贵 州 师 范 学 院 陈秋松
成都师范学院教育科学学院 胡韬
贵 州 师 范 学 院 王平瑞
贵 州 师 范 学 院 任翠娟
摘要：数字化实验已经在基础理科教育中得到了广泛的开展，其重要性已经得到了广大教育工作者的认同，然而很多教育第一线的教师对数字化实验教学的过程掌握得并不是很熟练，无法有效地利用数字化实验提高教学效果。针对这一情况，文章将数字化实验教学过程对教师知识结构的需求做了简单的分析，力求为广大数字化实验教师群体进一步提高教学水平提供可行的建议。
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关键词 ：数字化实验；本体性知识；条件性知识
中图分类号：G632 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2014）21-0037-02
基金项目：本文系2011 年贵州省教育厅重点课改项目“高师理科专业教学论课程引入数字化实验教学体系的建立与内容研究”（编号：021811）的阶段性成果。
教育部于2006年和2010年颁布的“初中理科教学仪器配备标准”与“高中理科教学仪器配备标准”中均明确要求中学各理科实验室必须配备计算机数据采集处理系统，也就是数字化实验教学系统。由此可见，数字化实验已经受到政府的高度重视，而且已经在东部沿海发达地区大范围地开展，近年来西部地区也有部分条件较好的中学配置了数字化实验设备。然而，在数字化实验教学的实施过程中，部分教师因为对这种新式实验设备不够了解，缺乏相关的知识与技能，不能够有效地发挥数字化实验设备的优势，顺利地实施教学。部分教师存在对数字化实验认知不足，无法实现通过数字化实验提高教学效果的目的。
中学理科实验教学中的数字化实验是指借助传感器将力、热、光、点、PH值、气体浓度等多个目标测量量转变为模拟电信号，而后经过量表对比处理转变为与测量量对应的数字信号，进而由计算机对不同测量数据进行实时采集、后台分析处理、及时呈现的实验方法。因此，数字化实验在传统实验的基础上附加了以传感器为起点的实验操作步骤，要想顺利地实施数字化实验教学，实验教师对此过程需要有一个全方位的了解。为此，实验教师应该掌握一定的相关知识和技能，包括本体性知识、计算机多媒体知识、条件性知识。
一、本体性知识
本体性知识（Noumenal Knowledge）是教师从事学科教学的知识基础，为教师所拥有的某一具体学科的知识。根据数字化实验的基本内容，它的本体性知识包括学科本体性知识和传感器基本知识两大类。
1.学科本体性知识。具体的数字化实验教学必定有特定的内容和教学目的，因此，扎实的学科专业知识是传播教学内容、实现教学目的的必备条件，其重要性不言而喻。这里的学科专业知识也就是学科本体性知识，是每个教师自己从事的专业方向所特指的学科性知识体系，包括学科基础知识、学科性思想方法、学科史等，是教师开展教学传播过程的知识性基础。
实验教师必须对从事的学科知识体系有全面的理解，熟悉学科原有实验方法和原理，全面地总结其优缺点，发现其不足之处和可改进之处，针对这些缺点探索解决之道，判断是否需要采用数字化实验方法，以及如何通过数字化实验改进实验教学效果等。
2.传感器基本原理。传感器在数字化实验教学过程中扮演着重要的角色，传感器基本原理是教师所必须掌握的基础知识，否则无法顺利进行后续实验步骤。这里的传感器基本原理是指数字化实验中使用的各种传感器的基本工作原理。
数字化实验中传感器作为一种测量工具，主要有转换方式、响应时效、精度、量程四个基本属性。转换方式是指传感器中的敏感元件对测量物理量进行信号转换的方式，它决定了其他三个属性；响应时效是指当输入信号变化时，传感器输出信号随之变化的快慢，变化越快，时效越低，性能越好；精度又叫分辨力，是指传感器能感受到被测量量最小变化的能力；量程是指传感器所能感受的测量量变化范围。比如，测量温度是依靠测温物质的测温属性随温度的变化来实现；热敏电阻温度传感器是依靠在特定电压下，通过测温电阻的电流随温度的变化来测量温度。因此，要使用电阻温度传感器来测量温度，就必须让测温电阻与被测物体直接接触才能实现，同时热传递的时效性决定了传感器的响应时效。教师在进行实验教学设计时，必须根据传感器的四个基本属性和目标测量量选择合适的传感器，设定合适的参数，否则就无法达到实验目的。
二、计算机多媒体知识
由于数字化实验需要使用计算机来进行数据的采集、分析、呈现和存储，因此计算机的操作就成为了数字化实验的必备技能之一。
1.计算机基本知识。在进行数字化实验时，往往需要对采集到的数据进行量纲组合、变换、视觉呈现、文件保存等，因此，实验教师必须掌握一定的计算机基本知识。这里的计算机基本知识，是指计算机的硬件结构、运行原理、数据类型、存储方式等。这些知识的基本理念和运用方法全部包含在计算机程序语言之中。建议实验教师至少了解一门计算机语言，以便理解计算机程序运行方式，根据实际实验的具体内容和特点，设计数据采集和分析的步骤，甚至开发新的数字化实验。当采集到所需的数据后，时常需要将这些数据保存下来以便后续处理或者再次使用，这便需要借助传感器及其配套软件来实现。传感器的配套软件一般都提供数据的直接保存和通用格式导出功能。直接保存的数据文件通常只能由同一厂家设计的软件使用，其优点是能够通过配套软件还原为数据采集时的原始状态，教师甚至可以使用这个功能脱离传感器进行教学。缺点是通用型不好，其保存的数据文件不能用于各种通用的数据处理软件。导出功能则通常是将数据保存为逗号分割符文本文件或者数据表格文件，然后再使用Origin或者EXCEL等软件对数据进行分析处理，再根据处理所得的数据进行视觉化数据呈现。如此看来，具备扎实的计算机基本知识不仅可使数字化实验顺利进行，而且对提高实验数据的应用性有着重要的作用。
2.多媒体教学理论。多媒体教学系统是指以计算机为中心，集成多种视听设备，形成多种媒体信息共同作用于学生的教学软硬件系统。数字化实验教学一般在数字化实验室内进行，这类实验室通常都配置有投影仪、数码展台、音箱等多媒体教学设备，同时还为学生配备了联网的计算机。这样的条件为教师对学生进行多感官刺激，实现多方位的教学内容传播方式提供了必备的硬件资源，也就是说，数字化实验教学是在多媒体网络实验室中进行的。因此，数字化实验教学需要多媒体教学理论的指导，实验教师同样应该掌握多媒体教学技能。多媒体教学理论是关于以计算机为中心，将文字、图形、声音和视频图像等多种信息媒体共同应用于教学过程的相关知识理论。包括视听辅助教育理论、多媒体硬件构成知识和多媒体课件制作技术等。充分利用现代多媒体教育技术手段，可发挥计算机多媒体技术和互联网络技术优势，弥补实验室内有限条件的不足，能够取得更好的教学效果。
三、条件性知识
条件性知识是保障教师完成教育教学任务的重要条件，涵盖了教师进行教学时需要的心理学、教育学和教学法知识。林崇德认为，条件类知识是目前教师最为缺乏，却极为重要的一类知识。
1.心理学知识。学生的发展是中小学教育的目的和根本归宿，心理发展是学生发展的主要内容，促进学生心理发展是教学的重要任务。教师要通过教学来促进学生心理发展就必须了解学生的心理特点，遵循学生的心理发展规律。赫巴特早就指出，要把教学过程建立在心理学的基础之上。也只有建立在心理学基础之上的教学才是科学、有效的教学。对于实验教学来说，了解并遵循学生心理规律是成功、有效开展实验教学的必然要求。实验教师应该掌握基本的心理学知识和学生心理发展的特点及规律，也只有具备了这些心理学知识和实验教师才能针对实验教学中的具体问题，科学地分析学生的学习心理，并采取科学的教学措施。实验教师的心理学知识除了学生身心发展知识外，还应包括学生习学心理知识和教师教学心理知识。学生身心发展知识主要是关于学生发展的一般特点和规律的知识，学生学习心理知识是关于学生在学习过程中的心理特点和规律的知识。具体到数字化实验中，就是要掌握数字化实验教学实质上是引起学生发展哪些变化，如何以学习理论为指导来改进数字化实验教学，促进学生更好地发展等方面的知识。教师教学心理知识包括教学设计心理和教学过程中教师心理与学生心理的交互影响等。具体到数字化实验中，就是要学会根据数字化实验教学的特点和教学设计的心理过程，科学设计数字化实验；要学会切实分析数字化实验教学中师生可能产生的心理现象和心理相互作用，科学地组织数字化实验。
2.教育学和教学法知识。教育学是研究教育问题，揭示教育规律的科学，它包括宏观教育和微观教育教学的理论和实践原则。教学法则更多的关注如何教学，如何通过具体的实际教学促进学生发展。教育学知识有利于帮助教师树立正确的教育理念，更新教育观，提高教育理论修养，倡导教师用科学的、与时俱进的教育思想指导教育教学行为。教学法本身是教育学学科研究的内容，但教学法更集中地关注实践中的教育教学行为，正因为如此，教学法知识对实验教师有着更为直接的指导意义。对于中小学教师，主要应掌握普通教育学知识，具体包括：从宏观上掌握教育与社会及个人的关系，树立正确的教育理念；掌握教育过程中的主要环节及其规律；掌握主要的教育内容及其特点；掌握教育教学的基本原则；掌握教育条件、教育措施、教育环境等因素的特点、运用与改进。数字化实验有了这些教育理论的指导，将会大大增强其有效性和育人性。教学法知识是教育学中关于教学的规律、原理、方法、原则等的具体化，主要涉及到如何教、如何提高教学质量与效率等内容。数字化实验教师要结合数字化实验的特点，学习和研究提高数字化实验教学效果和效率的实验教学方法。
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（编辑：杨迪）