中央电化教育馆“十一五”全国教育技术研究重点课题
“中学理科数字化实验的理论与实践的研究”
课题开题报告
一．课题提出的背景与现状：
自从1993年美国政府制定NII国家信息基础设施行动纲领以来，“信息高速公路”建设热潮已在全球兴起，我国政府也充分认识到信息技术对21世纪我国未来社会发展的重要性，积极规划国家高速信息网。目前Internet 网在中国的四大国家骨干网均已向公众提供服务，网络化正成为一种必然趋势。我国教育部决定从2001起用5到10年的时间在全国中小学基本普及信息技术教育，全面实施“校校通”工程。我省在2002年的全省教育工作会议中提出：加强教育信息化建设，进一步开发和应用多媒体教学课件和网上教育资源，推进信息技术在教育教学中的应用；加强学校信息网络管理，创造文明健康、积极向上的网络环境，建成覆盖全省、结构合理并能与省内其它大型计算机互联网络互联互通的高速省域主干网。在此环境的推动，大部分学校都相应配置了网络设施，积累了网络资源。
目前，部分学校均已建成了校园网，购置了计算机、投影仪、教育教学软件，建设了数字图书馆、电子阅览室、多媒体计算机机房等网络资源，随着新的课程标准的推出，学生探究式学习的思想被社会所了解。探究式学习的重要手段之一就是让学生去自主实践。但由于目前大多数学校拥有的常规化实验体系并不能很好的适应学生自主实践的需求，所以必然要有一种新的实验体系来弥补目前的不足。正是在这种市场需求的推动下，数字化实验室应运而生，其核心目标是给广大中学提供一种学生自主实践的有效环境和方案，是在新课标基础上，填补学校课堂教学和常规实验中的真空环节。数字化实验室包含有理、化、生三个学科，系统以虚拟仿真软件、基于传感器技术的数据采集处理系统、实验考核专用软件及管理平台等部分组成。
目前，已有多个厂家生产数字化实验室系统，如：山东远大网络多媒体责任公司的“朗威”数字化信息系统实验室，广州好雨教育科技有限公司的探世界综合理科实验系统，金华科技软件有限公司的金华科数字化实验室系统等。尽管部分厂家在开发数字化实验系统时听取了中学教学行家的意见，但总体上讲，目前市场的数字化实验室系统尚存在不少问题，各个厂家的产品也各有其优缺点，许多地方还有待进一步改进。已经使用数字化实验系统的学校也处在探索阶段，对于数字化实验系统的“开放性”认识还不够，其强大的功能还未得到真正意义上的开发。
二．数字化实验室的概念界定
数字化实验室是利用多媒体信息技术辅助中学物理实验教学的一整套新型数字化教学设备。主要包括数据采集器、多种教学专用传感器以及配套使用的通用和专用软件数字化实验室是一个开放性的实验平台，将传感器和计算机组成多功能的测量系统，能够独立地或者与传统的仪器结合起来进行实验，快速高精度地实时采集数据，自动记录和分析处理。它能够完成教师和学生自行设计的许多实验，以及用传统仪器做不成或做不好的实验。它配合校园网、局域网，可以实现理科实验教学的师生互动学习。它配合相应的实验评测系统，可以实现理科实验的考试、评价和诊断。
具体说来：
1．符合中学理科新教材，新教材配套实验室的核心单元。
2．把计算机信息技术完全的融入到理科教学中。
教学改革的目标是培养学生的能力。因此，如何进行有效的采集信息、如何处理信息、如何将自己的科研成果表达出来的完整的信息处理能力非常重要。而以传感器为主的数字化实验系统的引入，正是把握了信息处理的三个环节，可以大大提高学生综合信息处理的能力，更好地实现信息技术与学科教学的整合。
3．更加宽阔的实验领域，更有利于探究学习，培养学生的创新能力。
传感技术与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接触到的微观世界，分析微弱信号和信号瞬间变化，探索真理的存在依据。
三．本课题所要解决的主要问题：
根据对当前数字化实验系统的现状分析，本课题就主要解决以下几个问题：
1．根据我校实际情况选择最适合我校的数字化实验系统。
2．根据我校在实际使用过程中碰到问题与厂方充分交流，对现有数字化实验系统的构建模式与使用平台提出修改与完善意见，使数字化系统逐步走向成熟。
3．完成对我校所有理、化、生教师有关数字化实验室系统的培训，使他们不仅能熟练掌握数字化实验系统使用，而且能该对平台的功能进一步开发。
4．形成一套具有学校特色的“数字化环境下理科开放性实验”的教材，并尽可能向其他学校推广。
5．对在新课程背景下，使用数字化实验系统对培养学生自主学习能力、动手能力、创新能力等全面素质培养所取得的作用展开调研，进一步明确数字化实验系统在中学理科教学中的功能定位。
四．课题研究的实践意义与理论价值：
1．数字化实验系统进入中学理科教学，既是信息化社会的需要，也是新一轮课程改革理念的主要体现。二十一世纪社会是高度信息化的社会，不懂信息技术的人将成为“文盲”，不会终身习的人也将沦为平庸。新一轮基础教育课程改革，其具体目标主要有：改变过于注重知识传授的倾响，强调形成积极主动的学习态度，使获得基础知识与基础技能的过程同时成为学会学习和形成正确价值观的过程，要改变过于强调接受学习、死记硬背、机械训练的现状，倡导学生主动参与、乐于探究、勤于动手，培养学生搜集和处理信息的能力、获取知识的能力、分析和解决问题的能力以及交流与合作的能力。新一轮基础教育课程改革的重要目标是改变教师的教学行为方式和学生的学习方式，更好地提高教学效率，全面促进学生素质发展，这就要求我们把有效利用网络资源的研究提到议事日程。
2．数字化实验系统目前尚未在各个学校普及，目前配有数字化实验系统只是一些发达地区的重点中学，这些尽管具有一定的典型性，但并不具有代表性，对于数字化实验系统的进一步开发尚处于初级阶段，未能形成完整体系。各个生产厂家所开发的产品也均以参照国外经验为主，相互之间比较独立，尚未形成完善的系统，部分厂家所配置的系统资源利用效率不高，价位也较高，成为数字化实验系统的普及的瓶颈。这就需要对数字化实验系统的配置设计以及高效使用作一定的系统研究，尤其对该系统功能的进一步开发作一定的探索，本课题的研究正是着眼于上述问题而展开，一方面力足于我校实际情况寻找最佳方案，另一方面也探索具有普通意义的最优化设计方案，精心编制相关通用教材，并希望对其他兄弟学校具有一定的指导意义。
3．本课题的研究有以下创新之处
（1）提出有利于数字化实验系统普及的设计方案，重点在于降低成本，提高效益。
（2）针对现有的数字化实验系统的数据处理平台使用不够方便、快捷的情况加以改进，使其更加“友好”。
（3）对数字化实验系统的功能进一步开发，使其能在演示实验、分组实验发挥其强大功能，甚至要做到让实验以研究性学习的形式走出课堂，进入生活实际领域。
（4）编制比较全面系统的数字化实验校本教材。
五．本课题研究的主要内容：
1．中学数字化理科开放性实验室的功能定位。
主要研究数字化理科开放性实验室，对培养中学生自主学习能力、信息、搜集和处理 能力、交流合作能力和创新能力的价值，明确数字化实验室在理、化、生学科教学中的地位。
2．中学数字化理科开放性实验室的最优化配置。
根据目前市场上的各厂家数字化实验室的特点，结合学校的财力，合理配置我校的数字化实验室，并对部分不够完整与方便的实验进行添加与改进，完成“二次开发”。
3．数字化实验系统的开放性与功能最大化研究。
对比数字化实验与传统实验的优缺点，结合理、化、生教学的实际，充分发挥数字化实验的强大功能，并以研究性学习为突破口，挖掘数字化实验的开放性，尽可能使其与其他领域的教学相结合。
4．数字化理科实验的系列教材编制。根据数字化实验室配置情况，结合新教材和新课程标准，编写一套具有校本特色的理、化、生数字化实验系列教材，可以让教师与学生共同使用。
5．数字化实验系统数据处理平台的优化设计。在认真学习目前的数字化实验系统数据平台的功能与使用方法的基础上，结合在使用过程中发现的问题，对数据处理平台加以改进或重新编制相关软件，对于技术要求较高的问题可以提出修改方案，会同厂家和有关专家共同解决。
六．本课题的研究思路与方法
本课题研究本着学校教科研源于教学实际并服务于教学实践的宗旨，在数字化理科开放性实验的配置与使用中发现问题，解决问题，并形成校本化的数字化化实验系统最优化配置方案，数字化实验系列教材，对现有数字化实验数据平台升级与完善，尤其对数字化实验系统的功能的进一步开发作深入的研究，使其在新一轮的课程改革中充分发挥其开放性的特点，让实验走出教室，走入研究性学习领域等等。
本课题所主要采用的研究方法是文献资料法、行动研究法、比较分析法、调查法、个案研究法和经验总结法等，针对不同的阶段，不同的研究内容灵活使用。
1．文献资料法：通过查询国内外有关中学理科数字化实验研究的相关文献资料和数据，为本课题的开展提供理论支撑和事实依据。
2．行动研究法：在相关理论的指导下，积极开展中学理科数字化实验研究的实践，并加以观察研究，探寻有关数字化实验的操作程序及其规律。
3．比较分析法：将中学理科常规实验与数字化实验的教学方法、教学过程、教学效果等进行比较研究，寻找数字化实验研究的方法和途径。
4．调查法：针对在中学理科数字化实验中的学生的学习行为、教师的教育行为等方面，展开多种形式的调查，获得相关数据。
5．个案研究法：本课题研究以江苏省海门中学为主要样本，对江苏省海门中学的理科数字化实验作为研究对象，由点到面，分类研究，概括一般。
6．经验总结法：这是最后阶段所采用的主要方法，对课题研究的事实和经验采取回溯研究和追因研究，以揭示其规律性的东西。
七．本课题的研究成员及分工职责
1．总课题组成员及分工：
成锦平：全面主持课题的运作与管理。
黄 晏：协助主持人做好课题的运作与管理，协助主持撰写开题和结题报告。
岑彭新：负责课题研究的变量控制与分析
施永华：负责课题的台帐记录及师资培训。
陈 洪：负责课题研究所需设备的配置及维护与管理。
张 森：负责数字化开放性实验系统教材（物理分册）的编写
陈剑秋：负责数字化开放性实验系统教材（化学分册）的编写
王丽萍：负责数字化开放性实验系统教材（生物分册）的编写
杨妙新：负责课题的资料收集及文稿管理
2．总课题组成员直接承担子课题项目及各自成员
子课题1：数字化开放性实验的理论研究
成员：黄晏、施永华、杨妙新
子课题2：数字化开放性实验系统软件平台的优化研究
成员：陈洪、刘晓峰、杨小刚
子课题3：数字化开放性实验对中学生素质发展的影响研究
成员：岑彭新、陆洪飞、毛晓华
子课题4：数字化开放性实验系列教材（物理分册）的编写
成员：张森、顾靖峰、黄芳琳、王鑫
子课题5：数字化开放性实验系列教材（化学分册）的编写
成员：陈剑秋、董金水、张盛、施红专
子课题6：数字化开放性实验系列教材（生物分册）的编写
成员：王丽萍、姜云祥、朱新菊、徐美玉
注：（1）每个子课题的第一位教师为该子课题负责人。
（2）如果确有必要，可以增加子课题的项目。
八．本题课研究的时间安排及预期成果
1．时间安排
2006年4月～2007年3月 开课论证阶段
2007年4月～2008年12月 课题研究的具体实施阶段
2009年1月～2009年6月 各子课题成果总结阶段
2009年7月～2009年12月 总课题成果汇总，结题阶段
2．预期成果
主 要 阶 段 性 成 果
序号
研究阶段
（起止时间）
阶 段 成 果 名 称
成果形式
负责人
1
2006.9—2007.3
我校学生信息技术现状分析与技术培训
分析报告
岑彭新
2
2007.1～2007.6
现有数字化实验室数据处理平台优缺点
分析报告
陈 洪
3
2007.7～2007.12
数字化实验的方案设计
方案
施永华
4
2008.1～2008.9
数学化实验室的拓展研究
研究报告
黄