數字化探究實驗室

1．國家實施的2000－2010年的課程改革對科學教育的反思（強調科學探究、強調學生科學素養、創造性思維、問題解決能力的培養）；

2．2個主流的科學教育觀點：“做中學”科學，“科學學習與生活結合”；

3．現代信息技術和傳感技術的發展，對探究實驗室的產生提供了技術支撐；

4．當前已有13個省（市）出台數字化探究實驗室配備標準（北京、天津、上海、山東、廣東、江蘇、浙江、福建、河北、山西、陝西、湖南、湖北）。

眾所周知，我國目前正轟轟烈烈的進行中小學課程改革。課程改革的核心理念，就是要強化學生的自主探究性學習，讓學生通過自主探究性學習，掌握新的知識，獲得新技能，培養科學探究的能力。在課程改革的新形勢下，理科教學中實驗教學的地位顯得更為重要。許多的知識、規律不再是由教材直接給出後通過教師灌輸給學生，而是要求讓學生通過探究性實驗來再發現，這就對理科實驗室提出更高的要求。

傳統的理科實驗室的缺陷，常常使教師在教學過程中產生困惑。最主要有以下幾個方面的問題：一是傳統實驗儀器的分辨率不高，影響了探究實驗的結果。既然要求學生通過探究實驗對科學知識和規律進行再發現，那麼就必須使探究實驗的結果和需再發現的規律儘可能的相符合，可是由於傳統實驗儀器的分辨率不高，導致最後得到的結果和科學規律不盡相符，教學目的無法實現；二是傳統實驗室中實驗數據的記錄只能採用手工記錄，數據採樣率不高，對實驗結果的精確度影響較大，更重要的是這種傳統的數據記錄方法面對一些快速連續變化的量時往往無能為力，導致一些實驗無法完成；三是中學生分析處理數據的能力不強。傳統實驗室只能根據實驗要求採集實驗數據，但沒有自動分析處理實驗數據的功能。學生雖然在老師的指導下獲得實驗數據，但不懂如何分析和處理數據，最後還是回到由教師直接給出實驗結果的老路上，使實驗不能真正體現課程改革的理念。長此以往，學生會覺得實驗難做，實驗意義不大，嚴重影響學生的學習興趣。

在這種情況下，數字化探究實驗室產品應運而生，為中學理科實驗教學提供完美的解決方案。對比傳統實驗室，數字化探究實驗室在上述幾個方面都擁有巨大的優勢：首先數字化實驗室採用傳感器作為採集實驗數據的工具，其分辨率遠遠高於傳統實驗儀器。以物理實驗室中最簡單、最常用的測力工具為例，傳統實驗室大多用彈簧測力計作為測力工具，其分辨率一般為0.1N，而數字化探究實驗室採用力傳感器作為測力工具，其分辨率一般可達到0.005N，精確度遠高於傳統測力工具。數字化探究實驗平台採用各種類型的高分辨率傳感器作為實驗數據採集工具，精確度大大優於傳統實驗室，為科學規律的再發現提供了完美的工具；其次，數字化探究實驗平台具有實驗數據自動採集的功能，採集頻率一般在10kHz以上。足夠高的數據採樣率保證了實驗結果的精確度，同時可以輕鬆解決許多傳統實驗室無法解決的涉及到連續快速變化的量的各種實驗；最後，數字化探究實驗平台的軟件部分具有強大的數據處理功能，可以幫助學生輕鬆的對實驗結果進行分析處理，讓學生通過探究實驗對科學規律進行再發現，使理科實驗教學得到大大的簡化，真正體現了新課程改革的核心理念。

數字化探究實驗室所具有的這些優勢，使其在基礎教育中能得到廣泛的應用。在發達國家，數字化探究實驗室早已經成為基礎教育中必備的工具，而在我國，在課程改革的要求下，也開始了關於數字化探究實驗室在基礎教育中的嘗試。作為中國新課程改革首批試點地區的上海率先將數字化實驗室引入基礎教育中，2002年上海市教委將數字化探究實驗室引入二期課改的高中物理教材，開了我國在基礎教育部分推廣數字化探究實驗室的先河。在上海市課程改革取得初步成功的基礎上，中國教育部在2003年制定的《普通高中物理課程標準（實驗）》也將數字化探究實驗室引入到國家新課程理科實驗教學中，正式拉開了在我國基礎教育部分廣泛應用數字化探究實驗室的序幕。目前，全國大多數省市已將數字化探究實驗室列入基礎教育裝備標準，數字化探究實驗室作為基礎教育中理科實驗室的發展方向，已經得到教育界大多數專家、學者和決策者的公認。

1．傳感器 ^[1]  ：傳感器的作用是把實驗中測量的各種非電信號（例如：力、位移、光強、PH值等）轉換成標準的電信號，並把這些電信號傳遞給採集器。

2．採集器：採集器是傳感器與計算機的接口。它的作用是把實驗中各種傳感器輸出的電信號轉換成數字信號並輸入到計算機中。

常見的採集器有：MGA圖形數據採集器 ^[2]  、D2數據採集器 ^[2]  。

3．數字化探究實驗室專用軟件： 數字化實驗室軟件主要用於傳感器數據的採集、數據表現與數據分析。軟件在數據表現上，提供了數據表格、數據曲線等表現形式。在數據分析上，提供了數據統計、曲線擬合和線形迴歸等方式，操作簡單，使用方便。採集器與計算機之間通過USB接口相聯，具有優秀的兼容性、穩定性和操作上的靈活性。

進行實驗時，首先通過傳感器測量各種物理量，並把測量的值傳遞給數據採集器；然後由數據採集器把採集到的實驗數據傳遞給計算機；最後通過計算機軟件以數值、圖表、曲線等各種方式表現實驗數據，並可根據教學要求對實驗數據進行各種分析與處理。

“信息技術應包括：現代感應技術、通訊技術、計算機智能技術和控制技術。”

科技的進步必然促進教育的發展，近年來，信息技術的飛速發展，給教育教學領域帶來翻天覆地的變化，新型的教學設備提供了全新的教學手段，開拓了全新的視野，更產生了的全新的成果，其中信息技術與學科教學的整合已經成為世界教育領域發展的潮流。

科學的本質是探索真理和發現真理，但是由於國內以前缺乏有效的手段，信息技術與課程的整合一直停留在比較膚淺的層面上，根本不能深入到學科的本質中去，大多數人對此產生了困惑。數字化探究實驗室的出現從根本上解決了這一問題，它從理科教學的重要環節——實驗入手，通過數字化的實驗設備去解決理化生學科教學中的問題，不僅提高了教學效率，解決了教學難題，更進一步培養了學生的動手能力和探究精神。這種新型的教學設備是教育技術發展的最新成果，從根本上改變了以前幾十年不變的實驗教學模式，為教學改革的創新提供了舞台，為促進信息技術與中學理科教學的全面整合起到了革命性的作用！

現代教育的理念是不僅要使學生獲得一定的知識和技能，更要通過學習過程養成科學的思維和研究方法，還要形成正確的情感、態度和價值觀。

目前中國正進行着新一輪的基礎教育課程改革。新課改提倡全面發揮學生的主動性，使學生較為深入地學習物理、化學、生物實驗的有關理論、方法和技能，進一步提高學生的實驗素養。主要表現為，激發學生實驗探究的興趣，增強學生的創新意識，培養學生實事求是、嚴謹認真的科學態度，養成交流與合作的良好習慣，發展學生的實踐能力等方面。

新課程標準要求學生通過強化實驗方案的自我設計，深入對實驗過程和實驗誤差分析，重視對實驗方案和實驗結果評估。而數字化探究實驗室在激發學生興趣，幫助師生更好地對實驗過程探究、實驗誤差分析、實驗結果評估等方面顯然具有傳統實驗設備無法超越、無可比擬的優勢。

所以，數字化探究實驗室的推廣與運用，不僅是教學手段的創新，更是教學理念的革命！

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生物數字化探究實驗室

綜合數字化探究實驗室