第43章 科學實驗教學研究的新視野(2)(1 / 3)

3.DIS Lab的發展

科學學習是一個貫穿了實驗、觀察、歸納和抽象的過程。怎樣引導學生從紛繁蕪雜的物質世界中總結出規律,並鼓勵學生掌握和完善總結規律的方法,是科學教學的基本命題。但是傳統的科學實驗器材有許多缺點:實驗儀器普遍精度低、誤差大、可重複性差,影響學生對科學規律的深入理解;實驗儀器的讀數僅靠人眼觀察、手工記錄,操作耗時費力,實驗教學的效率低下;多種物理量的測量手段欠缺,聲學、光學、運動學、磁學實驗所要求的基本數據較難獲取。如此,傳統的科學實驗儀器不僅成為提高實驗教學質量的瓶頸,而且很難滿足新課程學習方式轉變和教學規範轉型的要求。

隨著科學課程改革的深入,必須為實現“信息技術與科學教學整合”的理念尋求可靠的物質載體,以實現培養學生使用工具,特別是信息技術工具進行科學探究的能力。由此,有關單位借鑒了國際科學教育中的成功經驗,研究開發出了數字化信息係統實驗室。

目前在DIS Lab中常使用的傳感器有各種各樣的類型,包括電流、電壓、溫度、位移、壓強、pH、力和光強等。使用傳感器和相關的軟件,學生能夠像科學家那樣指導計算機收集、記錄數據,並且把數據繪入圖表,能夠根據實驗的數據立即獲得圖像化的結果以便於觀察、理解科學概念、分析所得到的數據的變化趨勢,使學生把注意力放在探究的概念上。

二、DIS Lab與科學實驗教學

DIS Lab中對傳感器的引入,初步實現了科學實驗教學過程中測量手段的數字化,與計算機結合後更實現了數據顯示、分析、計算的智能化。DIS Lab中傳感器的應用,將會開啟中學科學實驗教學的數字化時代。

1.實現對傳統的超越

DIS Lab將實驗數據數字化,在真實實驗的基礎上實現了信息技術與科學實驗教學的整合。盡管DIS Lab的傳感器替代了部分測量儀表,但引入DIS Lab之後的科學實驗教學體係並沒有形成“斷層”:實驗數據依然來自傳統的實驗裝置,音叉、磁鐵、螺線管、軌道小車、擋光片、水槽、燒瓶等“實驗數據源”沒有變化,自感現象演示儀、查理定律演示器等實驗裝置也都繼續發揮著作用,隻是數據采集和分析處理手段借助信息技術得到了顯著改進。例如,進行“自感現象”教學時,自感現象演示儀仍“位居前排”,但連接在電路上的已經不是演示電表,而是DIS Lab電流和電壓的傳感器。這一改變使得原來隻能憑借小燈泡的明滅和演示電表的擺動進行觀察的自感過程,通過“電流、電壓-時間”圖線而獲得清晰體現,學生對自感現象的認識深度大大提升。再如,進行“彈簧振子擺動實驗”時,“服役”多年的彈簧振子演示器依然“寶刀不老”,隻是原來的振子被DIS Lab位移發射傳感器替換。

位於位移發射傳感器一側的位移接收傳感器接收到振動數據,計算機屏幕上即可實時描繪出彈簧振子的S -t 振動圖線。

在延續傳統的同時超越傳統,使用現代化技術手段整合傳統實驗手段和教學方法,正是DIS Lab的生命力所在。

2.實現科學實驗探究

DIS Lab具備“實時實驗”的功能,數據采集、處理和圖線描述都由計算機完成,由此教師和學生可以從數據讀取、記錄,公式運算和圖線描繪等繁瑣的數據處理中解脫出來,將注意力集中在科學探究上,並且為學生實現科學實驗的體驗,開展合作與交流提供了時間和空間。在實驗過程中,教師可以利用“實時實驗”節省的時間,引導學生改變實驗條件,對科學現象和科學規律進行深入的分析和討論,得出結論。實踐表明,在傳統科學實驗中,有94%的時間花在了實驗準備和數據處理上,而真正花在探究上的隻有6%的時間,而在DIS Lab實驗中,花在實驗準備上的時間為40%,花在數據處理上的時間隻要3%就可以了,而花在探索研究上的時間可以達到57%。

3.實現科學實驗智能化

DIS Lab軟件包中通常為學生提供了教材專用軟件和教材通用軟件兩種界麵。教材專用軟件是按照每個實驗的變量和特點設置界麵,實驗條件較為理想,簡潔、易用,針對性較強;通用軟件則遵循主流工具軟件的規範,提供數據顯示、分析和處理的通用界麵,內置組合顯示、數據表格、分析計算、曲線擬合等功能,能夠完成傳感器量程內的所有實驗(圖7‐2‐7所示為通用軟件中的組合顯示功能)。

一般而言,通用軟件使用自由度較大,可以自行設定的功能較多,更適於探索研究,但是它對計算機操作水平有較高的要求。對於同一個實驗,專用軟件和通用軟件均可完成,教師和學生可以在殊途同歸中體驗到科學探究的樂趣,兩者相輔相成,是一套完整的軟件工具體係。