《大学理科课程实验教学模式和教学目标多元整合研究.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大学理科课程实验教学模式和教学目标多元整合研究.pdf（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、AGRICULTURAL EDUCATION RESEARCH 2011年第3期 （总第68期） 26 教学改革与实践 2011.9 随着科学技术的发展，现代信息技术手段不断 介入到传统实验的改造与革新之中，除了基于物理 仪器的传统实验外，出现了仿真实验、基于虚拟仪 器的数字化实验等多元实验模式。然而必须注意的 是，由于在形式与方法上的差异，三种实验模式的 教学功能各异。文章试图在建构大学理科课程实验 教学多元目标体系的基础上，对三种实验教学模式 的教学价值进行理性探析，以期优化教学目标与实 验模式的整合策略，实施多元实验教学。 一、大学理科课程实验教学目标多元分析 实验教学目标是教师设计与实
2、施实验教学活 动的出发点与归宿，是学生开展实验学习活动的方 向。对实验教学目标进行解析是必要的，是对不同 实验模式的教学功能进行理性探析的前提。 基于对科学实验方法论的理解，实验的意义主 要体现在四个方面：一是测量特定的量；二是验证 理论知识（规律）；三是创新实验方法；四是发现 新现象、探索新规律。与此相对应，大学理科课程 教学实验可以分为测量性实验、验证性实验、设计 性实验和探索性实验1四类。四类实验都涉及到实验 操作方面：探索性实验和验证性实验则分别对应于 科学实验方法论上的发现过程和证明过程；设计性 实验主要涉及到实验方法创新方面。当今是大科学 时代，科学实验的运作需要科学实验团队成员之
3、间 的相互配合、协商。只有如此，才有可能取得更大 成绩，所以科学实验团队协作精神2，也必须作为 实验教学的一级目标来培养。基于以上分析，试图 建构一个五元实验目标体系，五元分别是实验操作 技能、实验验证能力、实验设计能力、探索创新能 力、协作精神。 实验操作技能是实验基本能力，应包括实验 仪器性能指标和实验仪器科学操作规范、实验系统 的正确组建和调试、实验数据采集和实验数据处理 技术方法、常见实验仪器（系统）故障的检查和排 除等方面的内容。实验验证能力属于基础性能力， 主要是能用成熟的实验方法验证大学理科中的原 理、假说、规律等，其过程是“理论（假说） 实验理论（假说）”，即学生先在课堂或书本
4、 上掌握理论（假说）知识，而后通过相关的实验过 程，观察实验现象，采集、分析、处理实验数据， 总结规律，从而确认理论（假说）。实验设计能力 指在掌握常用实验技术方法的基础上尝试进行具有 创意性内容的实验设计活动的能力。其过程是“实 基金项目：湖北省省级教学研究项目（）。 作者简介：张臣文（5 ），男，硕士，湖北襄樊学院教育学院副教授。研究方向：数字化教育。 大 学 理 科 课 程 实 验 教 学 模 式 和 教 学 目 标 多 元 整 合 研 究 张臣文 （湖北襄樊学院教育学院 湖北襄樊 441053） 摘 要：实验教学是大学理科课程学习的基础，在分析、构建实验教学多元目标体 系的基础上，对基
5、于物理仪器的实验、仿真实验和基于虚拟仪器的数字化实验三种实验教 学模式的功能价值进行理性探析，以期优化教学目标与实验模式的整合策略，实施多元实 验教学。 关键词：实验教学模式；教学目标；大学理科课程 2009298 197 - AGRICULTURAL EDUCATION RESEARCH 2011年第3期 （总第68期） 27 教学改革与实践 2011.9 验方法（论）实验”，即学生通过参与专 家或老师设计的实验项目，积累经验，提炼、创新 科学实验方法，而后运用自己提炼、创新的实验方 法进行相对独立的实验设计活动。实验设计能力主 要在于实验方法创新。按常理，应归属“探索创新 能力”范畴，但这
6、里把实验设计能力单列、突显出 来，原因是大学理科专业学生主要是以学科知识、 科学方法学习为主，做学科探索创新，特别是理论 创新勉为其难，而做实验方法创新既符合当代理科 大学生能力培养诉求，也契合学生学习实际，是学 生必须具备也是能够做到的。探索创新能力指能正 确把握理论（假说）与实验之间的辩证关系，勇于 用科学实验置疑、批判、否定理论，对科学实验的 新现象，特别是“反常”现象敢于置疑、敢于探 究，是比实验设计更高层面上的一种科学探索品 质。协作精神的培养也是一个重要的实验教学目 标，主要指分工协作、分享经验、互助共进、同心 同德精神等方面。 二、三种实验教学模式的价值 实验模式是实现目标价值的
7、载体，厘定不同 实验模式的教学功能，以期整合实验目标与实验模 式、优化大学理科课程实验教学。 （一）基于物理仪器的实验模式 基于物理仪器的传统实验是由学生在一定的 单位时间内，在实验室中通过现场操作物理仪器来 完成的。因此，实验室时空情境的现实性和实验仪 器的真实性就构成了传统实验模式的主要教学特征 3。在这种实验模式中，学生在特定实验任务的驱 动下，开展实验。通过与实验仪器的不断交互，学 生的实验操作技能得到逐步发展。在实验过程中， 学生观察实验现象，记录、分析实验数据，总结规 律，验证书本理论知识，这是“理论（假设） 实验理论（假设）”的过程。经过多次的验证 性基础实验，学生已经熟练了操作
8、程序和实验策 略，可以有效组织相关的仪器、方法和技术，完成 “实验方法（论）实验”的过程。教师还 可借助真实实验室的现场性优势，通过异质分组、 小组讨论、老师参与等方式，积极协调师生之间以 及生生之间的互动关系，培养学生团队合作精神。 而探索创新能力目标的实现，主要依赖老师在平时 的理论教学和实验教学过程中有意安排、适时创 设、穿插启发性情景，特别要鼓励、引导、启发学 生多问、多动手、多思考。 传统实验模式存在诸多弊端4、5：设备一次 性投资巨大，设备更新周期偏长，维护工作艰巨； 传统实验仪器功能固定，可扩展性差，实验手段落 后；实验室管理缺乏灵活性，资源浪费现象严重， 实验开出率、仪器设备利
9、用率明显不高。很多高 校在制定实验教学大纲时，都或多或少地设置了综 合性和设计性二个高层次的实验项目，表面上看是 实施了分层次实验教学，摆脱了过去以理论知识为 线索组织实验教学的旧模式，但实际上并没有真正 落到实处。究其原因，一方面是因为实验内容设置 不合理，综合性实验与设计性实验区分不明显；另 一方面是因为实验教学沉疴长期积淀，学生难以独 立完成综合性和设计性实验，最终导致综合性和设 计性实验流于形式 6 。传统实验教学的组织方式 7，主要还是以班级为单位的集中式分组实验教学 为主，全班采用相同的实验项目、相同的实验教学 进度进行实验教学，没有考虑个体差异。为了使学 生能够根据自己的个性特征
10、，得到不同方式的实验 教学指导，需要设置随课实验 8、独立实验9、开 放实验、协作实验等多种实验方式。目前，随课实 验是普遍采取的实验方式，但此方式只适合简单的 测量型、验证型实验，并且其主要任务是辅助老师 课堂理论知识讲授的，在培养学生独立实践能力、 协作能力、创新能力方面是有限的。而对学生像独 立实践能力之类的延伸能力的培养，恰恰需要开设 独立实验、开放实验、协作实验，因为实施起来对 教师、实验教辅人员的挑战性大，对实验条件的要 求高，但是并没有得到应有的重视。目前高校普 遍采取的实验教学管理方式是“课程式”管理模式 10，实验教学安排由教务职能部门负责，统筹安排 实验教学、督查实验过程。
11、此管理模式有两个弊 端，一是按“课程式”的实验教学管理模式，综合 性、设计性实验很难开出，就是开出，也是没有质 量的；二是实验教学过程中没有灵活性，实验教师 要严格按照学期初学校教学职能部门安排的实验教 学进度进行实验教学。诸多主客观原因，使得传统 实验模式见长于测量性实验、验证性等基础性实 验，而对于实验设计能力、探索创新能力培养是缺 失的或有限的。 （二）仿真实验模式 AGRICULTURAL EDUCATION RESEARCH 2011年第3期 （总第68期） 28 仿真实验模式是计算机仿真技术应用于实验教 学而形成的一种现代实验模式，仿真实验的实验仪 器、时空环境是仿真虚拟的，所以通
12、过仿真实验不 能训练提高学生基本实验操作技能。但是，正是因 为仿真实验是虚的，与传统实验特性刚好相对，所 以仿真实验与传统实验是互补的，体现在下面三个 方面： 1仿真实验不受时间和空间的限制，实验活动 可以在任何时候的计算机终端上进行，具有完全的 时空开放性。学生可以随时随地或单独、或协同进 行实验活动。如此，学生拥有完全的学习自主性。 2仿真实验更容易为学生提供完成既定实验教 学目标所需的心理准备支持。借助于计算机强大的 图形处理功能，仿真实验教学软件可以模拟实验原 理、实验方法乃至实验仪器的内部结构，为学生在 实验过程中建立必要的心理表象提供良好的外部支 持 11。 3仿真实验更容易创设探
13、索情境。探索性实 验教学需要开放的、支架跟进式的实验情境。增强 学生实施探索的愿望与信心，学生可以充分发挥自 己的想象力，去实现自己的设计、探究，而不受器 材、仪表等的限制，不用担心实验的失败会对相关 实验设备造成的损坏，这无疑为学生的创造力发挥 提供了十分广阔的实验空间。 （三）基于虚拟仪器的数字化实验模式12、13 基于虚拟仪器的数字化实验模式，是以虚拟仪 器14为媒介，通过计算机来实现信号控制、数据采 集、分析处理、表达输出等实验环节的一种数字化 实验模式。一般，实验仪器由信号的采集与控制、 信号的分析与处理、结果的表达与输出三个功能模 块构成15。传统仪器，这三部分是集成在一起的， 用
14、户无法根据实际需要改变或扩展仪器功能；而虚 拟仪器则把信号的分析与处理、结果的表达与输出 用计算机软件来实现，信号的采集与控制用硬件接 口电路来实现。所以说基于虚拟仪器的数字化实验 模式是虚实结合的、基于计算机的实验模式。这里 的“虚”有两层含义：虚拟的仪器面板：传统仪 器的开关、按钮等器件，都由与其外观相似的图形 控件来替代，学生通过鼠标和键盘来操作软件界面 中的控件，完成对仪器的操控；由软件实现实验 仪器功能：在虚拟仪器系统中，数据的采集由软件 开关来驱动，数据的分析处理、表达储存等功能主 要是通过软件算法编程来实现。这里的“实”也有 二层含义：数据采集系统采集的数据是实的； 实验原理、实
15、验过程、实验结果是实的。所以虚拟 仪器表面上看是虚的，本质是实的。 基于虚拟仪器的数字化实验中的虚拟仪器是 开放的。学生只要掌握一门G语言，就可以自己动 手设计虚拟仪器，亦可对别人设计的虚拟仪器进行 改造。笔者所在的大学物电学院的学生在近三年用 LabVIEW16设计、开发数字化物理实验126项之多， 并且很多实验项目是以小组的形式完成的，很好的 培养了学生的实验设计能力、探索创新能力和团体 协作精神。 基于虚拟仪器的数字化实验直接利用计算机 对实验数据进行分析、转换、比较和存储等操作， 避免了传统实验人为的失误，提高了数据的传输、 变换的质量和实验数据运算的速度及存储、显示精 度，节省了传统
16、实验在数据处理环节上消耗的时 间。如此，学生可以把主要精力放在与实验任务密 切相关的设计性、探索性、创新性问题上来。 基于虚拟仪器的数字化实验中的虚拟仪器可 以网络化。信号的采集与控制部分放在异地计算机 上，信号的分析与处理和结果的表达与输出这二部 分通过G语言编程，集成在本地计算机上，异地计算 机与本地计算机通过网络联接在一起，实现“网络 就是仪器”。这种方式是目前实验仪器共享、远程 控制实验的最佳方案：学生通过本地计算机端口远 程实时操控异地实验室真实设备进行实验，实验过 程中，可以通过实时传回来的远端现场影像了解实 验现场情况，而实验数据也会不断地回传到本地计 算机上进行分析、处理、显示、存储。学生可以通 过这种模式进行校内、校际之间的协作实验，互通 有无，共同探索，共同进步。 因此笔者认为，传统实验室教学模式经由虚 拟仪器技术的介入和改造，必将发挥更为全面的教 学功能，巩固其在实验教学中的主导地位。基于虚 拟仪器的数字化实验是传统实验模式革新发展的方 向。 三、结语 实
