数字化实验室的优越性及在实验教学中的应用论文

第一篇：数字化实验室的优越性及在实验教学中的应用论文

关键词：数字化 实验教学 优越性

摘要：随着信息技术的飞速发展，数字化实验作为一种新型实验教学方法，对传统实验教学的变革起到了积极的影响。笔者结合本校数字化实验室的发展，对数字化实验室在中学实验教学中的应用及数字化实验的优越性，数字化实验与传统实验的关系方面做了论述。

数字化实验是在传统实验技术的基础上引入了计算机技术。随着计算机技术的发展，数字化实验技术也得到了飞速发展，成为传统实验室技术向现代化、数字化发展的方向。数字化实验室作为一种新型的实验手段，在新课程改革背景下破土而出。数字化实验室既是对传统实验教学的有效补充，又是传统实验教学的延伸。我校在物理、化学、生物、地理四个学科中装备了数字化实验室，其中的数字化设备包括高级数据采集(在平板电脑中加装数据采集卡)和传感器。

一、数字化实验室的优越性

数字化实验是在传统实验技术的基础上，应用传感器技术，将传统实验中的信息数字化并传送到计算机，由专用软件处理后，通过图像、表格、视频等多种形式来动态地显示出来。能使学生观察到化学变化的整个过程，能对变化过程进行直观、形象处理的实验方法。在一定程度上将化学反应过程中微观世界通过数据与图表展现出来，揭示其中的科学规律。根据我校数字化实验室使用过程来看，数字化实验具有如下特点。

1.数字化实验室具有开放性。根据教学的实际需要，数字化实验室既可用于演示实验（配合投影设备），也可进行分组实验；既可课堂教学使用，也可用于综合实践活动。其中最适合于综合实践活动，利用高级数据采集器的特点，可以到家庭、田野、工厂做实验。因此，数字化实验室是一个开放性的实验平台，无论在教学内容还是教学方式上都具有开放性。例如，测定污水中的酸碱度。传统的实验方法是到各点取样，送回实验室分析，这样即费时又费力。而数字化实验就可以直接带上设备到各点测定，数据由电脑分析后通过无线网络发回，可以方便地汇总数据。

2.数字化实验室具有智能型的特点，其智能性特征基本贯穿整个科学实验过程。例如，在中和热的测定实验中，传统的实验方法无论取点和作图都由手工完成。而数字化实验这些过程都是由计算机完成的，而且能准确、清晰地显示出温度的变化曲线。利用智能软件能够直接显示数据坐标，精确测量任何两点的距离，而且可以同步显示真实数据。

3.数字化实验室与传统实验具有整合性。数字化实验室仍以学生的真实实验为基础，只是在信息处理的重要环节上采用了计算机技术(采集、处理和表达)，从而实现了计算机技术与传统实验技术的整合。

二、数字化实验是对传统实验技术的延伸与发展

传统定性实验一般是通过人的主观观察（颜色、气味、冷热、沉淀、气泡等）来判断反应进行的情况。而定量实验是通过仪器（温度计、电流表、电压表等）断续地测量数据，进一步由手工绘制图表，最后通过分析来完成任务。而数字化实验则是通过传感器技术直接测定并且量化数据，同时将数据传给计算机，由计算机给出动态的输出结果。测定各组成成分的数值及其之间的数量关系，从而更科学地分析问题、解决问题。

由于传感器和计算机的介入，实验的过程中能更快更准确地连续监测、采集和处理实验数据，能够利用软件实时显示数据。并能够存储、传输以及对数据进行统计等分析处理，提高了实验准确性，使实验结果更真实。这样数字化实验不仅使原来的定量实验实现自动化，迅速、准确地给出实验结果，而且可以使原来的定性实验做定量化。

数字化实验可以及时捕捉细微的科学过程。传统实验一般都是靠眼睛观察实验现象、靠手脑记录和处理数据。但很多实验现象是来不及观察或者根本观察不到，有时即使能够读数，也容易造成较大误差。而数字化实验可以通过传感器可以捕捉 “瞬时”的过程，我们能够通过计算机记录下来仔细分析，可以探究的问题范围和深度都大大拓展，更容易、更深刻地揭示客观规律。

数字化实验可以拓展问题探究的深度和广度，更有利于探究性教学。把很多原来只能意会的问题通过数字、表格、视频等形式显示出来，将传统实验技术与传感技术、信息技术的有机结合，使学生能观察、捕捉并分析传统实验仪器无法观察到的微弱信息和瞬间信息，对探究问题的深度提出了更高的挑战，更具备发展性，更有培养学生的积极探究意识。

例如，在做酸碱中和滴定实验时，传统实验是通过酸碱指示剂来确定中点。实验过程中只能看到中点时指示剂颜色的突变，不能看到PH值变化的全过程。而在数字化实验中使用PH传感器就可以让学生看到在中和反应中溶液PH值变化的全过程，并将整个过程用图形显示出来。学生可以很方便地探究中和反应的本质问题。

数字化实验室其实就是传统实验室的延伸。它是在传统实验技术的基础上，引入传感器、数据采集器和计算机组成的多功能实验平台。数字化实验室既是对传统实验教学的有效补充，又是传统实验教学的变革，更是一次对新课标下实验教学的挑战。这需要我们不断地探索，才能有效地用于实验教学，才能发挥它的巨大优越性。

参考文献：

1．吴俊明，《新课程背景下的数字化实验室及其在中学理科教学中的应用》，《中国电化教育》，2006

2．史能，《数字化实验室在教学实验中的应用》，《科技教育创新》，2007

第二篇：数字化技术在物理实验教学中的应用

海兴县 杨金钟 *** 061200 数字化技术在物理实验教学中的应用

物理本身就是一门以实验为基础的学科，实验在学科教学中的重要性也是不言而喻的。因此，在初中物理教学中，要做好演示实验，激发学生的学习兴趣和求知欲;要注重探究实验，促进学生学习方法的转变和探索意识的培养；开发课外实验，挖掘学生的潜力，提高动手实践能力和创新能力。中学作为基础教育阶段，传统实验方法的训练对学生实验能力、科学素质的培养是必不可少的。但若要研究的物理过程十分复杂，要采集或处理的数据量很多，或要通过多次改变实验条件，对实验过程进行深入的分析，数字化实验手段就有强大的优势和广阔的空间。

一、数字化实验的特点

1、强大的数据采集能力

利用计算机，既可以对传感器在快速变化的瞬态过程中获得的大量实验数据进行实时采集，也可以长时间地跟踪收集极缓慢过程的各种实验数据。数字化技术为理科教学中改造传统实验或开发以前无法进行的新实验提供了有力的工具。

2、灵活的数据处理能力

通过计算机，可以对实验过程进行控制，对大量的数据进行各种复杂的、快速的处理，例如数据的转换、曲线的拟合、误差的计算等．这就允许在实验中尝试改变各种条件，比较实验的结果，为学生创造了一个科学探究和自主学习的环境，培养学生的观察和实验能力以及实事求是、勇于探究的科学态度。

3、为互动式教学创造了条件

在实验室中将计算机联机，可以方 便地实现数据共享，在教师的指导下对各1 组实验结果进行比较、探讨，为开放、互动性的课堂教学创造了条件。

二、数字化实验系统的构成 硬件：传感器、采集器、计算机

软件：对数据的采集进行控制；对所采集的数据进行处理

三、数字化教学实验设计原则

既然要用数字化手段来进行某一实验，选择实验课题时就应该能够回答采用数字化手段来进行这个实验的必要性，并且在设计实验时充分发挥数字化技术的特长。

1、教学实验必须有鲜明的物理思想

教学实验必须含有丰富的物理思想．实验设计要突出所研究的问题的背景，实验所依据的原理和研究问题所用的方法。

2、教学实验的设计要能充分展示所研究的物理过程，有效地揭露物理过程的本质．教学实验的设计还必须给学生提供充分发挥创造力、想象力的空间，有一定的操作要素．

四、数字化实验的选取原则

要用数字化手段来进行某一实验，选择实验课题时就应该能够回答采用数字化手段来进行这个实验的必要性，并且在设计实验时充分发挥数字化技术的特长。在实验课题的选择上，数字化实验比较适合用在那些过程比较复杂的，要采集的数据量比较多的，数据处理中计算量比较大的实验。

五、数字化实验设计实例

1、作用力与反作用力

实验目的：说明物体间发生相互作用时，作用力反作用力方向相反，大小相等。实验方法：用两个力传感器互相对拉或对压，比较两条“力－时间”函数图线。

2、碰撞与缓冲的研究

实验目的：比较缓冲物软硬程度对冲力大小的影响；验证动量定理

实验方法：使砝码从同一高度下落到软硬程度不同的缓冲垫上，通过“力－时间”图线比较冲力大小。将珐码与缓冲垫接触过程中受到的“合力”对时间积分，说明珐码从同一高度下落，自接触缓冲垫到停止运动，所受合力的冲量相等。

3、电容器充、放电过程的研究

实验目的：

1、观察电容器充放电过程中电压、电流的变化情况。

2、说明电容器所带电量与电压之比是只与电容器物理结构有关的常量，说明物理量“电容”的概念。

实验方法：

1、观察电容器充、放电过程的“电压－时间”、“电流－时间”函数图线。

2、将电容器充、放电过程的“电流－时间”图线对时间积分，求出充、放电的电量。证明对某一电容器来说，这电量与充电电压之比是一个常量。

4、定值电阻伏安特性的研究 实验目的：

1、研究定值电阻的伏安特性

2、研究定值电阻上消耗的电功率与电压的关系

实验方法：

1、通过对定值电阻伏安特性曲线的线性拟合，研究定值电阻上电压、电流、电阻间的函数关系。

2、通过对定值电阻上“功率－电压”曲线的拟合5、电磁感应现象的研究 实验目的：验证电磁感应定律

实验方法：比较“磁感强度、感应电压－时间”、“磁感强度变化率、感应电压－时间”图线，说明在电磁感应现象中电路中感应电动势的大小只与磁通量的变化率有关。、6、研究交流电的有效值 实验目的：研究正弦交流电有效值与峰值间的关系

实验方法：

1、通过用“正弦函数”对“交流电压－时间”图线进行拟合，确认低压交流电源输出的是否可看作是正弦交流电。

2、通过对“电压平方－时间”图线进行统计分析，求出在整周期内交流电压的“均方根”值，并求出交流电压的峰值与“均方根”值之比。

7、振荡电流的研究

实验目的：

1、研究“LC”振荡电路产生振荡电流的过程

2、研究产生振荡电流时电路中电压、电流间的相位关系

实验方法：

1、观察“LC电路”产生超低频振荡的过程

2、通过软件慢速重放的功能研究产生振荡时电路中电压和电流间的相位关系

8、气体等温过程的研究

实验目的：验证一定量气体等温过程中压强与体积的关系

实验方法：

1、通过单点输入，作出一定量气体“压强－体积”曲线

2、通过对“压强－体积”曲线的拟合，验证波义耳定律

第三篇：数字化实验室在教学中的作用

数字化实验室在教学中的作用

一.提高了教学效率

数字化实验室发挥了传感器和计算机的优势，实现了高精度、高速度和自动化的测量，采集到多种完整、动态的信息，并且能够对实验数据作出多维的、综合性的分析处理。这样就把教师和学生从繁琐的、重复性的劳动中解放出来，集中精力于设计实验方案、归纳总结、交流信息和从中发现规律。经统计，与传统教学相比可以提高效率100%以上。

二.解决了教学难题

很多传统的实验设备，具有简单、直观、易于操作等优点。但是其用途往往单一，而且需要人工读数和记录，难以观测快速变化的过程，也不便于研究复杂的问题。而数字化实验室通过高精度、高速度的数据采集，能够实时记录实验的每一个过程，把转瞬即逝的实验数据记录下来，高效、直观，便于学生仔细观察，加深理解，从而轻松解决教学中的难题。

三.培养了学生的动手能力和研究精神

数字化实验室的开放性和易操作性，提供了一种良好的环境，激励学生进行研究性学习，自主提出感兴趣的研究课题，自主进行实验研究。在这个过程中，学生通过了解和掌握现代实验手段，增强创新意识，提高实践能力，培养实事求是、严谨认真的科学态度，养成交流与合作的良好习惯，认真分析误差，对实验方案和实验结果做出评估。总之，学生的科学素养、动手能力以及探索精神可以得到极大的提高。

四.实现了理科实验教学及考试的信息化

目前全国各省级教育部门组织的高中会考中，理化生实验考试是必考的内容，每年有458万名考生参加。在全国各地市组织的中考升学考试中，物理、化学实验操作考试也是作为必考加分内容，每年全国大概有2085万初中毕业班生参加。（数据来源《教育统计年鉴》）

但是，在目前进行的上述理科实验考试中，存在着两大问题。

第一、考试效率问题。由于实验考试主要考察学生实际动手操作能力，同时又必须在短时间内完成考试，这就必须实行一个教师监督几个学生完成实验的考核方式。每次考试一般学校一个年级有上百人参加，多的可到上千人，教师的工作量极大，考试效率极低。第二、考试信度问题。由于需要大量监考老师，有些地方不得已请本校其他学科教师甚至请大学生来参与监考，这些监考教师对于考试标准的理解千差万别，把握的尺度各有差异，由此给出的考试成绩自然信度极差，绝大部分都一次通过，流于形式，没有起到真正的作用。

第四篇：数字化语言实验室教学环境构建及应用绩效研究论文

摘要：数字化语言实验室是进行语言课程教学的主要场所，是学生自主学习的实用平台。本文介绍了数字化语言实验室发展的时代背景，探讨了数字化语言实验室教学环境的构建原则、系统功能和外设营造等相关问题，并就实验室的应用绩效进行了论述。

关键词：数字化语言实验室 教学环境 环境构建 应用绩效

一、数字化语言实验室发展的时代背景

数字化语言实验室作为现代化科技发展的产物，以其多资源、多功能、多模式，带给学生和教师的是语言学习与语言教学质的转变，它为实现外语教学的数字化、信息化、现代化，提供了一个跨越式的理想平台。

如何从“以人为本”的角度，合理构建数字化语言实验室的教学环境，更好地满足教改新模式的要求，以及如何提高数字化语言实验室教学应用的绩效，仍是广大教师和教育技术工作者应探讨的问题。

二、数字化语言教学环境的内涵

所谓语言教学环境是指语言学习中语言出现和使用的具体环境。数字化语言实验室所提供的不是现有教学资源简单的数字化处理，不是简单的语言课程的网络化学习，而是教师、学生、实验室资源的有机架构，是三者相统一的“三位一体”化的教学环境。衡量数字化语言教学环境优劣的标准，是学生在这个所提供的环境中，多大比例的时间在进行语言的练习交流，多大程度地实现了自身的有效学习。

因此数字化语言教学系统的发展方向应该是不断满足语言教学的需求，逼近语言教学的理想环境。语言教学的理想环境可以分为学生学习的理想环境和教师教学的理想环境。其中语言学习的理想环境是基础，它决定了语言教学的理想环境。语言教学的理想环境可以包括两个方面的内容：一是有获得语言知识的良好手段;二是有语言练习和语言实践的良好条件或环境。

鉴于语言学习过程的特殊性，教学环境的优与劣，直接影响到外语学习的教学效果。而数字化语言实验室所能提供的是将各种可用资源数字化重组，并通过最合理的方式创建语言学习的综合性的、开放性的、实践性的实验教学环境，使外语的学习在时间和空间上全面开放。

三、实验室教学环境的构建

1.教学环境的构建原则

(1)创新性原则。实验室的资源共享、开放式教学，与传统教学模式相比，给学生更多的时间来自己摸索与实践，给教学形式的进一步发展提供了摸索的空间。教师应该积极借助于现代化的教学环境，重视培养学生的创新精神和创新能力。

(2)实践性原则。数字化语言实验教学重在提供学生自主语言实践的教学环境，是学生发挥主体作用，自主进行语言实践掌握的有力途径。学生在所提供的教学环境中广泛涉猎语言素材，利用实验室所提供的资源，摒弃被动学习的劣根性，真正受益于数字化语言教学。

(3)综合性原则。一个实用性强的数字化语言实验室不仅应该综合多方位的学习资源库与系统使用功能，提供给学生自主学习使用，同时也需要教师与实验室负责人员的有效利用与配合。在不断发展、扩充学习资源的同时，完善教学资源的软件与硬件的综合建设，多类型、多层次的实施途径是确保实验室得以发挥价值的重要保证。

2.教学环境的系统功能

(1)创造仿真的人机对话模式。语言教学系统的技术和功能的突破点是在语音识别技术的发展和完善上。创造出模拟真人间一对一交流的人机对话模式，对外语学习具有非同寻常的重要意义。

(2)构造语言教学信息资源库。局限于课本的外语学习实用性有限，因此搭建标准化语言学习资源平台，对外语的教学可以起到推进性的作用。虽然，全国部分高校都有自己的外语教学资源库，但是由于高校信息化建设的独立性，导致外语教学资源库的建设自成体系，资源共享难。而数字化语言系统应该将现有的教学资源汇总、整合、完善，平等地开放给学生使用，使学生自主地接触到多方位的学习信息，这样才是真正服务于语言教学。

(3)完善语言教学管理功能。数字化语言实验室为学生利用教学系统进行自主学习创造了条件，但是应该考虑到并非每一个学生都有很强的自觉性，因此设定在规定的时间里达到既定的学习目标，是很有必要的，这就需要数字化语言实验室系统应具备教学管理与控制功能。

3.教学环境的外设营造

(1)单位实验室的容量控制。按照语言教学的一般规律，单个实验室或单个实验教学班级的规模应该是越小越好，但是对于一般的高校而言，语言室的教学环境不仅仅面向的是专业外语教学使用，更多的是公共外语的教学任务。同时，过小的实验室规模势必造成教育成本的大幅度提高。所以在保证教学质量的前提下，建议可将单位语言教学环境中容纳学生的数量控制在36位至48位之间。

(2)实验室的音响设施。在语音实验室授课或上课，势必会长时间佩戴耳机，佩带耳机时间过长，势必会造成一定的不适感，影响到学生上课的情绪。因此一套中等音质质量的外置扬声器是语言教学环境中必不可少的设备。在非听力的课程中，可以适当地使用实验室的扬声器，缓解教师、学生的听觉疲劳，有助于调节课堂氛围。

(3)实验室的照明控制。研究表明自然光对视觉敏感度效果最好，语言实验室室内的照明设备基本上都使用荧光灯。由于上课时学生主要阅读显示器上的文字，所以要考虑过强的环境照明是否会造成显示器图文显示反差降低，影响阅读效果。

(4)实验室的保洁问题。语言教学设备由多个教学班级轮流使用是一个非常普遍的现象，这必然造成学生端的外接设备不同程度的污染现象。鉴于此，对语言实验室的定期保洁是非常有必要的，这样做不仅能给学生营造出干净的学习环境，还能防范污染对实验设备的损伤。

四、数字化语言实验室应用绩效的探究

数字化语言实验室的有效应用能提高学生的外语学习兴趣和语言应用能力，能促进教师的教学实践和科研创新能力，增强师生的综合素质，实现教学相长。

1.应用绩效探究的目的评估数字化语言实验室在实施教学过程中各个环节的质量与效果，最基本的功用是可以促进教师和实验管理人员的积极性和主动性，但其意义远不仅如此。

绩效，指人们在工作场合中通过一定的活动完成任务所形成的业绩或成果。简言之，就是目标达成的程度。绩效评估的目的，就是撇开外在的表面因素，仔细审视整个实施过程是否已经达到了预期的目标，在明确目标之后，找出目标与现状的差距。可以说，探究数字化语言实验室应用绩效的目的在于对实验教学质量进行评估，找出实际应用中的优势与不足，完善教学培养方案，使语言教学在数字化的教学环境中更上一个台阶。

2.语言实验室应用绩效的分类

从数字化语言实验室最直接的使用对象来看，实验室的应用绩效可以分为学生应用绩效和教师应用绩效，可以从这二个方面来综合分析数字化教学环境的现实意义与价值。

(1)学生应用绩效。学生是数字化语言实验室最直接的受用者。分析学生对实验室的应用绩效最能说明数字化教学的实际效果。学生的应用绩效评定的前提是将同一年级同一课程的学生分成二个班级，分别在数字化语言教学环境中与传统的课堂进行受教。绩效的内容可以基本分为以下三个方面：在一个学期后进行应试成绩的考核;在一个学期后进行语言交际能力的考核;在一个学期后进行外语综合能力的考核等。综合以上几个方面，来对比分析不同的两个教学环境对学生实际教学的影响，来发现其中的差异性、优势性与可发展性。因为数字化教学仍在不断地完善过程中，在实际教学中尚处在一个衔接与过渡的阶段，通过学生应用绩效的考核，可以发现最有价值的问题，进而不断改进，优化学生的课堂内容和学习过程。

(2)教师应用绩效。教师作为实验室的使用主导，对于实验室的实际应用也直接影响到学生应用绩效。教师应用绩效的评定是以学生应用绩效为前提的，因为学生学习的实际效果是教师应用效果的最终体现。教师可以借鉴学生绩效的结果来发现教学中存在的问题，也可以采用调查问卷等形式来有针对性地发现问题，摸索改进基于数字化语言实验室平台的最适合的教学形式与方法。教师应该在不断摸索中成长，在不断创新中收获，在自身稳步提高的同时，为学生营造最理想的教学氛围。

五、结束语

现代化语言教学，在教学的理念与方法上仍追求不断发展和创新，数字化语言实验室的发展也呈多元化，其系统资源功能不断完善，实用性日趋强大，对外语的“教”与“学”产生了积极的影响筅

参考文献：

[1]杨建华.突出特色抓好实验室教学中心建设与管理[J].实验室研究与探索，2008(1)：10-12.[2]胡晓波，隋继学，赵永安.实验室开放教学的探讨[J].实验室研究与探索，2008(5)：164-167.[3]李盛.基于数字语言实验室的大学英语教学及对策[EB/OL].http：//www.xiexiebang.com/ettp/list.asp?id=79.[4]王爱国.搭建网络化语言学习环境[J].教育技术资讯，2007(4)：55.[5]何洪武.如何利用语言实验室来优化外语课堂教学[EB/OL].http：//www.xiexiebang.com/ettp/list.asp?id=63.

第五篇：高中生物数字化实验教学应用的不足及策略研究

题目：

高中生物数字化实验教学应用的不足及策略研究

姚梦萍

2017年6月

1.文献综述

1.1 高中生物实验教学研究现状

生物学是一门自然科学，一定要以实验为基础。生物学实验是生物学研究的基础，更是生物这门学科的一个重要组成部分。生物实验教学是生物教学的开端，任何生物学上的新发现都依赖于科学家无数次的相关实验探索。

生物实验教学在生物教学中的地位举足轻重。一方面实验的思想和过程是学习重点内容之一，另一方面，实验教学是生物学教学的重要方法和手段之一[1]。生物教学中很多重要的概念都是从实验中分析得出来的。例如：在人教版高中生物必修1第5章第4节“能量之源——光与光合作用”一节中，虽然光合作用的概念提出在前，但是学生不能很好的理解其中的含义，无法了解其中的过程及原理。通过总结历代科学家的实验，进而得出光合作用的探究历程，让学生能够像科学家一样去慢慢思考其中的过程，从而能够真正理解光合作用的概念，准确地说出光合作用的原料、场所、条件、产物等，并写出其化学反应方程式。但是，如果没有对这些科学家所做的实验进行学习和讲解，就会使得光合作用的概念较为抽象，学生也不容易理解，对于其内含，学生更难以去挖掘，只能停留在表面的记忆。因此，很多一线教师从高中生物的教学开始就不断的强调实验原理、实验思路、实验步骤、实验设计的原则、实验结果和对结论的分析等内容，并且花费了比较多的时间来给学生做相应的训练，足见其重要性[2]。

但是笔者在实际教学中以及翻阅大量文献后发现，传统实验教学其实也面临一些问题：(1)生物教师的实验教学观念落后，大部分高中生物教师没有正确的实验教学观念，没有意识到实验教学的重要意义，认为做实验浪费课时，影响教学进度，还不如让学生直接背实验现象、实验结论，即“做实验”还不如“看实验，讲实验，背实验”；(2)课时紧张，现在很多高中学校认为生物是“副科”，学校安排课时只能完成学校要求的教学任务，一个班一周只有 2~3 节生物课，导致教师无法给学生安排单独的实验课；[3](3)传统实验教学实验现象不能够量化、等待结果的时间较长、教学方式单

一、实验教学无评价方法、现有实验室难以满足实验教学的要求等等[4]。1.2 数字化实验的概述 1.2.1 数字化实验的含义

数字化实验，广义上指所有使用数字化技术或仪器的实验，不仅包含使用数字化仪器的实验，还包括以计算机为基础的虚拟仿真实验、多媒体展现的动画实验等等[5]；狭义上指利用现代传感技术的实验，传感器感受到相应的信号，然后由与计算机配套的软件将信号转化为数据形式输出，从而使实验数据准确、可靠且

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共 8 页 没有繁琐的计算，从定量的角度揭示实验的本质。

尽管数字化实验的称谓不尽相同，但是所指实验系统的基本组成与特点是大致相同的，即它们均是通过采用传感器实验设备将实验数据转入电脑，进行实验分析与探究的新型实验形式，主要设备由“可控源+传感器+数据采集器+计算机+处理软件”组成，因此，我们可以认为利用“传感器+数据采集器+计算机”这样基本组成的实验系统开展的实验均可称之为数字化实验[6]。故数字化实验是指一般由传感器、数据采集器、计算机及相关数据处理软件等构成的测量、采集、处理设备和与之配套的相应的实验仪器装备组成的实验系统[7]。

当今知识和信息爆炸的社会，以传感器为主的数字化实验室仍以学生的真实实验为基础，很好地抓住了信息处理的三个重要环节：采集、处理和表达，从而有效实现了信息技术与理科学科的整合[8]。数字化实验与传统实验不同，它拥有强大的后期数据处理功能，能够实现数图的结合，图像自动生成，数字化实验应用于教学中，有助于加强学生信息获取、加工、处理等方面的能力。此外，数字化实验还具有以下显著特点：实验过程直观可视[9]、数据处理实时自动、操作并行数据准确。

1.2.2 数字化实验室的含义

数字化实验室，即配备了能够完成所需数字化实验的一切器材、资源、教师的实验室。这样的实验室不仅要拥有足够数量和质量的计算机，更要有优质的多种配套传感器、视频或图片等资源，而经过培训并且能够完全掌握数字化实验器材使用的一线教师也是实验室不可缺少的一部分。数字化的仪器和资源在不断进步，那么我们的教师也要不断的进行培训、不断的适应新的技术和新的教学方法。现在很多大学都在推进数字化校园，其中一个重要内容就是数字化实验室，它是涉及到数字化教室、办公室、图书馆、网络工作室的一种模式[10]，在这种模式下的数字化实验室是指一种新的实验室信息管理系统，其包含的内容比较多，是一种利用计算机网络、分布式数据库技术、数据采集与数据处理技术和数据存储技术实现对实验室进行全面管理的计算机应用系统[11]。这种实验室最大的优势在于集合了大量数字化的教学资源，并且方便管理[12]。1.2.3 数字化实验教学的含义

数字化实验教学，即延续了传统实验的教学理论，但是能够利用传感器、计算机等新型设备，在教师的指导下完成教材已有实验或者设计进行探究创新实验的教学方式。这种教学方式相较于传统实验教学，有着科技上的优势：尽管理论上来说，这样的实验教学跟传统实验教学一样，都是在实验室里完成的真实的实验，要记录实验结果并得出实验结论。但是，记录的媒介变了：从传统仪表换成第 2 页

共 8 页 了新型传感器；记录的方式也变了：由学生手写记录变成了计算机自动生成，学生可以短时间内获得相应的数据，进而分析得出相应的实验结论。再者，数字化实验更具有准确度、速度、数量、创新性上的优势，更受师生的喜爱[13]。

但是并不是所有高中生物实验都能够利用数字化实验教学来完成的，有研究表明，在科学探究过程中，主要有以下3类实验比较适合运用数字化实验仪器[14]：(1)是用常规实验看不到的东西。有一些实验现象无法靠眼睛进行观察，也就无法利用传统实验进行操作。现在可以借助数字化实验仪器帮助我们看到，这样就扩大了实验的范围。这是非常重要的一方面。(2)是有关变量的实验。原来做实验，我们只能孤立地看到什么，借助数字化实验室，我们可以研究事物或现象之间的关系，比如什么改变了、引起了什么改变、是什么规律等等，这些都是靠传统实验比较难以做到的，特别在化学生物等学科，几乎放弃了开展某些实验。现在，借助数字化实验仪器，可以研究变量之间的关系和规律，这是非常强大的作用。(3)是复杂实验。复杂实验有它的独特性，比如说野外采样，如果不利用数字化实验仪器，数据采集、处理和分析等在有限时间和有限手段中是难以实现的。因此，数字化实验教学在这一方面也存在了一定的局限性。1.3 数字化实验国内外发展现状 1.3.1 国外关于数字化实验的研究现状

20世纪80年代，美国和英国率先引入了基于传感器的数字化实验室，由于效果显著，随后在以色列、澳大利亚、日本、新加坡等发达国家的推广[15]。最开始的引入是针对大学的实验室，培养了许多优秀的大学生，受到老师和学生的喜爱。随着数字化实验技术的成熟发展，逐步被引入到中小学自然科学的教学中。这些实验室，不仅可以完成学生们课本上己有的实验，更可以让学生在老师的帮助下设计完成实验，大大促进了欧美学生对实验探究能力的提升及相关科学理论知识的掌握[6]。以美国为代表的发达国家早在上个世纪就已经全面铺开了数字化实验室，并且鼓励学生亲自动手去体验自然科学的奥秘，适当的运用已掌握的科学原理甚至现场查阅资料来解决问题，从而培养学生创造性思维、批判性思维。而这正是我国学生所缺乏的并有待提高的能力。在自然科学的教学中，美国教师带领学生从多角度设计和观察实验，充分利用数字化实验仪器，促进讨论，不仅激发了学生的学习探索兴趣，最重要的是让学生毕业之后走上社会具有较强的社会行为能力，能够用科学的思想看问题，能够从多角度去理解社会生活，能够辩证的看待问题。同时，美国学生并没有被刻意的培养创造力或者想象力，而主要侧重于与生活实际更相关的探究能力和对问题的解决能力[5]。1.3.2 国内关于数字化实验的研究现状

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共 8 页 我国的数字化实验室建设发展较晚，进展也不那么迅速。在我国建设数字化实验室较早的上海等城市，也是在2002年以后才真正进入这个领域，并且经历了比较漫长的发展才逐渐被认可壮大起来。目前，仅有上海、广州等少数沿海城市开展了较长时间的数字化实验教学工作，中部和西部地区还几乎处于空白地带，资源的不均衡、投入的不均衡使得中部和西部地区难以开展。同时，我国的应试教育极大地限制了实验教学的开展，即使引进了数字化实验室，也可能沦为摆设。因此，数字化实验室虽然已经在部分城市推广并开展了十余年的教学，但是离真正的重视实验、进而到接受新的数字化的实验室，还需要一些投入的增加和观念的转变，还需要国家、社会、学校、教师的共同努力[16]。

国内相对比较成熟的数字化实验系统当属朗威的DIS-Lab设备。此产品由上海市中小学数字化实验系统研发中心领衔开发，包括上海、北京等地的几十位实验教学专家参与，融合了国际国内实验教学改革的先进理念，应用了国际领先的软硬件技术[17]。研发历时三年，经历了上海市53所“二期课改”试点学校的严格测试，现已进入上海市“二期课改”的物理教材[18]。现如今，国家和地方对教育的投入都很大，很多原来只有大学才有的先进实验设备都逐步进入中小学，教材也在试图紧跟时代的步伐，2004年人教版新课标高中物理教材必修1中出现了使用位移传感器和力传感器做实验的介绍，标志着数字化实验己经被教材接受并意图推广[16]。2.选题缘由

随着新课改的不断推进，数字化实验教学已经是大势所趋。数字化实验室最早还是在大学的实验室里，它是进行大学科学研究和教学的一部分，之后才逐步引入到中小学教学中。因此，数字化实验室要想顺利与中小学教学相融合，就必须要有足够的调研。

鉴于此，笔者就“数字化实验教学”这一方面相关的问题，查阅了大量文献。目前，我国在中学数字化实验室的建设及软件开发方面己经取得了一定的成绩，并且已经有了相对完善的理论作为支持，同时，一线教师也针对一些具体的课题开展了数字化实验并取得了一定的效果，尤其是在物理和化学学科。但是，数字化实验教学同样也存在着一定的不足之处：对于数字化实验室的建设及数字化实验的理论研究尚未充分考虑到一线教学的实际问题及需求[19]，往往就造成数字化实验室使用率不高。而且，就目前研究结果来看，对于数字化实验室的应用及研究主要集中在物理学科，也有不少在化学学科，但对其在生物学科的应用研究相对较少[20]。

今年我校也配备了数字化实验室，并且已有其他兄弟学校来我校参加、交流，第 4 页

共 8 页 意图在自己学校创建数字化实验室。但是，数字化实验教学在国内并未全面开展，那么在开展的过程中会出现什么问题？教师和学生又该如何应对并解决这些问题？再者，数字化实验室并非所有学校都有足够的资金去创建，那么数字化实验教学是不是就具有很大的局限性呢？于是，本课题将尝试从高中生物教学中有关细胞代谢这一角度的探究性实验教学为例，探讨数字化实验教学在中学生物学教学中应用的不足以及相应的策略研究。3.研究意义

目前，我校已经引入数字化实验室，并且正在进行一些探索性数字化实验教学，因此我们需要更多的有关数字化实验教学的理论和实践，故本课题希望通过对本校数字化实验教学的应用研究，找到数字化实验教学这个新鲜事物在高中生物实际实验教学过程中遇到的问题和困难，帮助教师和学生提出解决方法，从而也可以为即将开展数字化实验教学的兄弟学校提供参考借鉴；其次，本课题也希望针对部分教师对数字化实验教学坚定的赞美或者坚决的否定进行客观公正的评价，将其优势和局限性同时呈现出来，相互交流；第三，本课题中所探讨的数字化实验并非必须要在数字化实验室中才能够完成的，因为数字化实验室的建设需要有大量的资金投入，而在一般学校是没有这个财力的。因此，我们仅仅是基于传感器和计算机平台来完成的实验教学，而传感器、计算机等都是可以带出实验室的，而且价格并没有那么昂贵。这样的情况下，数字化实验教学可以走出实验室，走进课堂，甚至走进学生的生活中去。而且没有建设数字化实验室的普通学校，同样可以完成数字化实验教学。我们可以以最少的资金投入，提高学生的实验思维能力，还可以创新性的开展一些实验，激发学生对探索未知领域的兴趣。4.研究内容

本课题主要是立足于高中生物实验教学，探讨高中生物数字化实验教学过程中的不足以及应对策略，主要研究内容为：

(1)对高中实验教学的现状以及所面临的问题、高中生物数字化实验教学的含义和特点进行整理、分析，进而探讨如何利用数字化实验教学解决传统实验教学中存在的不足之处，例如：在人教版高中生物必修一中“探究环境因素对光合作用强度的影响” 这一实验教学中，教材中是利用“单位时间内各实验装置中小圆形叶片浮起的数量”来判断不同光照强度下光合作用强度的大小，但是利用数字化实验教学中的传感器就可以直观、准确的量化不同光照强度下光合作用强度的大小以及变化曲线图[21]。以此类推，师生还可以创新实验内容，开发出更多适于教师演示和学生操作的实验方案。同时，对于数字化实验教学在实践过程中存在的不足之处也需要改进，这就必须要进行相关的数字化实验教学，才能够发现并

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共 8 页 解决相应的问题。

(2)本课题主要以人教版高中生物必修一中细胞代谢类相关的探究性实验教学为例，展开分析学生在学习该部分内容过程中遇到的相关案例，重点分析学生提出的在该方面的一些值得探究的问题，引导学生做出相关的数字化实验设计，进而教师做出实验教学设计，在数字化实验教学过程中解决相应的问题。在此过程中，学生通过自主设计实验，以及自己动手完成实验，体验生物实验的乐趣，提高生物实验的思维能力。并且，生物数字化实验教学仍然处于发展初期，在摸索的过程中，势必会出现各种各样的生成性的问题，那么这些问题是什么？学生面对这些问题又是如何解决的？这将是一个值得探讨的问题。如果我们把这些实际操作过程中出现的问题，以及解决的办法分析、综合整理在一起，就可以为其他学校，甚至是一些农村学校开展类似的实验提供一些理论和实践上的依据。

(3)对数字化实验教学的评价：设置实验班（数字化实验教学）和对照班（传统实验教学），最后考察两个班级学生的实验设计、实验操作、实验分析等方面的能力，做出相应的判断，得到相应的结论。5.研究方法

本研究采用了文献研究法、案例分析法、实验研究法、调查研究法相结合的研究方法。

(1)文献研究法：查找相关内容的著作、研究生毕业论文、各种期刊上的学术论文、浏览相关网页，对搜集的资料进行研读，了解高中生物实验教学过程中数字化实验教学的研究现状、发展方向以及相关研究成果。参照别人以往研究过程中的方法和思路，结合自身教学实践活动，积累相关案例、材料，为研究课题做准备。

(2)实验研究法：组织所带对照班的学生进行传统实验教学，实验班的学生进行数字化实验教学。笔者进行现场观察、记录，获取第一手教学资料，发现在此过程中的生成性问题，分析现象和原因，提出解决方法和策略，并进行实验验证。

(3)案例分析法：通过对人教版高中生物必修1教材以及高考题或模拟题中出现的与细胞代谢相关的探究性实验案例进行分析、研讨，学生发现问题并设法在教师的帮助下解决问题，做出相应的实验设计，教师在考虑实验的科学性、可行性和适用性等因素后，进行相应的实验。

(4)调查研究法：对学生进行问卷调查，了解高中学生生物数字化实验与传统实验对促进生物学习的情况，并进行深入分析和总结。6.研究思路和设计

首先，对生物兴趣小组介绍有关的数字化实验的情况，展示一些比较容易完

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共 8 页 成的数字化实验，激起学生对数字化实验的兴趣和好奇心；其次，鼓励这些学生设计并完成教材中的可利用数字化实验来完成、改善的探究性实验，由他们在课堂上演示并讲解，并作为笔者在数字化实验教学设计中的一个环节，如果同时能够引发更多的学生对数字化实验的热情就再好不过了，接着就可以辅助学生们逐渐开展高中生物教材中以外的其他的可利用数字化实验完成的实验；最后，记录、分析并总结在具体实践过程中出现的问题，以及解决问题的具体操作情况。7.预期目标

通过在高中生物这一学科上进行一系列的数字化实验教学，解决传统实验教学中不能够很好的解决的一些实际问题；其次，发现并记录数字化实验教学中存在的问题以及解决方法，为数字化实验教学能够大范围的开展和实施提供理论和实践上的建议；再者，通过学生亲身设计和完成相关的实验，提高学生的实验探究能力和动手操作能力。8.参考文献

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