律的作用得不到充分的展现；归纳法容易存在不完全归纳的问题。孰优孰劣，难有定论。又因科学知识本身的客观实在性，所以，常规教学创新的基点在于探索科学的方法。杨振宁先生通过比较中美科学教育发现，在中国传统的教育体制下，中国中学、大学教学普遍使用的是演绎法，而美国则更注重归纳法。究我国学生容易忽视归纳法原因，除了传统文化尤其是老庄思辩哲学影响外，恐怕归纳法教学的耗时性和现代教学手段的落后性之间矛盾也应是原因之一，使得一些中职教师对应用归纳法教学望而却步。而数字化实验室因其强大的实验现象展示和数据处理功能，可以大大提高教学效率和质量，应用于中职教学恰好可以弥补这一缺憾。例如，动能定理的传统教学大都采用演绎方法，即利用牛顿第二定律和匀变速直线运动公式推导出一个合乎逻辑的动能定理。事实上，演绎教学法运用不当，往往成为“灌输式”教学，学生处于被动地位，不利于素质教育的实施。如果从启发式的归纳法思想出发，创设一定质量物体自由下落、沿斜面下滑等问题情境，启发学生借助数字化实验室(运动传感器可以测量任一时刻的速度和位移；计算机软件可以创建动能和功的计算公式)探索物体受力做功和动能变化的关系，最后再让学生自己根据已有知识来演绎所归纳的结论。这样的教学不但可以使学生应用两种方法的能力都得到发展，还让学生体验到了“做科学”的探究过程，非常符合新课改的基本理念。

由此，为实现学生科学素质的培养，促进学生的全面发展，科学教育中的常规教学创新具体表现为演绎和归纳两种方法的融合。

2.传统实验改进

如果说常规教学创新层次不过是借助于数字化实验室进行的理科教学“变式”，那么，传统实验改进层次则是充分发挥数字化实验室的“特色”。其实，数字化实验室如何更有效地应用于中职传统实验改进，关键要回答好如下问题：

(1)传统实验难以深入的困难是什么

传统中职实验，一般都是靠学生的肉眼观察实验现象、手脑记录和处理数据，其局限性显而易见。归纳一下，传统理科实验主要遇到三个方面的困难：一是细微科学过程难以捕捉；二是定性科学实验难以量化；三是抽象科学理论难以理解。

(2)运用数字化实验室如何进行改进

针对中职传统实验改进遇到的上述困难，数字化实验室依靠其独有的功能和优势，能够分别给予解决。

一是实验过程“可视化”。传感器和计算机组成的数字化实验室可以检测信号量的微小变化和瞬间变化，并能以数字、图像、表格、视频等多种形式呈现给学生，从而使科学实验的研究范围大大扩展、形式更加多样。例如“酸碱中和滴定”实验，传统方法常会由于人为因素比如加液、振荡、读数不恰当等，从而造成未知溶液浓度的标定误差。而借助数字化实验室中的PH 传感器、滴数传感器以及计算机，可以很好控制滴定的终点时刻(PH=7)，从而改进实验。

二是定性实验“定量化”。定性实验能否进一步深化，受实验技术的制约。数字化实验室为定性实验的“定量化”研究提供了很好帮助，有利于学生理解科学的本质。譬如，按照传统实验方法对静电力大小进行定性研究，会遇到像两小球不易带电、带电后放电较快、偏离竖直方向的角度不易观察等困难。若借助电流传感器，将会带来非常理想的实验效果。所以，数字化实验室能够支持学生在实验中进行定量测量，特别是测量传统实验设备难以测量的变量，使学生积极参与到以观察和实验为主的探究学习中。

三是抽象问题“直观化”。数字化实验室抽象问题“直观化”功能不仅有利于学生对实验现象的观察，还方便学生对实验数据的处理，从而可以提高实验的效率和质量。动力学中的超重失重虽是生活中的常见现象，但由于超重失重发生在物体变速运动过程中，按照传统实验方法，只能用弹簧测力计测量压力的变化。显然，变速运动过程中是很难读出弹簧测力计示数的，所以学生无法看到该过程中的压力变化情况，更别提记录数据了。而借助力传感器和运动传感器能够在同一界面直观显示F-t 和a-t 图像。根据图像不仅可以直观理解超重失重的内涵，还可以探索超重失重与加减速运动的关系。

3.科学探究深入

科学探究教学既是一种教学模式，也是一个创造性的活动。以探索、研究科学规律为出发点，以学生的实验活动为中心，以培养学生的探究能力为目标，最终实现学生的全面发展和个性张扬。在数字化实验室的支持下，科学探究教学可以更加深入、发挥更大作用。为了让学有所长的学生更充分地发展，以便进一步提高学生的实验素养，增强学生的创新意识，发展学生的自主学习能力和独立研究能力等，我们建议有条件的学校开设校本课程《基于数字化实验室的科学探究》，以便于整合学校各方面的资源，充分发挥各类传感器的作用，培养学生的科学精神和探究能力。数字化实验室应用于科学探究学习，可以使学生亲自体验“做科学”的探究过程，这样更能体现学生的主体性，增加学生的参与度，既有利于学生基本知识技能的获得，又有利于培养学生的科学态度、实践能力和创新素质。

二、结语

问题尚还存在，但我们应坚信，数字化实验室的发展不仅是教学形式和学习方式的变革，而且会对当前的教育思想、观念产生深刻影响。