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理化生數(shù)字化探究實驗室建設方案

一、建設數(shù)字化探究實驗室的重要意義

物理學、化學和生物學是以實驗為基礎的自然科學，可以說理科實驗是物理學、化學和生物學賴以生存并不斷發(fā)展的基礎。從一定意義上說，實驗就是物理學、化學和生物學學科的生命線。抓住“以實驗為基礎”這一基礎特征，不僅能使學生加深理解，鞏固化學基礎知識，更重要的意義在于可以培養(yǎng)學生形成科學的思維方式，掌握科學的研究。高中新課程物理學、化學和生物學教材把相當多的驗證性實驗改為探究性實驗，更有利于激發(fā)學生的學習興趣，有利于提高學生分析問題和解決問題的能力，有利于培養(yǎng)學生實事求是，嚴肅認真地科學態(tài)度，有利于培養(yǎng)學生的欲望和能力，也有利于使學生將所學的知識和技能應用于科學技術的和日常生活等方面。

在新一輪的課程改革中，科學探究不僅被作為重要的理念強調、作為教學建議提出，而且被列入了課程目標和內容標準之中。但在中學開展探究性實驗教學多年來，特別是在實行高中新課改以來，一直存在以下幾個困難：一是探究活動需要時間的與緊張課時的矛盾；二是探究實驗設備特別是較的數(shù)字化實驗設備的需要與實際設備不足的矛盾；三是課本上驗證性實驗過多而探究性實驗不足的矛盾；四是定性實驗過多，定量實驗過少的矛盾；五是探究實驗的過程的體驗與嚴謹?shù)膶嶒灢僮饕�求的矛盾�?

數(shù)字化實驗室的建設可以解決缺少探究設備的問題；同時由于它的快速直觀也可緩解課堂教學時間緊張的問題；它的靈活、方便、易用性可改變部分傳統(tǒng)實驗過度要求規(guī)范操作導致的重細節(jié)忽視整體實驗過程體驗的問題。從此在中學物理學、化學和生物學中大量的定性實驗引入定量要素，從關注實驗現(xiàn)象轉變成關注實驗過程與原理，再結合其它科學探究的要素，從而使中學物理學、化學和生物學實驗由此進入準科學探究的階段。

建設數(shù)字化實驗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。

問題是探究活動的核心，但是枯燥、平淡的問題味同嚼蠟，不僅無法引起學生的興趣和注意，反而會使學生感到厭煩。

數(shù)字化實驗室拓展問題探究的廣度，借助數(shù)字化實驗室，把很多原來只能意會的問題數(shù)字化、外顯化，它的可攜帶性使實驗可直接應用于真實情境，更容易解決生活中的實際問題，如可用數(shù)字化實驗設備測定酸雨、水質污染等環(huán)境污染問題。

數(shù)字化設備對探究問題的深度提出了更高的挑戰(zhàn)，如在原電池實驗中，利用簡單的實驗，電極、溶液的相互組合判斷原電池的形成條件及相應的正負極，讓學生在學習交叉分類法的同時又參與了探究活動。

2、 預測和假說更具方向性和指導性。

預測與假說是學生根據(jù)初步的資料與事實材料，運用已知的科學原理,充分發(fā)揮想象力和創(chuàng)造力，對所研究的物質的本質和規(guī)律提出的一種初步設想。假設是一種帶方向性的、有待驗證的思想，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，使我們可以縮小預測范圍，有效控制預測和假說的變量，讓對問題的預測和假說更具方向性和指導性。   

3、 豐富了探究方案的選擇。

數(shù)字化設備的引入，擴大了學生的參與面，降低了實驗操作水平的要求，同時也降低了分析難度，由原來的演示實驗變成了可讓每個學生都能參與探究的實驗。數(shù)字化設備的引入，使很多原本傳統(tǒng)中小學階段教學中無法實施的實驗方案變得可能，給了我們更多的選擇空間。

4、 方便了證據(jù)的收集。

數(shù)字化實驗設備含：傳感器——數(shù)據(jù)采集器——計算機——應用軟件，計算機和傳感器的介入更快的獲得可連續(xù)的監(jiān)測和采集實驗數(shù)據(jù)，從而節(jié)省了教學時間，使精力投入更有創(chuàng)造性的方面。實踐證明，過分要求操作的實驗，讓學生的精力主要集中在實驗操作上，不利于學生探究思維的培養(yǎng)。利用探究實驗設備測出來的數(shù)據(jù)和證據(jù)以數(shù)字、圖表為主，更客觀、真實地展現(xiàn)實驗過程和收集到的證據(jù)。

   作為實驗數(shù)據(jù)的記錄，傳統(tǒng)實驗是采樣的來記錄，容易有疏漏，在數(shù)字化實驗設備中如實記錄了每一個實給過程的數(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生中尤為重要。

5、 解釋與結論更加真實有效。

      借助數(shù)字化設備和相關的數(shù)學工具進行的數(shù)據(jù)分析，利用已有的原理和，充分利用各種科學探究中的統(tǒng)計，讓我們能透過反應現(xiàn)象看反應本質，使我們的結論更加科學，使我們對問題的解釋更加客觀，真實、有效。

      學生間相互討論各自對問題的解釋，能夠引發(fā)新的問題，有助于學生將實驗證據(jù)、已有的科學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，學生能解決彼此觀點中的矛盾，鞏固以實驗為基礎的論證。

6、 反思與評價更加客觀。

數(shù)字化實驗設備的引入讓探究活動反思更細致，借助設備可記錄整個實驗過程。如在實驗中存在一些數(shù)據(jù)異常，給了我們分析、質疑、反思、評價時更客觀的依據(jù)。特別是對實驗結果和預測不同的分析，通過同學們相互質疑和討論分析，就可搞清楚數(shù)據(jù)結果有誤的原因。

數(shù)字化實驗設備的引入使評價更客觀，更具備發(fā)展性，有利于學生的成長。如在配制一定物質的量濃度的溶液時，由于課堂教學中教師不可能一一觀察到所有學生的實驗操作是否規(guī)范，只憑后定容是否準確而不是根據(jù)溶液濃度是否準確來判斷，這種做法當然有失偏頗。借助離子電極或電導率儀或密度計可以立即測定出氯化鈉溶液濃度是否與要求相符，也給了學生反思的空間，學會誤差分析，學會在實驗中控制誤差。這種誤差分析和控制也是新課標對學生提出的能力要求。   

7、 表達和交流更加清晰、明了的。

數(shù)字化實驗設備讓學生分享探究心得的體會時的表達與交流更清晰、明了，利用實驗的同步回放，可分析每一實驗不同時間段的情況，更方便的再現(xiàn)實驗當時的真實情境，在這種回放情境中相互的表達和交流是更加容易讓人理解，產生共鳴。同樣的功能若用在高考實驗復習階段，復習效率將會大大提高。

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