本章教学目标
1.知道实验教学研究的途径与方法。
2.知道DIS Lab的含义、特点以及在科学实验教学中的应用。
3.知道V形图的构成并应用于科学实验教学中。
4.设计综合性科学教学实验。
科学实验是从生产实践中分离出来并逐渐发展成熟的一种特殊的社会实践活动，并成为科学研究的基本手段和科学发展的基础。在科学教学中，科学实验教学是其重要组成部分。随着科学教育的发展，当前科学实验教学研究也出现了不少新途径、新方法和新取向。
第一节 科学实验教学研究的途径与方式
随着科学教学研究的进展，科学实验教学研究也出现了很多的新成果、新途径、新方法。
一、科学实验教学研究的途径
实验改进与创新的途径有多种，但主要有以下几种：改进现有实验、开发突破重点与难点实验、开发低成本实验、开发玩具的教学功能、开发游戏活动。
（一）改进现有实验
充分利用实验室现有的实验条件，对某些不太理想的实验加以改进，以期达到更好的实验效果。这是实验改进中最基础的工作。
如静电计的改进：静电计是静电实验常用的仪器之一，但实验时往往由于漏电导致效果不够理想，其漏电的主要原因有两个，一是发生在绝缘子上，二是由于指针与外壳之间的放电。为了防止漏电，可采取一些改进的措施。防止绝缘子漏电的最简单的解决办法是在绝缘子与外壳间垫上几层食品袋，绝缘子表面要保持干净，并且尽量不要用手触摸。防止指针与外壳之间的放电方法是在外壳内侧粘一层绝缘层。这样，通过改进，静电计漏电的现象得到了有效的改善。
（二）开发突破重点与难点实验
现成的实验装置往往不能满足教学的需要，课本上还有许多内容没有现成的仪器配备。实践证明，缺少必要的实验手段，学生将缺少感性认识，不利于模型的建立，不利于过程的想象。一个成功的实验可以减少许多烦琐的叙述，往往能起到“千言万语道不清，一看实验便分明”的奇效。因此，教师要注重开发短缺实验，尤其要注重对重点与难点实验教学内容的开发。
如对于呼吸形成的原因，光靠讲学生是很难理解的，制作一个呼吸模型，可以让学生轻松愉快地接受并理解。首先，把一只大口塑料瓶的盖子拿去，让它作为胸腔的轮廓，在瓶底用剪刀钻一个小孔，让吸管能够通过即可，这样可以使吸管与瓶子之间没有空隙，否则会影响实验的结果。接着把一个小气球反复吹几次，目的是使它容易被张开。把这个小气球用细线固定在吸管的一端，然后从塑料瓶的口内进入，让吸管从底部的小孔钻出。这个小气球就是肺的模型。然后取另一只较大的气球，也反复吹大几次后，把上面的口剪掉，剩余部分套在塑料瓶的瓶口（如图7‐1‐2所示），让它相当于胸腔底部的横膈膜。一个简易的呼吸模型就制作完成了。用一只手拿着瓶子，用另一只手往上推底部的横膈膜，这时你会看到由于瓶内气压增大，小气球就会被压缩（如图7‐1‐3所示），此时相当于呼气状态，也就是横膈膜向上拱起，肋骨下降，使胸腔容积变小，把肺内气体压出体外。然后放开手，让横膈膜回到原来的状态，外界空气进入小气球使它又张开，相当于吸气状态。反复操作，就可以模拟我们的呼吸运动。
（三）开发低成本实验
“瓶瓶罐罐当仪器，拼拼凑凑做实验”。在研究设计与改进实验时，注重因陋就简、就地取材、废物利用，以最低的成本，达到最好的实验效果，这些低成本实验不仅仅是为了节约开支，更重要的作用是能激发学生的学习兴趣和创造性思维。这类实验往往能起到化腐朽为神奇的功效。
如摩擦力的较量实验：实验1——将一把尺水平用你双手的各一个手指托着，缓慢地移动两手指，它们将总是恰好在尺的中心相遇，若是一根质量不均匀的杆，则你的两手指将总是在杆的重心位置相遇。实验2——用一根绳，在绳上系两个一大一小松开的结，缓慢地拉绳的两端，两结将同时被拉紧而无先后之分。有一根均匀的木条，甲、乙两人用手指各托其一端分别向两边拉（假定两人手指与木条的摩擦因数相同），一边高，一边低，看谁能获胜。学生在实验中会发现以下问题：在实验1中，为何两手指总是在杆的重心处相遇？在实验2中，为何两结总是同时被收紧？在实验3中，为何总是位置低的一方获胜？在寻求解决问题的过程中，学生得到了能力的培养。
（四）开发玩具的教学功能
许多玩具不仅现象奇特，好玩有趣，且具有丰富的科技含量，如果在教学中引入这类玩具，开发出这类玩具的教学功能，往往能极大地激发学生的学习兴趣，产生很好的教学效果。
如“迟疑”的沙漏：在一直径约5cm、长约35cm 的玻璃圆柱体的容器中，封有水和一沙漏。沙漏的平均密度略小于水，故恰能在水中漂浮。沙漏稳定平衡时处于漂浮状态，且沙子均在下面的玻璃泡中。现将容器颠倒，沙漏也同时被颠倒并处在容器底部。
使人困惑的是沙漏并不立即上浮，而是在水底“迟疑”一分钟左右才上升。为什么沙漏并不马上上浮，而是在水底“迟疑”一分钟左右才上浮？强烈的好奇心往往能驱使学生对此问题进行热烈的讨论，在不断的质疑中使问题得以解决，并共同享受运用科学知识解决问题所带来的快乐！
（五）开发游戏活动
心理学家弗洛伊德指出：“游戏是由愉快原则促进的，它是满足的源泉。”在游戏活动中，不仅能让学生感到身心愉悦，而且能增强学生的协作与交流。如果能开发一些科学游戏活动，则能让学生在快乐中学习，并往往能起到终身难忘的效果。
如以一对八的拔河赛：将一根绳系在左杆的A 点，再绕在两根杆上，然后让4位学生抓住左杆，4位学生抓住右杆，1位学生拉住绳的另一端。前8位学生奋力拉杆，将使杆分离，而拉绳的这位学生用力拉绳将使两杆合拢，当他们同时用力时，杆究竟是分离还是合拢？这似乎是一个很不公平的比赛，力量是如此的悬殊，然而事实却令人不可思议，两根杆竟然被那1位学生拉拢了，8个人竟然拉不过1个人！ 8位学生不服气，再试一次，却屡试屡败，这究竟是为什么？好奇心将使学生产生强烈的求知欲。
二、科学实验教学研究的方式
一项实验，包含实验目的、实验原理、实验器材、实验设计等基本环节。我们可以通过改变其中某个或某几个环节，使实验取得新的教学效果。
（一）改变实验目的
实验是人们为了检验理论、发现问题、解决问题而进行的有目的的创造性的实践活动。
每个实验都有一定的实验目的，利用一定的实验器材，往往可完成多个不同目的的实验。
如：一把塑料尺，我们既可以用来划直线、测长度，也能被用作杠杆，还可以用来做摩擦生电的实验，代替绝缘棒做静电实验，做光的折射实验等。一只可乐瓶，本来是用来装饮料的，但我们可以用来做水火箭实验、气体膨胀对外做功温度降低实验、大气压强实验、压强与水深的关系实验、摩擦生电实验、帕斯卡实验、水透镜实验等。
熟练利用现有器材进行不同的实验，这是教师应具备的实验能力。教师也可以利用相同的器材，让学生自行设计不同目的的实验方案进行实验，以培养学生的发散思维能力。
（二）改变实验原理
每一个实验都有其依据的实验原理。为达到同一实验目的，可依据不同的实验原理进行实验。常见的有依据不同的原理测出同一个量、观察到同一实验现象或得到相同的实验结果。在教学中常用多个实验从不同角度、不同侧面进行同一教学内容的教学，通过分析和推理建立概念或导出规律。多个实验组合能产生异曲同工的效果，更具说服力。若在教学中能启发学生采用不同的方案进行实验，能很好地训练学生的思维能力。
如“微小形变”实验：用瓶子演示微小形变是最常用的一种方法，该实验用玻璃细管中的液柱放大微小形变。我们也可以采用如图7‐1‐8中乙所示的方法，将两面平面镜放在坚硬的板上，激光笔用铁夹子夹住置于两平面镜之间，激光笔发出的光经两平面镜反射后照射到天花板上。演示时用手压板，观察天花板上的光点，光点移动便说明了板已形变。乙实验是用光杠杆放大微小形变。以上两种方法从不同的角度反映了物体的微小形变，能加深学生对微小形变的认识。
（三）改变实验器材
相同的实验可采用不同的器材进行。一般会根据材料特性如何、是否价廉以及取材是否方便来选择。尤其值得提倡的是，利用随手可得的废料进行实验。
如“覆杯实验”：一般的做法是在杯中装满水，然后用纸片盖住杯口，并用手压着纸片，将杯倒转，使杯口朝下，然后将手轻轻移开。纸片纹丝不动地盖住杯口，而且水也未流出来。
此实验能很好地说明大气压的作用。我们可以将实验稍加改进，方法是将杯子改成大瓶子，并在纸片上用大头针刺许多的小孔，演示方法同上。一张带孔的小纸片竟能托住一大瓶的水，改进后的实验能给学生带来更多的惊讶！
（四）改变实验设计
相同的实验目的与原理，我们也可以有不同的设计方案，通过改进实验设计方案，使实验取得更好的教学效果。
如“晴雨计”。晴雨计是一个能粗略预报天气的小机器。以下是用两种不同的方法制作的晴雨计。
方法一：毛发晴雨计。把头发放入酒精或洗洁精稀释液中，去除油污；把易拉罐拉环剪成指针，把环套在铁钉上，把头发的一端系在指针中部，另一端系在另一个铁钉上；如图7‐1‐9所示，在木板上定出指针的孔位，并以孔位为圆心、略大于指针长度为半径画一小段圆弧，弧上端写上“晴”，下端写上“雨”；按图7‐1‐9所示，用一枚细铁钉穿入指针孔位，并钉在“圆心”上作为指针的活动支点，另一枚细铁钉系上头发的另一端钉在木板的中上部，具体位置视气候情况而定，若安装时遇上大晴天，指针应调整在“晴天”处，反之指向“雨天”。这样，头发晴雨计就做成了。
方法二：松果晴雨计。先用木板的呈L 形的底座。将松果的蒂部用木锉刀锉平整，再用木砂纸打磨一下。用吸管或竹签做一根指针，末端粘上一个用塑料纸或白卡纸剪成的箭头。在松果下部选择一片位置合适的鳞片，把做好的指针用百得胶粘在鳞片上，然后调整松果在底板上的位置，使指针的摆幅与背景板相对应，这时用百得胶粘牢松果。等晴好的日子标定指针位置，把指针在潮湿的阴雨天的位置也标定下来，分别标上“晴”和“雨”，松果晴雨计就做好了。把它放在通风处，就能预报天气变化。
两种晴雨计的设计方法不同，但实验目的相同，毛发晴雨计是利用了头发受潮时会伸长干燥时会缩短的特性，松果晴雨计利用的是松果上鳞片木质纤维受潮时会伸长干燥时会缩短的特性，两者的基本原理也是相同的。
第二节 DIS在科学实验教学研究中的应用
一、DIS Lab的含义、特点与发展
数字化实验系统的引入，将改变传统科学课堂教学的模式，为教师和学生的发展带来新的理念和领域，它能够实现数据采集、处理、描述的同步进行。
1.DIS Lab的含义
DIS是英文Digital Information System的缩写，是数字化信息系统实验室的简称。DIS安装有传感器、数据采集器和计算机（安装了实验软件包），三者共同构成了数据采集的数字化和自动化、数据处理和数据分析的智能化的现代化实验教学平台，使实验室装备获得了数字化接口，可以有力地支持信息技术与科学实验教学的全面整合，如图7‐2‐1所示为使用DIS Lab研究通电螺线管磁场分布。
2.DIS Lab的特点
DIS Lab具有以下四个最基本的特点：实时。数据变化过程与实验过程同步，可实现数据的实时采集和实时处理，而且能同时采集多个相同或不同种类的数据。准确。通过传感器直接记录所观测实验数据，时间精度可以达到0．1ms，其他实验数据可以精确到0．4%。直观。DIS Lab可以在计算机屏幕窗口按照数字、指针、示波三种形式动态实时地显示实验的变化过程。使用者可以选择自己喜欢的一种显示方式，查看某一时刻、某一段时间或整个过程的实验数据。如图7‐2‐2所示，把电脑及运动感应器连接至数据收集器，站在感应器前，手持垂直的金属板，然后慢慢向后移动，这时在计算机上通过软件就可显示如图金属板的位移-时间图线及速度-时间图线。高效。DIS Lab除了可以实时采集实验数据外，安装有实验软件包的计算机能够对所获得的数据进行快速分析和处理，并显示出变量之间的图形关系。
