科学探究实验室的建设

摘 要：科学探究实验室是在我国新一轮的新课程改革大背景下,在新课程标准的指导下,对中小学科学实验教学实验设备进行数字化而产生的辅助教学系统.科学探究实验室充分支持新课改下学生进行多方面探究学习的环境,通过传感器和数据采集创设一个面对真实事物进行探究的环境.

关 键 词 ：科学探究实验室；建设

中图分类号：G629 文献标识码：A 文章编号：1006-026X（2012）01-0000-01

科学课程是以培养学生科学素质为宗旨的一门课程.按照新的课程标准要求,《科学》学习要以探究为核心,要提供学生能直接参与的各种科学探究活动的机会.在科学探究的过程中,使学生体验学习科学的乐趣,增长科学探究能力,获取科学知识,形成尊重事实、善于质疑的科学态度.因此,进行科学探究的重要场所―科学研究实验室的建设就显得十分重要了.

在传统的科学教学中存在着很多问题.（1） 讲实验代替做实验,有些教师对课本上要求的实验不为学生提供操作的机会只是对着课本上的实验图片见实验,或者完全利用多媒体展示的模拟实验取代事实实验.（2）传统实验教学过于重视实验教学认知目标的达成,而忽略了实验教学在过程与方法教育及情感态度与价值观教育中的重大价值.(3) 传统实验教学过于强调规律的验证,实验的形式只是照方抓药,学生几乎不需要进行探索, 从教学内容到教学方式都没有给学生留出足够的发展空间.

科学探究试验室的引入,将改变传统科学课堂教学的模式,为科学实验教学及研究带来新的理念和开创新的领域.科学探究试验室系统也称为数字化科学实验室系统,它是通过采用数据传感技术、数据采集技术数据分析技术和多媒体技术相结合,将试验过程、试验分析、试验结果和知识点信息化、多媒体化,以提高试验教学质量的信息化教学系统.科学探究实验室包括硬件环境与软件环境.硬件环境主要指实验室、数据采集器与各类传感器和计算机等, 软件环境特指教师、学生和教学内容( 如教科书和文献专著等) .

1.硬件环境的建设

(1)科学实验室的建设

学校应重视科学实验室的建设,尽可能配置中学阶段可能用到的基本实验药品、仪器与相关设备,为学生进行科学探究活动奠定物质基础, 有条件的学校应定时向学生开放实验室,为学生能自主开展探究活动创设良好条件.

(2) 数据采集器与传感器

数据采集器主要用于采集并储存实验数据, 传感器可根据探究需要测定的参数( 如温度、湿度、光强、pH值、溶解氧浓度、电导率、气压、电流、电压、心率等) 而自行选择, 同时,这些仪器的轻巧与便携还为学生进行户外探究提供了可能.但常规实验仪器能起到巩固书本知识和训练操作技能的作用,是实验教学中不可缺少的重要组成部分.所以,科学探究实验室也要灵活运用数字化仪器与常规实验仪器的互补作用.

(3) 计算机

将计算机与传感器联用时,传感器可以精确地测量与传递实验中所测定的各种实验参数,所得实验数据将通过数据采集器转到计算机中,计算机经由配套软件将数据以表格和图像的形式呈现,并进行分析处理.例如,将两只温度传感器分别置于内部装有相同条件热水的黑色金属杯和银色金属杯中,随着时间变化,计算机屏幕上将分别出现两条逐渐变化的实验曲线,并且在表格中实时显示相应的温度值.可见,利用基于计算机的科学实验,能使传统教学中的定性实验得以量化验证.此外,也可以运用电子表格( 如Excel 等) 将所采集的数据进行整理与作图分析.

2.软件环境的建设

(1) 教师

教师的课堂组织与管理方式、所采用的教学方法、所提供的指导以及他们与学生之间建立的友好关系,都对数字化技术在科学课堂的应用效果产生较大的影响,如当学生能得到教师适当的指导或帮助,他们会更乐于负责各自的学习任务.因此,教师方面的建设具有举足轻重的作用.

科学探究实验室的建设对科学学教师提出更新和更高的要求.从教学与教师专业水平关系看,教师必须具备一定的信息技术技能,教会学生熟练使用手持技术仪器进行科学探究, 从教学与课程的关系看,教师应是课程的建设者与开发者,善于从生活、社会及教科书中挖掘能运用手持技术探究与解决的科学问题, 从教师与学生的关系看,教师应是学生学习的引导者与促进者,引导学生在利用手持技术进行探究时解决各类问题,促进学生探究能力的培养,从教学与研究的关系看,教师应是教学的研究者,研究手持技术使用过程中学生的学习心理与认知机制等, 从教学与自我认识的关系看,教师应进行自觉反思,使其教学经验理论化与成熟化,不断加强与完善科学探究实验室的建设［1］.此外,科学教师应提高信息素养,使其与学科内容、教学过程有机融合为一体.

(2) 学生

学生在科学探究实验室的建设中起着主体性作用.在传统科学实验教学中,学生在很多时候处于被动状态,而科学探究实验室要求学生改变以往过多依赖教师的学习方式,如学生应能在新的学习环境中,大胆借助手持技术与计算机技术从多渠道获得所需信息,敢于对书本质疑,乐于动手探究等等.当然,学生利用信息技术进行自主学习,是具备一定条件的：学生必须具有独立自主学习的精神、具有善于获取知识的能力和能掌握适合自己特点和学习要求的学习策略［2］.此外,传感器能快速测定并以数据和图表的形式呈现整个探究过程,有助于学生通过对图像变化趋势的观察与理解及时对实验条件做出适当的调整或建立新的实验检测设,并在每一次修订实验方案或控制探究变量的过程中不断思考自己的预测与实验事实不吻合的具体原因,从而引导更深层次的学习.

(3) 教学内容

科学探究实验室的建设同样需要有合适的教学内容支撑.这要求教师应积极挖掘现行新教材中的配套探究题材,并鼓励学生通过查阅相关专著和文献［3］,积极开展探究活动.例如在“热辐射”教学时,可引导学生采用温度传感器,比较黑色物体和银色物体的热辐射的情况,通过分析实验曲线以加强其热辐射的认识.

3.有待解决的研究问题

在我国,北京、上海和广东等地区的不少中学正在不断加强与完善科学探究实验室的建设,有些中学还运用它开设相关的校本课程,并有意识在课堂教学与研究性学习中培养学生科学探究能力,还取得了一定的成效, 但它在科学教学中的应用还刚刚起步,还有不少实际问题有待于进一步解决：(1) 国外已有的实证研究仍处于摸索阶段,对科学探究实验室提高学生多种能力( 如思维能力、问题解决能力和探究能力)与增强学生的学习兴趣或动机等缺乏定量研究的支撑, (2) 已有研究较多倾向于对具体应用案例的开发,缺少完善的理论支持, (3) 关于教师对科学探究实验室在科学教学中的应用的态度与认识缺乏深入的调查研究.

值得提出的是,科学探究实验室的建设要充分体现以学生为主体的思想.科学探究实验室首先是开放实验室,学生可以随时到实验室准备实验材料、搭建实验装置、观察实验效果.其次,科学探究实验室的管理,应在科学教师指导下,由学生管理.学生管理人员可以是学科课代表、实验小组长、课外活动小组长等.这样,通过学生的亲身参与,学校科学探究实验室真正成为了学生科学探究的乐园为实现科学学科课程标准的教学目标发挥了应有的作用.