数字化实验室的应用研究

随着科技的迅猛发展，学校信息化建设的要求也越来越高。数字化实验室伴随着科技的发展及国家对科技创新人才培养的要求，在校园里应运而生。如何将数字化实验室充分利用起来，推进数字化校园的全面应用是值得我们研究、探讨的问题。

一、什么是数字化实验室

所谓数字化实验室，简单地说就是用来完成采用传感器或数字化平台制作的软件来完成一些只能定性无法定量的实验以及一些微小或瞬间数据的测量、演示实验的场所，配备标准包括初高中的理化生实验、通用技术实验(智能机器人实验室是通用技术实验室的一部分)。虚拟实验室的建立是对传统实验的一个非常好的补充，能发挥出巨大的作用。

二、长春市数字化实验室应用研究

1.初中理化生虚拟实验的应用

长春市目前所应用的数字化平台是由东北师大理想信息研究所开发的初中理化生虚拟实验平台。该实验教学平台针对目前理化生实验平台中常见的问题，集合了众多功能，同时能为中学教师、学生提供全方位的数字化支撑。实验是激发学生探索欲望，培养学生创新精神和实践能力的重要途径。根据实验教学的特点，初中理化生实验分为两大类：演示和分组实验、探究实验。

在实践中，我们感到，当学校实验器材不能满足现有教学需求时，该实验教学平台是最好的补充，它能实现学生平时“看也看不到、想也想不到、做也做不到”的实验课程和内容。它能调动视觉、听觉、动手等多种感官参与教学，学生更有积极性，更有热情，对实验感兴趣了自然就愿意学习理化生这三门学科了。理化生虚拟实验软件具有如下特点：一是针对性强。如对有毒气体的制取，演示微观看不到的分子、离子，物质内部结构，宏观地球，动物解剖，植物成长过程，危险的实验课程。通过学习平台的演示，可以把知识形象化，有利于学生对掌握的知识，减轻学生的学习负担。二是有效性。它有助于规范操作，使实验更科学准确。它可以重复多次实验操作，使用效率高，尤其是对设备经费不足的学校更有益。应用于复习课效果更明显，即便条件好的学校也很少在复习课上重做实验，而软件学习平台可以随时进行实验操作，也可以把几个实验串联起来一起做。教师备课时，不用花费很多时间准备实验器材，节约了时间，减少了药品、器材、电等资源，减轻了教师的备课负担，降低了能耗。可以说它做到了“三省”，即省时、省力、省钱。三是智能性。利用动画可以培养学生的探究能力，能把教学过程与实验过程融合在一起，使二者成为不可分割的一部分。它是信息技术与学科课程有效整合的典范。四是便捷性。适合教师备课、演示、复习使用，课堂容量大，实验过程方便快捷。

可以说，初中理化生虚拟实验软件是解决现有实验器械不足和教学资源匮乏的最好方式。它加快了农村中学信息化建设和发展进程，提高了教师、学生的信息素养及学生的感知认识能力，促进了教师专业发展，培养了学生的学习能力，有利于农村教学质量的提高。当然，初中理化生虚拟实验软件也存在不足之处。例如：学生缺少亲自动手操作的体验，视频格式单一，限于单机使用，应用软件不恰当等。希望初中理化生虚拟实验软件不断完善和提高，更好地应用于教育教学中，成为理化生教师在教学中不可缺少的学习平台。

2.通用技术实验室的应用

通用技术实验是将无法完成课程目标要求的课堂教学变为虚拟现实技术、人工智能技术，主要涵盖“技术设计、技术试验、技术制作、技术探究”等功能。其中技术设计的主要作用是让学生针对技术问题进行多方案设计，培养学生的创造性思维和问题解决能力；技术试验的主要作用是让学生亲历技术试验过程，初步掌握测量、加工、安装、调试等简单的技术操作技能，形成初步的技术试验能力；技术制作的主要作用是为学生提供动手机会，经历技术方案的实现和物化的过程，促进学生动作技能的发展；技术探究的主要作用是培养学生的探究精神，提高学生的技术探究能力。智能机器人实验室是通用技术实验室的一部分，虚拟机器人的教学工作已经在长春市中学全面展开。

(1)什么是智能机器人实验室

所谓智能机器人实验室，是在学校建立的对学生开展机器人学习、活动的场所。智能机器人教育是培养创新精神和实践能力的重要途径。智能机器人技术应用了信息技术中的感测技术、传感技术、控制技术等，是信息技术课程和相关科技活动的良好载体。智能机器人是信息技术教学的最佳载体，为实施探究性学习，培养学生的创新精神和实践能力提供了良好的平台和发展空间。

(2)智能机器人实验室应用研究

目前，长春市中小学机器人实验室所采用的设备分为教学用机器人和比赛用机器人。教学用机器人，使学生掌握单片机和机械传动的基本知识，能设计与制作由单片机和传动机械等组成的简易自动控制机器或简单的自动控制系统。课程设置一般分为初级、中级、高级三个阶段。长春市教育局从2010年起，在全市几个区选择一些小学建起了智能机器人实验室，并装备了机器人设备，学校利用科技活动时间对学生进行机器人的搭建、组装培训。囿于小学生的认知水平，长春市目前开展的机器人教育仅限于搭建。这种机器人配备标准只适用于学生进行简单的操作，可以参加一些创意比赛，但不能参加更多的比赛项目。教学用智能机器人还包括虚拟机器人，虚拟机器人是打破传统教育模式的教育平台，它集虚拟机器人运行平台、机器人程序编辑平台于一身，兼顾不同水平层次的需求。用户通过机器人控制接口控制机器人的动作，将编写好程序的机器人放到赛场上和其他用户的机器人同台竞技，在比赛的过程中感受学习带来的快乐，并且在玩的过程中不断学习程序设计和机器人策略算法，在玩—学习—玩—学习的循环过程中不断提高自己的素养。

比赛用机器人包括各种大赛允许参加的厂家设计的机器人配件。吉林省每年都举办全省青少年机器人大赛，大赛中成绩优秀的队伍会推荐参加全国青少年机器人大赛。长春市每年都有队伍参赛，而且占吉林省参赛人数的40%以上。东北师大附中初中部、高中部，长春市第二实验中学，东北师大附属中学、第二附属小学，长春十一高中以及汽车区多所学校在全国青少年机器人竞赛中都取得过很好的成绩。对虚拟机器人比赛，我们主要组织了NOC大赛，长春市在历届大赛中成绩斐然。

三、结束语

随着教育信息化的推进，数字化实验室越来越得到广泛应用，但对其应用模式的探索是一项长期的系统工程。相信在国家及社会各界的广泛支持下，它的发展会更加迅速。