破解教学困境 提升核心素养——基于数字化信息系统教学创新应用研究

广东省佛山市南海区第一中学(528200) 张建国

基于培养学生核心素养的新理念,创新了基于数字化信息系统探究教学这种全新的现代化教学方式,该教学方式在“教”与“学”两方面均取得创新性突破：在“教”的方面,基于数字化信息系统探究教学,破解了某些传统实验“实验探究”和“理论探究”不可兼得的困境,实现高效课堂；在“学”的方面,基于数字化信息系统探究教学,能够提高学生的探究能力和创新能力,助力学生学会学习、学会创新、学会合作,提高学生的实验素养,使学生受益终生。

为了实现数字化信息系统与高中物理探究教学整合这个研究目标,制定了“基于数字化信息系统探究教学”教学策略和教学模式,并创作出可供观摩学习的示范教学案例,从而让数字化实验系统真正走进探究教学的课堂。而基于先进教育理念制订的教学策略,对没有配备数字化实验系统的学校高中物理新课改都有很好的借鉴价值。

1 问题的提出

1.1 传统实验探究教学的困境

新课改特别注重学生创新能力的培养,而学生的创新能力培养要通过探究过程来实现,即让学生在过程中获得体验,形成意识,掌握方法,提高能力。所以,探究教学模式在现代教育理论中备受推崇。

科学探究分为实验探究和理论探究,而物理学科是一门实验学科。其核心概念、规律都是通过实验总结得出的,所以实验探究在物理探究教学中占有极大的比重。

1.1.1 传统实验探究教学的困境

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。造成采用传统的实验设备研究某些复杂问题时,占用理论探究、理论知识学习的时间,出现“实验探究”和“理论探究”不可兼得的困境。

1.1.2 数字化信息系统的优势(1)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。

(2)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。

(3)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,提供了一个良好的环境,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,养成与他人交流合作的良好习惯,认真分析误差,对实验方案和实验结果作出评估。总之,学生的科学素养、动手能力以及探索精神可得到极大的提高。

1.2 研究背景

1.2.1 国外研究现状

数字化实验室采用计算机技术、通讯技术、传感器技术等高新技术,为中学理科实验教学提供软硬件支持,实现了信息技术与学科教学的全面整合。美国、德国、丹麦、荷兰、以色列、日本、韩国等国家相继推出了各种数字化实验教学系统,并且应用在各类学校,受到广泛欢迎。据统计,美国、加拿大等国家60%的中小学生在课堂上使用这类产品,在物理、化学、生物、地理以及综合科学学科中开展研究性学习,创新能力不断提高。

1.2.2 国内两大数字化实验系统

(1)友高数字化实验室

目前国内许多科研院所和教育仪器生产企业在认真研究国际同类产品的基础上,自主创新,开发出了具有中国特色的数字化实验教学系统。北京师范大学产业总公司教育技术研究所自行研发的友高数字化实验室,拥有8项国家专利,已经通过国家教育部组织的专家鉴定。许多教师在使用后认为,友高数字化实验室贴近教学,好用实用,提高了教学效率,解决了教学疑难问题,充分开拓了学生的思维,全面培养了学生的创新精神,对于中学理科实验教学而言,无疑是一场新的革命。

(2)朗威数字化信息系统实验室(DISLab)

2002 年,山东远大成为中国教育最发达地区——上海市教育委员会数字化实验教学仪器及实验器材研究开发的唯一合作伙伴,并与上海教委教研室、上海风华中学联合组建了上海市中小学数字化实验系统研发中心。经过7年多的努力,推出了朗威数字化信息系统实验室(DISLab),依托上述产品完成的数字化实验分别被上海教委纳入《上海市中学物理课程标准》《上海市高中物理教材》,并被国家教育部所属的人民教育出版社纳入全国统一的高中物理教材,开启了中国实验教学领域的数字化时代。

1.2.3 文献综述

目前国内许多省市教育主管部门已经明确要求在学校配备数字化实验系统。

(1)2005年12月1日,北京市教育委员会、北京市发展和改革委员会等8个部门联合印发《北京市中小学校办学条件标准》,其中明确要求每所高中至少配备2套物理数字化实验室,每所初中至少配备1套物理数字化实验室。

(2)上海市明确要求所有高中2006年必须配置数字化实验室,所有初中选配数字化实验室。

(3)广东、江苏等地教育装备部门也相继要求所属中学逐步配置该类产品。随着教学改革的不断扩展和深入,今后其他省市的教育主管部门、各级各类学校将更加重视这一问题。

正如10年前的多媒体教室和校校通工程的建设一样,数字化实验室的建设和推广必将成为我国教育信息化发展的新阶段。

2 解决问题的过程与方法

2.1 研究设计

2.1.1 研究对象：数字化信息系统下探究教学的教学方式

《高中物理课程标准》实施建议：要重视数字实验,创新实验方式。数字实验室系统是利用传感器、数据采集器等收集实验数据,用计算机软件分析实验数据、得出实验结果的现代化实验系统。数字实验系统是教育信息化发展的需要,更是学生创新能力培养的重要方法和手段。利用数字实验系统可使很多难以测量或难以控制的实验得以顺利进行,也使很多实验的测量精度大大提高。

建议有条件的地区为学校专门创建数字化实验室,或引进教师演示用的数字实验系统。学校要重视引导教师研究数字化实验系统对传统实验的改进方法,研究数字化实验系统的教学方式,促进教学手段与方式的现代化。

2.1.2 研究目标：实现数字化信息系统与高中物理探究教学整合

“将数字化实验室植入探究教学课堂”具有巨大的优越性,可现实是很多学校的数字化实验室都处于闲置状态,说明现实中将“数字化实验室植入探究教学课堂”还存在诸多的困难和障碍。而破除“数字化实验室植入探究教学课堂”的困难和障碍,探讨数字化信息系统与高中物理探究教学整合策略,实现数字化信息系统与高中物理探究教学整合,就是笔者要达到的目标。

2.2 过程与方法

2.2.1 现 状

造成大多数学校的数字化实验室处于闲置状态。原因有二：一是软件作者不了解学校的真正需求,软件也缺乏专业测评,造成软件使用不便甚至无法应用到课堂上；二是教师不知这种全新的现代化教学方式应采取什么样的教学策略,才能更好地发挥数字化信息系统的优势。

2.2.2 解决方案

沟通软件公司与学校,充当开发者与使用者的“牵手人”；制定“基于数字化信息系统探究教学”教学策略,并创作出可供观摩学习的示范教学案例,从而让数字化实验系统真正走进探究教学的课堂。

2.2.2.1 测评实验系统,充当软件开发者与学校使用者的“牵手人”

虽然友高数字化实验系统配备有系统软件和《数字化实验手册》,但是由于软件的功能缺憾和编者的非专业性,离真正走进探究教学课堂还有很大的距离。

笔者会同其他高中物理专业教师和实验教师,用专业的眼光测评了系统所有实验的实验界面,制订出可行性使用方案,编撰测评报告；并联系友高公司,对部分软件提出修改建议。

测评报告目录

力学

1.测量滑块下滑过程的加速度

2.弹簧的弹力与伸长的关系

3.斜面上物体受力(重力的分解)

4.研究摩擦力

5.作用力与反作用力

6.研究小车加速度与力、质量的关系

7.研究失重与超重

8.摆球下摆过程中的机械能守恒

9.滑块沿气垫导轨下滑过程中的机械能守恒

10.探究动能表达式

11.研究动量和冲量关系

12.碰撞中的动量守恒

13.弹簧振子周期决定因素：探究T－k关系与T－m关系

14.用单摆测量重力加速度

15.向心力公式

声学

16.观察声音的图像—512Hz音叉声波图像与周期

热学

17.气体等容变化：p－t图线与p－T图线

18.气体等温变化：p－V图线与p－1/V图线电磁学

19.二极管正向伏安特性曲线

20.小灯泡伏安特性曲线

21.光电管正向伏安特性曲线

22.5 Ω和10 Ω电阻伏安特性曲线

23.测量电源的电动势和内电阻：2节旧干电池E＝2.59V、r＝1.78 Ω

24.电磁振荡：随着L、C的增大,LC振荡回路周期逐渐增大

25.影响通电螺线管磁场强弱的因素：B－r、B－I、B－n关系

26.电磁感应现象：插拔条形磁铁过程中线圈中感应电流图像

27.自感现象：通电、断电过程中线圈(红)和并联电阻丝(蓝)中电流图像

28.电容器充放电过程中的u－t图线(红)和i－t图线(蓝)

29.观察交变电流图线

2.2.2.2 制定“基于数字化信息系统探究教学”教学策略,创新教学模式

将数字化实验系统融入探究教学课堂,将出现一种全新的现代化教学模式。笔者基于数字化信息系统特点,制定了相应的教学策略。

(1)利用数字化实验系统的高效率,适度增加教学内容,实现高效课堂；

(2)利用数字化实验系统数据采集和数据处理自动化、实验结论定量化的优势,采用实验探究与理论探究融合策略,使学生既经历“科学探究”的全过程——提出问题、猜想假设、设计实验、数据收集、分析论证、结论评估,又有足够的时间进行理论探究和理论知识的系统归纳学习；

(3)利用多媒体教学网络广播系统,便捷分享各实验小组成果、享受分享和成功带来的喜悦、提高学生的合作共享意识。

下面,以“运用DIS探究‘导体的伏安特性’”一节为例,阐述具体的教学策略。

(1)高效课堂

“导体的伏安特性”一节课程标准要求：①观察并尝试识别常见的电路元器件,初步了解它们在电路中的作用；②分别描绘电炉丝、小灯泡、半导体二极管的I－U特性曲线,对比它们导电性能的特点,这是采用传统教学手段一课时不可能实现的教学目标。

而采用传感器和DIS(数字化信息系统)获取导体的伏安特性曲线,利用现代化信息技术,不仅大大提高了课堂教学效率,而且增强了学生数字化、信息化科学意识。

(2)实验探究与理论探究的融合

数字化实验系统实现了数据采集和数据处理自动化、实验结论定量化,有了定量的实验结论,就可以自然过渡到理论探究环节,从而实现实验探究与理论探究的融合。

“导体的伏安特性”一节设计了4 个探究环节——描绘金属导体伏安特性曲线、线性元件与欧姆定律、、描绘小灯泡(二极管)的伏安特性曲线、非线性元件与非线性伏安特性曲线的理解与应用,其教学流程图如图1所示。

图1 教学流程

在图1所示的教学流程中,实验探究环节一,采用2组差异化的实验器材——合金丝绕成的5Ω与10Ω电阻。在结论评估环节,通过寻找2组不同曲线的异同,总结线性元件的概念和特点,自然过渡到理论探究环节二,实现了实验探究与理论探究的融合。

实验探究环节三,也采用2组差异化的实验器材——小灯泡与二极管。在结论评估环节,通过寻找2组不同曲线的异同,总结出非线性元件的概念和特点,自然过渡到理论探究环节四,再次实现了实验探究与理论探究的融合。

实验探究与理论探究的融合的课堂教学模式如图2所示。

(3)小组合作、成果分享

本节课采用小组合作形式,使学生通过与同学的讨论、交流、合作,提高学生主动与他人合作的意识；通过多媒体教学网络广播系统共享各组实验结果,享受分享和成功带来的喜悦,提高学生合作共享意识。

2.2.2.3 创作出可供观摩学习的示范教学案例

按照电学实验、力学实验分类编撰“基于数字化信息系统探究教学的教学设计”拍摄、制作《基于数字化信息系统探究教学的教学课例》,创作出数字化实验室融入探究教学课堂的示范案例见表1。

图2 教学模式

表1 课堂示范案例

3 效果与反思

3.1 应用效果

(1)基于数字化信息系统的探究教学提高学生的探究能力和创新能力

该教学模式不但实现了高效课堂,而且让学生经历“科学探究”的全过程,在过程中获得体验,形成意识,掌握方法,提高了探究能力和创新能力。

(2)基于数字化信息系统的探究教学助力“六个学会”

当代世界各国教育的共同追求——学会生存、学会关心、学会学习、学会创新、学会合作、学会负责。

数字化信息系统让学生接触到各种传感器,而现代科技就是借助各种传感器实现自动化控制的,这有助于启迪学生发明创新、有助于学生融入数字化社会；让学生经历“科学探究”的全过程,有助于学生学会学习、学会创新；小组合作形式,使学生通过与同学的讨论、交流、合作,提高学生主动与他人合作的意识。

综上所述,基于数字化信息系统探究教学,可以很好的达到当代世界各国教育的共同追求——“六个学会”,特别是其中的学会生存、学会学习、学会创新、学会合作。

(3)通过数字化实验室提高学生的实验素养

新课改提倡全面发挥学生的主动性,使学生较为深入地学习物理、化学、生物实验的有关理论、方法和技能,进一步提高学生的实验素养。主要表现为：激发学生实验探究的兴趣,增强学生的创新意识,培养学生实事求是、严谨认真的科学态度,养成交流与合作的良好习惯,发展学生的实践能力等方面,而数字化实验室可以很好地达到这些目标。

3.2 反思与讨论：数字化实验系统与传统实验

虽然数字化实验室发挥了传感器和计算机的优势,但是数字化实验系统不能完全取代传统实验设备,原因如下：

(1)传感器是指这样一类元件,它能将力、温度、光、声、化学成分等非电学量按照一定的规律转化为电学量或者电路的通断,从而便于数据传输和自动化处理。由于它改变了传统实验设备的工作原理,所以当我们需要掌握传统实验设备工作原理时,就要回归传统实验设备。如弹簧测力计、水银温度计、指针式电压表、电流表等。

(2)课程标准规定的学生实验要用传统实验设备完成。如我们可以用光电门、光电计时器和数字化实验系统测量小车的加速度,但也必须让学生掌握用打点计时器通过处理纸带测量小车加速度这项实验技能。

(3)数据的自动处理与手动处理。在探究教学的课堂上,数字化信息系统能够对实验数据作出多维的、综合性的分析处理。使教师和学生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。但是数据的分析和处理,是学生必备的一项实验技能,所以学生实验的数据一定要学生动手处理,使学生掌握如何选择坐标参量、如何选择适当的坐标比例以合理利用坐标纸、如何描绘实验图线等实验技能。

综上所述,数字化实验系统特别适用于处理复杂、动态信息的探究教学的课堂。复杂的如寻求物理量间关系的探究实验,动态的如寻求作用力与反作用力关系、超重失重、电容器充放电、LC振荡电路等探究实验。

3.3 发展和完善——数字化信息系统在研究性学习中的应用

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,养成与他人交流合作的良好习惯,认真分析误差,对实验方案和实验结果作出评估。