第一篇：數字化實驗室的優越性及在實驗教學中的應用論文

關鍵詞：數字化 實驗教學 優越性

摘要：隨著信息技術的飛速發展，數字化實驗作為一種新型實驗教學方法，對傳統實驗教學的變革起到了積極的影響。筆者結合本校數字化實驗室的發展，對數字化實驗室在中學實驗教學中的應用及數字化實驗的優越性，數字化實驗與傳統實驗的關系方面做了論述。

數字化實驗是在傳統實驗技術的基礎上引入了計算機技術。隨著計算機技術的發展，數字化實驗技術也得到了飛速發展，成為傳統實驗室技術向現代化、數字化發展的方向。數字化實驗室作為一種新型的實驗手段，在新課程改革背景下破土而出。數字化實驗室既是對傳統實驗教學的有效補充，又是傳統實驗教學的延伸。我校在物理、化學、生物、地理四個學科中裝備了數字化實驗室，其中的數字化設備包括高級數據采集(在平板電腦中加裝數據采集卡)和傳感器。

一、數字化實驗室的優越性

數字化實驗是在傳統實驗技術的基礎上，應用傳感器技術，將傳統實驗中的信息數字化并傳送到計算機，由專用軟件處理后，通過圖像、表格、視頻等多種形式來動態地顯示出來。能使學生觀察到化學變化的整個過程，能對變化過程進行直觀、形象處理的實驗方法。在一定程度上將化學反應過程中微觀世界通過數據與圖表展現出來，揭示其中的科學規律。根據我校數字化實驗室使用過程來看，數字化實驗具有如下特點。

1.數字化實驗室具有開放性。根據教學的實際需要，數字化實驗室既可用于演示實驗（配合投影設備），也可進行分組實驗；既可課堂教學使用，也可用于綜合實踐活動。其中最適合于綜合實踐活動，利用高級數據采集器的特點，可以到家庭、田野、工廠做實驗。因此，數字化實驗室是一個開放性的實驗平臺，無論在教學內容還是教學方式上都具有開放性。例如，測定污水中的酸堿度。傳統的實驗方法是到各點取樣，送回實驗室分析，這樣即費時又費力。而數字化實驗就可以直接帶上設備到各點測定，數據由電腦分析后通過無線網絡發回，可以方便地匯總數據。

2.數字化實驗室具有智能型的特點，其智能性特征基本貫穿整個科學實驗過程。例如，在中和熱的測定實驗中，傳統的實驗方法無論取點和作圖都由手工完成。而數字化實驗這些過程都是由計算機完成的，而且能準確、清晰地顯示出溫度的變化曲線。利用智能軟件能夠直接顯示數據坐標，精確測量任何兩點的距離，而且可以同步顯示真實數據。

3.數字化實驗室與傳統實驗具有整合性。數字化實驗室仍以學生的真實實驗為基礎，只是在信息處理的重要環節上采用了計算機技術(采集、處理和表達)，從而實現了計算機技術與傳統實驗技術的整合。

二、數字化實驗是對傳統實驗技術的延伸與發展

傳統定性實驗一般是通過人的主觀觀察（顏色、氣味、冷熱、沉淀、氣泡等）來判斷反應進行的情況。而定量實驗是通過儀器（溫度計、電流表、電壓表等）斷續地測量數據，進一步由手工繪制圖表，最后通過分析來完成任務。而數字化實驗則是通過傳感器技術直接測定并且量化數據，同時將數據傳給計算機，由計算機給出動態的輸出結果。測定各組成成分的數值及其之間的數量關系，從而更科學地分析問題、解決問題。

由于傳感器和計算機的介入，實驗的過程中能更快更準確地連續監測、采集和處理實驗數據，能夠利用軟件實時顯示數據。并能夠存儲、傳輸以及對數據進行統計等分析處理，提高了實驗準確性，使實驗結果更真實。這樣數字化實驗不僅使原來的定量實驗實現自動化，迅速、準確地給出實驗結果，而且可以使原來的定性實驗做定量化。

數字化實驗可以及時捕捉細微的科學過程。傳統實驗一般都是靠眼睛觀察實驗現象、靠手腦記錄和處理數據。但很多實驗現象是來不及觀察或者根本觀察不到，有時即使能夠讀數，也容易造成較大誤差。而數字化實驗可以通過傳感器可以捕捉 “瞬時”的過程，我們能夠通過計算機記錄下來仔細分析，可以探究的問題范圍和深度都大大拓展，更容易、更深刻地揭示客觀規律。

數字化實驗可以拓展問題探究的深度和廣度，更有利于探究性教學。把很多原來只能意會的問題通過數字、表格、視頻等形式顯示出來，將傳統實驗技術與傳感技術、信息技術的有機結合，使學生能觀察、捕捉并分析傳統實驗儀器無法觀察到的微弱信息和瞬間信息，對探究問題的深度提出了更高的挑戰，更具備發展性，更有培養學生的積極探究意識。

例如，在做酸堿中和滴定實驗時，傳統實驗是通過酸堿指示劑來確定中點。實驗過程中只能看到中點時指示劑顏色的突變，不能看到PH值變化的全過程。而在數字化實驗中使用PH傳感器就可以讓學生看到在中和反應中溶液PH值變化的全過程，并將整個過程用圖形顯示出來。學生可以很方便地探究中和反應的本質問題。

數字化實驗室其實就是傳統實驗室的延伸。它是在傳統實驗技術的基礎上，引入傳感器、數據采集器和計算機組成的多功能實驗平臺。數字化實驗室既是對傳統實驗教學的有效補充，又是傳統實驗教學的變革，更是一次對新課標下實驗教學的挑戰。這需要我們不斷地探索，才能有效地用于實驗教學，才能發揮它的巨大優越性。

參考文獻：

1．吳俊明，《新課程背景下的數字化實驗室及其在中學理科教學中的應用》，《中國電化教育》，2006

2．史能，《數字化實驗室在教學實驗中的應用》，《科技教育創新》，2007

第二篇：數字化技術在物理實驗教學中的應用

海興縣 楊金鐘 *** 061200 數字化技術在物理實驗教學中的應用

物理本身就是一門以實驗為基礎的學科，實驗在學科教學中的重要性也是不言而喻的。因此，在初中物理教學中，要做好演示實驗，激發學生的學習興趣和求知欲;要注重探究實驗，促進學生學習方法的轉變和探索意識的培養；開發課外實驗，挖掘學生的潛力，提高動手實踐能力和創新能力。中學作為基礎教育階段，傳統實驗方法的訓練對學生實驗能力、科學素質的培養是必不可少的。但若要研究的物理過程十分復雜，要采集或處理的數據量很多，或要通過多次改變實驗條件，對實驗過程進行深入的分析，數字化實驗手段就有強大的優勢和廣闊的空間。

一、數字化實驗的特點

1、強大的數據采集能力

利用計算機，既可以對傳感器在快速變化的瞬態過程中獲得的大量實驗數據進行實時采集，也可以長時間地跟蹤收集極緩慢過程的各種實驗數據。數字化技術為理科教學中改造傳統實驗或開發以前無法進行的新實驗提供了有力的工具。

2、靈活的數據處理能力

通過計算機，可以對實驗過程進行控制，對大量的數據進行各種復雜的、快速的處理，例如數據的轉換、曲線的擬合、誤差的計算等．這就允許在實驗中嘗試改變各種條件，比較實驗的結果，為學生創造了一個科學探究和自主學習的環境，培養學生的觀察和實驗能力以及實事求是、勇于探究的科學態度。

3、為互動式教學創造了條件

在實驗室中將計算機聯機，可以方 便地實現數據共享，在教師的指導下對各1 組實驗結果進行比較、探討，為開放、互動性的課堂教學創造了條件。

二、數字化實驗系統的構成 硬件：傳感器、采集器、計算機

軟件：對數據的采集進行控制；對所采集的數據進行處理

三、數字化教學實驗設計原則

既然要用數字化手段來進行某一實驗，選擇實驗課題時就應該能夠回答采用數字化手段來進行這個實驗的必要性，并且在設計實驗時充分發揮數字化技術的特長。

1、教學實驗必須有鮮明的物理思想

教學實驗必須含有豐富的物理思想．實驗設計要突出所研究的問題的背景，實驗所依據的原理和研究問題所用的方法。

2、教學實驗的設計要能充分展示所研究的物理過程，有效地揭露物理過程的本質．教學實驗的設計還必須給學生提供充分發揮創造力、想象力的空間，有一定的操作要素．

四、數字化實驗的選取原則

要用數字化手段來進行某一實驗，選擇實驗課題時就應該能夠回答采用數字化手段來進行這個實驗的必要性，并且在設計實驗時充分發揮數字化技術的特長。在實驗課題的選擇上，數字化實驗比較適合用在那些過程比較復雜的，要采集的數據量比較多的，數據處理中計算量比較大的實驗。

五、數字化實驗設計實例

1、作用力與反作用力

實驗目的：說明物體間發生相互作用時，作用力反作用力方向相反，大小相等。實驗方法：用兩個力傳感器互相對拉或對壓，比較兩條“力－時間”函數圖線。

2、碰撞與緩沖的研究

實驗目的：比較緩沖物軟硬程度對沖力大小的影響；驗證動量定理

實驗方法：使砝碼從同一高度下落到軟硬程度不同的緩沖墊上，通過“力－時間”圖線比較沖力大小。將琺碼與緩沖墊接觸過程中受到的“合力”對時間積分，說明琺碼從同一高度下落，自接觸緩沖墊到停止運動，所受合力的沖量相等。

3、電容器充、放電過程的研究

實驗目的：

1、觀察電容器充放電過程中電壓、電流的變化情況。

2、說明電容器所帶電量與電壓之比是只與電容器物理結構有關的常量，說明物理量“電容”的概念。

實驗方法：

1、觀察電容器充、放電過程的“電壓－時間”、“電流－時間”函數圖線。

2、將電容器充、放電過程的“電流－時間”圖線對時間積分，求出充、放電的電量。證明對某一電容器來說，這電量與充電電壓之比是一個常量。

4、定值電阻伏安特性的研究 實驗目的：

1、研究定值電阻的伏安特性

2、研究定值電阻上消耗的電功率與電壓的關系

實驗方法：

1、通過對定值電阻伏安特性曲線的線性擬合，研究定值電阻上電壓、電流、電阻間的函數關系。

2、通過對定值電阻上“功率－電壓”曲線的擬合5、電磁感應現象的研究 實驗目的：驗證電磁感應定律

實驗方法：比較“磁感強度、感應電壓－時間”、“磁感強度變化率、感應電壓－時間”圖線，說明在電磁感應現象中電路中感應電動勢的大小只與磁通量的變化率有關。、6、研究交流電的有效值 實驗目的：研究正弦交流電有效值與峰值間的關系

實驗方法：

1、通過用“正弦函數”對“交流電壓－時間”圖線進行擬合，確認低壓交流電源輸出的是否可看作是正弦交流電。

2、通過對“電壓平方－時間”圖線進行統計分析，求出在整周期內交流電壓的“均方根”值，并求出交流電壓的峰值與“均方根”值之比。

7、振蕩電流的研究

實驗目的：

1、研究“LC”振蕩電路產生振蕩電流的過程

2、研究產生振蕩電流時電路中電壓、電流間的相位關系

實驗方法：

1、觀察“LC電路”產生超低頻振蕩的過程

2、通過軟件慢速重放的功能研究產生振蕩時電路中電壓和電流間的相位關系

8、氣體等溫過程的研究

實驗目的：驗證一定量氣體等溫過程中壓強與體積的關系

實驗方法：

1、通過單點輸入，作出一定量氣體“壓強－體積”曲線

2、通過對“壓強－體積”曲線的擬合，驗證波義耳定律

第三篇：數字化實驗室在教學中的作用

數字化實驗室在教學中的作用

一.提高了教學效率

數字化實驗室發揮了傳感器和計算機的優勢，實現了高精度、高速度和自動化的測量，采集到多種完整、動態的信息，并且能夠對實驗數據作出多維的、綜合性的分析處理。這樣就把教師和學生從繁瑣的、重復性的勞動中解放出來，集中精力于設計實驗方案、歸納總結、交流信息和從中發現規律。經統計，與傳統教學相比可以提高效率100%以上。

二.解決了教學難題

很多傳統的實驗設備，具有簡單、直觀、易于操作等優點。但是其用途往往單一，而且需要人工讀數和記錄，難以觀測快速變化的過程，也不便于研究復雜的問題。而數字化實驗室通過高精度、高速度的數據采集，能夠實時記錄實驗的每一個過程，把轉瞬即逝的實驗數據記錄下來，高效、直觀，便于學生仔細觀察，加深理解，從而輕松解決教學中的難題。

三.培養了學生的動手能力和研究精神

數字化實驗室的開放性和易操作性，提供了一種良好的環境，激勵學生進行研究性學習，自主提出感興趣的研究課題，自主進行實驗研究。在這個過程中，學生通過了解和掌握現代實驗手段，增強創新意識，提高實踐能力，培養實事求是、嚴謹認真的科學態度，養成交流與合作的良好習慣，認真分析誤差，對實驗方案和實驗結果做出評估。總之，學生的科學素養、動手能力以及探索精神可以得到極大的提高。

四.實現了理科實驗教學及考試的信息化

目前全國各省級教育部門組織的高中會考中，理化生實驗考試是必考的內容，每年有458萬名考生參加。在全國各地市組織的中考升學考試中，物理、化學實驗操作考試也是作為必考加分內容，每年全國大概有2085萬初中畢業班生參加。（數據來源《教育統計年鑒》）

但是，在目前進行的上述理科實驗考試中，存在著兩大問題。

第一、考試效率問題。由于實驗考試主要考察學生實際動手操作能力，同時又必須在短時間內完成考試，這就必須實行一個教師監督幾個學生完成實驗的考核方式。每次考試一般學校一個年級有上百人參加，多的可到上千人，教師的工作量極大，考試效率極低。第二、考試信度問題。由于需要大量監考老師，有些地方不得已請本校其他學科教師甚至請大學生來參與監考，這些監考教師對于考試標準的理解千差萬別，把握的尺度各有差異，由此給出的考試成績自然信度極差，絕大部分都一次通過，流于形式，沒有起到真正的作用。

第四篇：數字化語言實驗室教學環境構建及應用績效研究論文

摘要：數字化語言實驗室是進行語言課程教學的主要場所，是學生自主學習的實用平臺。本文介紹了數字化語言實驗室發展的時代背景，探討了數字化語言實驗室教學環境的構建原則、系統功能和外設營造等相關問題，并就實驗室的應用績效進行了論述。

關鍵詞：數字化語言實驗室 教學環境 環境構建 應用績效

一、數字化語言實驗室發展的時代背景

數字化語言實驗室作為現代化科技發展的產物，以其多資源、多功能、多模式，帶給學生和教師的是語言學習與語言教學質的轉變，它為實現外語教學的數字化、信息化、現代化，提供了一個跨越式的理想平臺。

如何從“以人為本”的角度，合理構建數字化語言實驗室的教學環境，更好地滿足教改新模式的要求，以及如何提高數字化語言實驗室教學應用的績效，仍是廣大教師和教育技術工作者應探討的問題。

二、數字化語言教學環境的內涵

所謂語言教學環境是指語言學習中語言出現和使用的具體環境。數字化語言實驗室所提供的不是現有教學資源簡單的數字化處理，不是簡單的語言課程的網絡化學習，而是教師、學生、實驗室資源的有機架構，是三者相統一的“三位一體”化的教學環境。衡量數字化語言教學環境優劣的標準，是學生在這個所提供的環境中，多大比例的時間在進行語言的練習交流，多大程度地實現了自身的有效學習。

因此數字化語言教學系統的發展方向應該是不斷滿足語言教學的需求，逼近語言教學的理想環境。語言教學的理想環境可以分為學生學習的理想環境和教師教學的理想環境。其中語言學習的理想環境是基礎，它決定了語言教學的理想環境。語言教學的理想環境可以包括兩個方面的內容：一是有獲得語言知識的良好手段;二是有語言練習和語言實踐的良好條件或環境。

鑒于語言學習過程的特殊性，教學環境的優與劣，直接影響到外語學習的教學效果。而數字化語言實驗室所能提供的是將各種可用資源數字化重組，并通過最合理的方式創建語言學習的綜合性的、開放性的、實踐性的實驗教學環境，使外語的學習在時間和空間上全面開放。

三、實驗室教學環境的構建

1.教學環境的構建原則

(1)創新性原則。實驗室的資源共享、開放式教學，與傳統教學模式相比，給學生更多的時間來自己摸索與實踐，給教學形式的進一步發展提供了摸索的空間。教師應該積極借助于現代化的教學環境，重視培養學生的創新精神和創新能力。

(2)實踐性原則。數字化語言實驗教學重在提供學生自主語言實踐的教學環境，是學生發揮主體作用，自主進行語言實踐掌握的有力途徑。學生在所提供的教學環境中廣泛涉獵語言素材，利用實驗室所提供的資源，摒棄被動學習的劣根性，真正受益于數字化語言教學。

(3)綜合性原則。一個實用性強的數字化語言實驗室不僅應該綜合多方位的學習資源庫與系統使用功能，提供給學生自主學習使用，同時也需要教師與實驗室負責人員的有效利用與配合。在不斷發展、擴充學習資源的同時，完善教學資源的軟件與硬件的綜合建設，多類型、多層次的實施途徑是確保實驗室得以發揮價值的重要保證。

2.教學環境的系統功能

(1)創造仿真的人機對話模式。語言教學系統的技術和功能的突破點是在語音識別技術的發展和完善上。創造出模擬真人間一對一交流的人機對話模式，對外語學習具有非同尋常的重要意義。

(2)構造語言教學信息資源庫。局限于課本的外語學習實用性有限，因此搭建標準化語言學習資源平臺，對外語的教學可以起到推進性的作用。雖然，全國部分高校都有自己的外語教學資源庫，但是由于高校信息化建設的獨立性，導致外語教學資源庫的建設自成體系，資源共享難。而數字化語言系統應該將現有的教學資源匯總、整合、完善，平等地開放給學生使用，使學生自主地接觸到多方位的學習信息，這樣才是真正服務于語言教學。

(3)完善語言教學管理功能。數字化語言實驗室為學生利用教學系統進行自主學習創造了條件，但是應該考慮到并非每一個學生都有很強的自覺性，因此設定在規定的時間里達到既定的學習目標，是很有必要的，這就需要數字化語言實驗室系統應具備教學管理與控制功能。

3.教學環境的外設營造

(1)單位實驗室的容量控制。按照語言教學的一般規律，單個實驗室或單個實驗教學班級的規模應該是越小越好，但是對于一般的高校而言，語言室的教學環境不僅僅面向的是專業外語教學使用，更多的是公共外語的教學任務。同時，過小的實驗室規模勢必造成教育成本的大幅度提高。所以在保證教學質量的前提下，建議可將單位語言教學環境中容納學生的數量控制在36位至48位之間。

(2)實驗室的音響設施。在語音實驗室授課或上課，勢必會長時間佩戴耳機，佩帶耳機時間過長，勢必會造成一定的不適感，影響到學生上課的情緒。因此一套中等音質質量的外置揚聲器是語言教學環境中必不可少的設備。在非聽力的課程中，可以適當地使用實驗室的揚聲器，緩解教師、學生的聽覺疲勞，有助于調節課堂氛圍。

(3)實驗室的照明控制。研究表明自然光對視覺敏感度效果最好，語言實驗室室內的照明設備基本上都使用熒光燈。由于上課時學生主要閱讀顯示器上的文字，所以要考慮過強的環境照明是否會造成顯示器圖文顯示反差降低，影響閱讀效果。

(4)實驗室的保潔問題。語言教學設備由多個教學班級輪流使用是一個非常普遍的現象，這必然造成學生端的外接設備不同程度的污染現象。鑒于此，對語言實驗室的定期保潔是非常有必要的，這樣做不僅能給學生營造出干凈的學習環境，還能防范污染對實驗設備的損傷。

四、數字化語言實驗室應用績效的探究

數字化語言實驗室的有效應用能提高學生的外語學習興趣和語言應用能力，能促進教師的教學實踐和科研創新能力，增強師生的綜合素質，實現教學相長。

1.應用績效探究的目的評估數字化語言實驗室在實施教學過程中各個環節的質量與效果，最基本的功用是可以促進教師和實驗管理人員的積極性和主動性，但其意義遠不僅如此。

績效，指人們在工作場合中通過一定的活動完成任務所形成的業績或成果。簡言之，就是目標達成的程度。績效評估的目的，就是撇開外在的表面因素，仔細審視整個實施過程是否已經達到了預期的目標，在明確目標之后，找出目標與現狀的差距。可以說，探究數字化語言實驗室應用績效的目的在于對實驗教學質量進行評估，找出實際應用中的優勢與不足，完善教學培養方案，使語言教學在數字化的教學環境中更上一個臺階。

2.語言實驗室應用績效的分類

從數字化語言實驗室最直接的使用對象來看，實驗室的應用績效可以分為學生應用績效和教師應用績效，可以從這二個方面來綜合分析數字化教學環境的現實意義與價值。

(1)學生應用績效。學生是數字化語言實驗室最直接的受用者。分析學生對實驗室的應用績效最能說明數字化教學的實際效果。學生的應用績效評定的前提是將同一年級同一課程的學生分成二個班級，分別在數字化語言教學環境中與傳統的課堂進行受教。績效的內容可以基本分為以下三個方面：在一個學期后進行應試成績的考核;在一個學期后進行語言交際能力的考核;在一個學期后進行外語綜合能力的考核等。綜合以上幾個方面，來對比分析不同的兩個教學環境對學生實際教學的影響，來發現其中的差異性、優勢性與可發展性。因為數字化教學仍在不斷地完善過程中，在實際教學中尚處在一個銜接與過渡的階段，通過學生應用績效的考核，可以發現最有價值的問題，進而不斷改進，優化學生的課堂內容和學習過程。

(2)教師應用績效。教師作為實驗室的使用主導，對于實驗室的實際應用也直接影響到學生應用績效。教師應用績效的評定是以學生應用績效為前提的，因為學生學習的實際效果是教師應用效果的最終體現。教師可以借鑒學生績效的結果來發現教學中存在的問題，也可以采用調查問卷等形式來有針對性地發現問題，摸索改進基于數字化語言實驗室平臺的最適合的教學形式與方法。教師應該在不斷摸索中成長，在不斷創新中收獲，在自身穩步提高的同時，為學生營造最理想的教學氛圍。

五、結束語

現代化語言教學，在教學的理念與方法上仍追求不斷發展和創新，數字化語言實驗室的發展也呈多元化，其系統資源功能不斷完善，實用性日趨強大，對外語的“教”與“學”產生了積極的影響筅

參考文獻：

[1]楊建華.突出特色抓好實驗室教學中心建設與管理[J].實驗室研究與探索，2008(1)：10-12.[2]胡曉波，隋繼學，趙永安.實驗室開放教學的探討[J].實驗室研究與探索，2008(5)：164-167.[3]李盛.基于數字語言實驗室的大學英語教學及對策[EB/OL].http：//www.tmdps.cn/ettp/list.asp?id=79.[4]王愛國.搭建網絡化語言學習環境[J].教育技術資訊，2007(4)：55.[5]何洪武.如何利用語言實驗室來優化外語課堂教學[EB/OL].http：//www.tmdps.cn/ettp/list.asp?id=63.

第五篇：高中生物數字化實驗教學應用的不足及策略研究

題目：

高中生物數字化實驗教學應用的不足及策略研究

姚夢萍

2017年6月

1.文獻綜述

1.1 高中生物實驗教學研究現狀

生物學是一門自然科學，一定要以實驗為基礎。生物學實驗是生物學研究的基礎，更是生物這門學科的一個重要組成部分。生物實驗教學是生物教學的開端，任何生物學上的新發現都依賴于科學家無數次的相關實驗探索。

生物實驗教學在生物教學中的地位舉足輕重。一方面實驗的思想和過程是學習重點內容之一，另一方面，實驗教學是生物學教學的重要方法和手段之一[1]。生物教學中很多重要的概念都是從實驗中分析得出來的。例如：在人教版高中生物必修1第5章第4節“能量之源——光與光合作用”一節中，雖然光合作用的概念提出在前，但是學生不能很好的理解其中的含義，無法了解其中的過程及原理。通過總結歷代科學家的實驗，進而得出光合作用的探究歷程，讓學生能夠像科學家一樣去慢慢思考其中的過程，從而能夠真正理解光合作用的概念，準確地說出光合作用的原料、場所、條件、產物等，并寫出其化學反應方程式。但是，如果沒有對這些科學家所做的實驗進行學習和講解，就會使得光合作用的概念較為抽象，學生也不容易理解，對于其內含，學生更難以去挖掘，只能停留在表面的記憶。因此，很多一線教師從高中生物的教學開始就不斷的強調實驗原理、實驗思路、實驗步驟、實驗設計的原則、實驗結果和對結論的分析等內容，并且花費了比較多的時間來給學生做相應的訓練，足見其重要性[2]。

但是筆者在實際教學中以及翻閱大量文獻后發現，傳統實驗教學其實也面臨一些問題：(1)生物教師的實驗教學觀念落后，大部分高中生物教師沒有正確的實驗教學觀念，沒有意識到實驗教學的重要意義，認為做實驗浪費課時，影響教學進度，還不如讓學生直接背實驗現象、實驗結論，即“做實驗”還不如“看實驗，講實驗，背實驗”；(2)課時緊張，現在很多高中學校認為生物是“副科”，學校安排課時只能完成學校要求的教學任務，一個班一周只有 2~3 節生物課，導致教師無法給學生安排單獨的實驗課；[3](3)傳統實驗教學實驗現象不能夠量化、等待結果的時間較長、教學方式單

一、實驗教學無評價方法、現有實驗室難以滿足實驗教學的要求等等[4]。1.2 數字化實驗的概述 1.2.1 數字化實驗的含義

數字化實驗，廣義上指所有使用數字化技術或儀器的實驗，不僅包含使用數字化儀器的實驗，還包括以計算機為基礎的虛擬仿真實驗、多媒體展現的動畫實驗等等[5]；狹義上指利用現代傳感技術的實驗，傳感器感受到相應的信號，然后由與計算機配套的軟件將信號轉化為數據形式輸出，從而使實驗數據準確、可靠且

第 1 頁

共 8 頁 沒有繁瑣的計算，從定量的角度揭示實驗的本質。

盡管數字化實驗的稱謂不盡相同，但是所指實驗系統的基本組成與特點是大致相同的，即它們均是通過采用傳感器實驗設備將實驗數據轉入電腦，進行實驗分析與探究的新型實驗形式，主要設備由“可控源+傳感器+數據采集器+計算機+處理軟件”組成，因此，我們可以認為利用“傳感器+數據采集器+計算機”這樣基本組成的實驗系統開展的實驗均可稱之為數字化實驗[6]。故數字化實驗是指一般由傳感器、數據采集器、計算機及相關數據處理軟件等構成的測量、采集、處理設備和與之配套的相應的實驗儀器裝備組成的實驗系統[7]。

當今知識和信息爆炸的社會，以傳感器為主的數字化實驗室仍以學生的真實實驗為基礎，很好地抓住了信息處理的三個重要環節：采集、處理和表達，從而有效實現了信息技術與理科學科的整合[8]。數字化實驗與傳統實驗不同，它擁有強大的后期數據處理功能，能夠實現數圖的結合，圖像自動生成，數字化實驗應用于教學中，有助于加強學生信息獲取、加工、處理等方面的能力。此外，數字化實驗還具有以下顯著特點：實驗過程直觀可視[9]、數據處理實時自動、操作并行數據準確。

1.2.2 數字化實驗室的含義

數字化實驗室，即配備了能夠完成所需數字化實驗的一切器材、資源、教師的實驗室。這樣的實驗室不僅要擁有足夠數量和質量的計算機，更要有優質的多種配套傳感器、視頻或圖片等資源，而經過培訓并且能夠完全掌握數字化實驗器材使用的一線教師也是實驗室不可缺少的一部分。數字化的儀器和資源在不斷進步，那么我們的教師也要不斷的進行培訓、不斷的適應新的技術和新的教學方法。現在很多大學都在推進數字化校園，其中一個重要內容就是數字化實驗室，它是涉及到數字化教室、辦公室、圖書館、網絡工作室的一種模式[10]，在這種模式下的數字化實驗室是指一種新的實驗室信息管理系統，其包含的內容比較多，是一種利用計算機網絡、分布式數據庫技術、數據采集與數據處理技術和數據存儲技術實現對實驗室進行全面管理的計算機應用系統[11]。這種實驗室最大的優勢在于集合了大量數字化的教學資源，并且方便管理[12]。1.2.3 數字化實驗教學的含義

數字化實驗教學，即延續了傳統實驗的教學理論，但是能夠利用傳感器、計算機等新型設備，在教師的指導下完成教材已有實驗或者設計進行探究創新實驗的教學方式。這種教學方式相較于傳統實驗教學，有著科技上的優勢：盡管理論上來說，這樣的實驗教學跟傳統實驗教學一樣，都是在實驗室里完成的真實的實驗，要記錄實驗結果并得出實驗結論。但是，記錄的媒介變了：從傳統儀表換成第 2 頁

共 8 頁 了新型傳感器；記錄的方式也變了：由學生手寫記錄變成了計算機自動生成，學生可以短時間內獲得相應的數據，進而分析得出相應的實驗結論。再者，數字化實驗更具有準確度、速度、數量、創新性上的優勢，更受師生的喜愛[13]。

但是并不是所有高中生物實驗都能夠利用數字化實驗教學來完成的，有研究表明，在科學探究過程中，主要有以下3類實驗比較適合運用數字化實驗儀器[14]：(1)是用常規實驗看不到的東西。有一些實驗現象無法靠眼睛進行觀察，也就無法利用傳統實驗進行操作。現在可以借助數字化實驗儀器幫助我們看到，這樣就擴大了實驗的范圍。這是非常重要的一方面。(2)是有關變量的實驗。原來做實驗，我們只能孤立地看到什么，借助數字化實驗室，我們可以研究事物或現象之間的關系，比如什么改變了、引起了什么改變、是什么規律等等，這些都是靠傳統實驗比較難以做到的，特別在化學生物等學科，幾乎放棄了開展某些實驗。現在，借助數字化實驗儀器，可以研究變量之間的關系和規律，這是非常強大的作用。(3)是復雜實驗。復雜實驗有它的獨特性，比如說野外采樣，如果不利用數字化實驗儀器，數據采集、處理和分析等在有限時間和有限手段中是難以實現的。因此，數字化實驗教學在這一方面也存在了一定的局限性。1.3 數字化實驗國內外發展現狀 1.3.1 國外關于數字化實驗的研究現狀

20世紀80年代，美國和英國率先引入了基于傳感器的數字化實驗室，由于效果顯著，隨后在以色列、澳大利亞、日本、新加坡等發達國家的推廣[15]。最開始的引入是針對大學的實驗室，培養了許多優秀的大學生，受到老師和學生的喜愛。隨著數字化實驗技術的成熟發展，逐步被引入到中小學自然科學的教學中。這些實驗室，不僅可以完成學生們課本上己有的實驗，更可以讓學生在老師的幫助下設計完成實驗，大大促進了歐美學生對實驗探究能力的提升及相關科學理論知識的掌握[6]。以美國為代表的發達國家早在上個世紀就已經全面鋪開了數字化實驗室，并且鼓勵學生親自動手去體驗自然科學的奧秘，適當的運用已掌握的科學原理甚至現場查閱資料來解決問題，從而培養學生創造性思維、批判性思維。而這正是我國學生所缺乏的并有待提高的能力。在自然科學的教學中，美國教師帶領學生從多角度設計和觀察實驗，充分利用數字化實驗儀器，促進討論，不僅激發了學生的學習探索興趣，最重要的是讓學生畢業之后走上社會具有較強的社會行為能力，能夠用科學的思想看問題，能夠從多角度去理解社會生活，能夠辯證的看待問題。同時，美國學生并沒有被刻意的培養創造力或者想象力，而主要側重于與生活實際更相關的探究能力和對問題的解決能力[5]。1.3.2 國內關于數字化實驗的研究現狀

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共 8 頁 我國的數字化實驗室建設發展較晚，進展也不那么迅速。在我國建設數字化實驗室較早的上海等城市，也是在2002年以后才真正進入這個領域，并且經歷了比較漫長的發展才逐漸被認可壯大起來。目前，僅有上海、廣州等少數沿海城市開展了較長時間的數字化實驗教學工作，中部和西部地區還幾乎處于空白地帶，資源的不均衡、投入的不均衡使得中部和西部地區難以開展。同時，我國的應試教育極大地限制了實驗教學的開展，即使引進了數字化實驗室，也可能淪為擺設。因此，數字化實驗室雖然已經在部分城市推廣并開展了十余年的教學，但是離真正的重視實驗、進而到接受新的數字化的實驗室，還需要一些投入的增加和觀念的轉變，還需要國家、社會、學校、教師的共同努力[16]。

國內相對比較成熟的數字化實驗系統當屬朗威的DIS-Lab設備。此產品由上海市中小學數字化實驗系統研發中心領銜開發，包括上海、北京等地的幾十位實驗教學專家參與，融合了國際國內實驗教學改革的先進理念，應用了國際領先的軟硬件技術[17]。研發歷時三年，經歷了上海市53所“二期課改”試點學校的嚴格測試，現已進入上海市“二期課改”的物理教材[18]。現如今，國家和地方對教育的投入都很大，很多原來只有大學才有的先進實驗設備都逐步進入中小學，教材也在試圖緊跟時代的步伐，2004年人教版新課標高中物理教材必修1中出現了使用位移傳感器和力傳感器做實驗的介紹，標志著數字化實驗己經被教材接受并意圖推廣[16]。2.選題緣由

隨著新課改的不斷推進，數字化實驗教學已經是大勢所趨。數字化實驗室最早還是在大學的實驗室里，它是進行大學科學研究和教學的一部分，之后才逐步引入到中小學教學中。因此，數字化實驗室要想順利與中小學教學相融合，就必須要有足夠的調研。

鑒于此，筆者就“數字化實驗教學”這一方面相關的問題，查閱了大量文獻。目前，我國在中學數字化實驗室的建設及軟件開發方面己經取得了一定的成績，并且已經有了相對完善的理論作為支持，同時，一線教師也針對一些具體的課題開展了數字化實驗并取得了一定的效果，尤其是在物理和化學學科。但是，數字化實驗教學同樣也存在著一定的不足之處：對于數字化實驗室的建設及數字化實驗的理論研究尚未充分考慮到一線教學的實際問題及需求[19]，往往就造成數字化實驗室使用率不高。而且，就目前研究結果來看，對于數字化實驗室的應用及研究主要集中在物理學科，也有不少在化學學科，但對其在生物學科的應用研究相對較少[20]。

今年我校也配備了數字化實驗室，并且已有其他兄弟學校來我校參加、交流，第 4 頁

共 8 頁 意圖在自己學校創建數字化實驗室。但是，數字化實驗教學在國內并未全面開展，那么在開展的過程中會出現什么問題？教師和學生又該如何應對并解決這些問題？再者，數字化實驗室并非所有學校都有足夠的資金去創建，那么數字化實驗教學是不是就具有很大的局限性呢？于是，本課題將嘗試從高中生物教學中有關細胞代謝這一角度的探究性實驗教學為例，探討數字化實驗教學在中學生物學教學中應用的不足以及相應的策略研究。3.研究意義

目前，我校已經引入數字化實驗室，并且正在進行一些探索性數字化實驗教學，因此我們需要更多的有關數字化實驗教學的理論和實踐，故本課題希望通過對本校數字化實驗教學的應用研究，找到數字化實驗教學這個新鮮事物在高中生物實際實驗教學過程中遇到的問題和困難，幫助教師和學生提出解決方法，從而也可以為即將開展數字化實驗教學的兄弟學校提供參考借鑒；其次，本課題也希望針對部分教師對數字化實驗教學堅定的贊美或者堅決的否定進行客觀公正的評價，將其優勢和局限性同時呈現出來，相互交流；第三，本課題中所探討的數字化實驗并非必須要在數字化實驗室中才能夠完成的，因為數字化實驗室的建設需要有大量的資金投入，而在一般學校是沒有這個財力的。因此，我們僅僅是基于傳感器和計算機平臺來完成的實驗教學，而傳感器、計算機等都是可以帶出實驗室的，而且價格并沒有那么昂貴。這樣的情況下，數字化實驗教學可以走出實驗室，走進課堂，甚至走進學生的生活中去。而且沒有建設數字化實驗室的普通學校，同樣可以完成數字化實驗教學。我們可以以最少的資金投入，提高學生的實驗思維能力，還可以創新性的開展一些實驗，激發學生對探索未知領域的興趣。4.研究內容

本課題主要是立足于高中生物實驗教學，探討高中生物數字化實驗教學過程中的不足以及應對策略，主要研究內容為：

(1)對高中實驗教學的現狀以及所面臨的問題、高中生物數字化實驗教學的含義和特點進行整理、分析，進而探討如何利用數字化實驗教學解決傳統實驗教學中存在的不足之處，例如：在人教版高中生物必修一中“探究環境因素對光合作用強度的影響” 這一實驗教學中，教材中是利用“單位時間內各實驗裝置中小圓形葉片浮起的數量”來判斷不同光照強度下光合作用強度的大小，但是利用數字化實驗教學中的傳感器就可以直觀、準確的量化不同光照強度下光合作用強度的大小以及變化曲線圖[21]。以此類推，師生還可以創新實驗內容，開發出更多適于教師演示和學生操作的實驗方案。同時，對于數字化實驗教學在實踐過程中存在的不足之處也需要改進，這就必須要進行相關的數字化實驗教學，才能夠發現并

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共 8 頁 解決相應的問題。

(2)本課題主要以人教版高中生物必修一中細胞代謝類相關的探究性實驗教學為例，展開分析學生在學習該部分內容過程中遇到的相關案例，重點分析學生提出的在該方面的一些值得探究的問題，引導學生做出相關的數字化實驗設計，進而教師做出實驗教學設計，在數字化實驗教學過程中解決相應的問題。在此過程中，學生通過自主設計實驗，以及自己動手完成實驗，體驗生物實驗的樂趣，提高生物實驗的思維能力。并且，生物數字化實驗教學仍然處于發展初期，在摸索的過程中，勢必會出現各種各樣的生成性的問題，那么這些問題是什么？學生面對這些問題又是如何解決的？這將是一個值得探討的問題。如果我們把這些實際操作過程中出現的問題，以及解決的辦法分析、綜合整理在一起，就可以為其他學校，甚至是一些農村學校開展類似的實驗提供一些理論和實踐上的依據。

(3)對數字化實驗教學的評價：設置實驗班（數字化實驗教學）和對照班（傳統實驗教學），最后考察兩個班級學生的實驗設計、實驗操作、實驗分析等方面的能力，做出相應的判斷，得到相應的結論。5.研究方法

本研究采用了文獻研究法、案例分析法、實驗研究法、調查研究法相結合的研究方法。

(1)文獻研究法：查找相關內容的著作、研究生畢業論文、各種期刊上的學術論文、瀏覽相關網頁，對搜集的資料進行研讀，了解高中生物實驗教學過程中數字化實驗教學的研究現狀、發展方向以及相關研究成果。參照別人以往研究過程中的方法和思路，結合自身教學實踐活動，積累相關案例、材料，為研究課題做準備。

(2)實驗研究法：組織所帶對照班的學生進行傳統實驗教學，實驗班的學生進行數字化實驗教學。筆者進行現場觀察、記錄，獲取第一手教學資料，發現在此過程中的生成性問題，分析現象和原因，提出解決方法和策略，并進行實驗驗證。

(3)案例分析法：通過對人教版高中生物必修1教材以及高考題或模擬題中出現的與細胞代謝相關的探究性實驗案例進行分析、研討，學生發現問題并設法在教師的幫助下解決問題，做出相應的實驗設計，教師在考慮實驗的科學性、可行性和適用性等因素后，進行相應的實驗。

(4)調查研究法：對學生進行問卷調查，了解高中學生生物數字化實驗與傳統實驗對促進生物學習的情況，并進行深入分析和總結。6.研究思路和設計

首先，對生物興趣小組介紹有關的數字化實驗的情況，展示一些比較容易完

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共 8 頁 成的數字化實驗，激起學生對數字化實驗的興趣和好奇心；其次，鼓勵這些學生設計并完成教材中的可利用數字化實驗來完成、改善的探究性實驗，由他們在課堂上演示并講解，并作為筆者在數字化實驗教學設計中的一個環節，如果同時能夠引發更多的學生對數字化實驗的熱情就再好不過了，接著就可以輔助學生們逐漸開展高中生物教材中以外的其他的可利用數字化實驗完成的實驗；最后，記錄、分析并總結在具體實踐過程中出現的問題，以及解決問題的具體操作情況。7.預期目標

通過在高中生物這一學科上進行一系列的數字化實驗教學，解決傳統實驗教學中不能夠很好的解決的一些實際問題；其次，發現并記錄數字化實驗教學中存在的問題以及解決方法，為數字化實驗教學能夠大范圍的開展和實施提供理論和實踐上的建議；再者，通過學生親身設計和完成相關的實驗，提高學生的實驗探究能力和動手操作能力。8.參考文獻

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