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理化生數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方案
一、建設(shè)數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室的重要意義
物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的自然科學(xué)，可以說理科實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)賴以生存并不斷發(fā)展的基礎(chǔ)。從一定意義上說，實(shí)驗(yàn)就是物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)學(xué)科的生命線。抓住“以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)”這一基礎(chǔ)特征，不僅能使學(xué)生加深理解，鞏固化學(xué)基礎(chǔ)知識，更重要的意義在于可以培養(yǎng)學(xué)生形成科學(xué)的思維方式，掌握科學(xué)的研究。高中新課程物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)教材把相當(dāng)多的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改為探究性實(shí)驗(yàn)，更有利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有利于提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力，有利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)事求是，嚴(yán)肅認(rèn)真地科學(xué)態(tài)度，有利于培養(yǎng)學(xué)生的欲望和能力，也有利于使學(xué)生將所學(xué)的知識和技能應(yīng)用于科學(xué)技術(shù)的和日常生活等方面。
在新一輪的課程改革中，科學(xué)探究不僅被作為重要的理念強(qiáng)調(diào)、作為教學(xué)建議提出，而且被列入了課程目標(biāo)和內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)之中。但在中學(xué)開展探究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)多年來，特別是在實(shí)行高中新課改以來，一直存在以下幾個(gè)困難：一是探究活動(dòng)需要時(shí)間的與緊張課時(shí)的矛盾；二是探究實(shí)驗(yàn)設(shè)備特別是較的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的需要與實(shí)際設(shè)備不足的矛盾；三是課本上驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)過多而探究性實(shí)驗(yàn)不足的矛盾；四是定性實(shí)驗(yàn)過多，定量實(shí)驗(yàn)過少的矛盾；五是探究實(shí)驗(yàn)的過程的體驗(yàn)與嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)操作要求的矛盾。
數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)可以解決缺少探究設(shè)備的問題；同時(shí)由于它的快速直觀也可緩解課堂教學(xué)時(shí)間緊張的問題；它的靈活、方便、易用性可改變部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)過度要求規(guī)范操作導(dǎo)致的重細(xì)節(jié)忽視整體實(shí)驗(yàn)過程體驗(yàn)的問題。從此在中學(xué)物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)中大量的定性實(shí)驗(yàn)引入定量要素，從關(guān)注實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)變成關(guān)注實(shí)驗(yàn)過程與原理，再結(jié)合其它科學(xué)探究的要素，從而使中學(xué)物理學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)實(shí)驗(yàn)由此進(jìn)入準(zhǔn)科學(xué)探究的階段。
建設(shè)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室有以下幾方面的重要意義：
1、 可拓展探究問題的深度和廣度。
問題是探究活動(dòng)的核心，但是枯燥、平淡的問題味同嚼蠟，不僅無法引起學(xué)生的興趣和注意，反而會(huì)使學(xué)生感到厭煩。
數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室拓展問題探究的廣度，借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，把很多原來只能意會(huì)的問題數(shù)字化、外顯化，它的可攜帶性使實(shí)驗(yàn)可直接應(yīng)用于真實(shí)情境，更容易解決生活中的實(shí)際問題，如可用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備測定酸雨、水質(zhì)污染等環(huán)境污染問題。
數(shù)字化設(shè)備對探究問題的深度提出了更高的挑戰(zhàn)，如在原電池實(shí)驗(yàn)中，利用簡單的實(shí)驗(yàn)，電極、溶液的相互組合判斷原電池的形成條件及相應(yīng)的正負(fù)極，讓學(xué)生在學(xué)習(xí)交叉分類法的同時(shí)又參與了探究活動(dòng)。
2、 預(yù)測和假說更具方向性和指導(dǎo)性。
預(yù)測與假說是學(xué)生根據(jù)初步的資料與事實(shí)材料，運(yùn)用已知的科學(xué)原理,充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，對所研究的物質(zhì)的本質(zhì)和規(guī)律提出的一種初步設(shè)想。假設(shè)是一種帶方向性的、有待驗(yàn)證的思想，又是一種組織研究的過程，確定研究邏輯、制定研究途徑的。
在數(shù)字化設(shè)備的支持下，通過初步方向性探究，提供了大量的有用的數(shù)據(jù)提示，使我們可以縮小預(yù)測范圍，有效控制預(yù)測和假說的變量，讓對問題的預(yù)測和假說更具方向性和指導(dǎo)性。
3、 豐富了探究方案的選擇。
數(shù)字化設(shè)備的引入，擴(kuò)大了學(xué)生的參與面，降低了實(shí)驗(yàn)操作水平的要求，同時(shí)也降低了分析難度，由原來的演示實(shí)驗(yàn)變成了可讓每個(gè)學(xué)生都能參與探究的實(shí)驗(yàn)。數(shù)字化設(shè)備的引入，使很多原本傳統(tǒng)中小學(xué)階段教學(xué)中無法實(shí)施的實(shí)驗(yàn)方案變得可能，給了我們更多的選擇空間。
4、 方便了證據(jù)的收集。
數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備含：傳感器——數(shù)據(jù)采集器——計(jì)算機(jī)——應(yīng)用軟件，計(jì)算機(jī)和傳感器的介入更快的獲得可連續(xù)的監(jiān)測和采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了教學(xué)時(shí)間，使精力投入更有創(chuàng)造性的方面。實(shí)踐證明，過分要求操作的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生的精力主要集中在實(shí)驗(yàn)操作上，不利于學(xué)生探究思維的培養(yǎng)。利用探究實(shí)驗(yàn)設(shè)備測出來的數(shù)據(jù)和證據(jù)以數(shù)字、圖表為主，更客觀、真實(shí)地展現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程和收集到的證據(jù)。
作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是采樣的來記錄，容易有疏漏，在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備中如實(shí)記錄了每一個(gè)實(shí)給過程的數(shù)據(jù)。特別是對那些現(xiàn)在沒法解釋的數(shù)據(jù)，記錄下來在以后的學(xué)生中尤為重要。
5、 解釋與結(jié)論更加真實(shí)有效。
借助數(shù)字化設(shè)備和相關(guān)的數(shù)學(xué)工具進(jìn)行的數(shù)據(jù)分析，利用已有的原理和，充分利用各種科學(xué)探究中的統(tǒng)計(jì)，讓我們能透過反應(yīng)現(xiàn)象看反應(yīng)本質(zhì)，使我們的結(jié)論更加科學(xué)，使我們對問題的解釋更加客觀，真實(shí)、有效。
學(xué)生間相互討論各自對問題的解釋，能夠引發(fā)新的問題，有助于學(xué)生將實(shí)驗(yàn)證據(jù)、已有的科學(xué)知識和他們所提出的解釋這三者之間更緊密地聯(lián)系起來。終，學(xué)生能解決彼此觀點(diǎn)中的矛盾，鞏固以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的論證。
6、 反思與評價(jià)更加客觀。
數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的引入讓探究活動(dòng)反思更細(xì)致，借助設(shè)備可記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。如在實(shí)驗(yàn)中存在一些數(shù)據(jù)異常，給了我們分析、質(zhì)疑、反思、評價(jià)時(shí)更客觀的依據(jù)。特別是對實(shí)驗(yàn)結(jié)果和預(yù)測不同的分析，通過同學(xué)們相互質(zhì)疑和討論分析，就可搞清楚數(shù)據(jù)結(jié)果有誤的原因。
數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的引入使評價(jià)更客觀，更具備發(fā)展性，有利于學(xué)生的成長。如在配制一定物質(zhì)的量濃度的溶液時(shí)，由于課堂教學(xué)中教師不可能一一觀察到所有學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作是否規(guī)范，只憑后定容是否準(zhǔn)確而不是根據(jù)溶液濃度是否準(zhǔn)確來判斷，這種做法當(dāng)然有失偏頗。借助離子電極或電導(dǎo)率儀或密度計(jì)可以立即測定出氯化鈉溶液濃度是否與要求相符，也給了學(xué)生反思的空間，學(xué)會(huì)誤差分析，學(xué)會(huì)在實(shí)驗(yàn)中控制誤差。這種誤差分析和控制也是新課標(biāo)對學(xué)生提出的能力要求。
7、 表達(dá)和交流更加清晰、明了的。
數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備讓學(xué)生分享探究心得的體會(huì)時(shí)的表達(dá)與交流更清晰、明了，利用實(shí)驗(yàn)的同步回放，可分析每一實(shí)驗(yàn)不同時(shí)間段的情況，更方便的再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)當(dāng)時(shí)的真實(shí)情境，在這種回放情境中相互的表達(dá)和交流是更加容易讓人理解，產(chǎn)生共鳴。同樣的功能若用在高考實(shí)驗(yàn)復(fù)習(xí)階段，復(fù)習(xí)效率將會(huì)大大提高。
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