图形计算器对高中学生在户外科技活动中研究能力培养的应用研究
南洋中学陆赵华
摘要
高中学生在户外科技活动中运用图形计算器，是运用现代信息技术进行学习的一种手段。本文通过对国内外研究状况的分析，认为图形计算器对高中学生在户外科技活动中有更大的施展空间。其目标在于我们探究如何用图形计算器进行户外科技创新实验，并培养自己在科学研究中的创新能力与创新精神。因此结合学校科技教育的特点，从校园科技景点的开发和研究性学习的拓展等方面开展了用用图形计算器对高中学生在户外科技活动中的研究。同时提出研究中的应充分注意的几个问题，最后通过反思认识到图形计算器系统不仅能将一些复杂实验简化，能够完成以往条件下较难完成的实验。同时图形计算器等数字化信息系统实际上是一个载体，它能解决的不仅仅是实验的难点，更重要的是学生认知能力和创新能力培养上的难点。
一、课题研究的目的、意义
高中科技创新实验是以基础教育为依托，由科学教育和技术教育协同相结合，以培养和训练学生具有创新态度、科学创新精神、科学价值观、创新的知识和方法、创新实践能力为目的，全面提高学生科学素养，使他们懂得科学、技术和社会如何相互影响以及如何运用科学技术来解决社会问题的一种教育活动。
当今世界，科学的进步，技术的发展，带动着人类社会不断进步和飞速发展，在学校教育连接科学、技术、社会的中心纽带中，课程的作用是巨大的。对高中科技创新实验的探索是实施创新教育的必然，是推进素质教育的需要。在这个思想下，我们高一对科技活动感兴趣的学生，通过学校老师的指导，结合学校科技教育的特点，用图形计算器开展高中学生在户外科技创新实验的研究。其目标在于我们探究如何用“数字化信息系统”进行科技创新实验，并培养自己在科学研究中的创新能力与创新精神。
二、图形计算器实验系统仪器的介绍
图形计算器实验系统是一种由传感器、数据采集器与图形计算器组合起来，共同完成对物理量测量的装置。
[主要器件]
（1）传感器。常用的有力、运动、温度、光、电压、电流等物理传感器。
（2）数据采集器。它要与传感器结合才能进行测量，它采集的数据可以数字形式显示在屏上，也可运用图形计算器转换成图像。
（3）图形计算器，它类似于我们常用的计算器，所不同的是它有一个大尺寸的液晶显示屏，不但能显示运算结果，还能将结果显示为函数图像。
[测量系统框图]
研究对象-----传感器→数据采集器→图形计算器
这种装置的特点是器件轻小、便于携带，在野外也能使用。
图形计算器是用传感器获取信息，经数据采集器由计算机对信息进行数据和图形处理的数学技术平台，是为实现理科教学和信息技术整合而开发的，它是运用现代信息技术进行学习的一种手段。在科学实验中有许多物理量，如距离、位移、力、速度、温度、压强、电压、电流、、湿度、甚至二氧化碳、氧气浓度、化学PH植等，都可以用这类仪器进行测量。
在国外发达国家，己在中学配备这类实验仪器，并且主要应用于户外科技教学研究活动和家庭实验，实验仪器均是由世界非常著名大公司生产，例美国德州仪器公司、TI公司、日本CAISO公司和韩国的MBL等，发展和升级过程也非常惊人，据了解目前的产品己能直接与家用笔记本电脑相连，传输速度一下子提高了数百倍，完全进入实用阶段。据统计，采用DIS实验系统，使用者在实验准备上花费时间占实验时间的比率从49%降到了40%，用于数据处理的时间则从45%降到了3%，而用于探索研究的时间则从6%增长到了57%。
目前，国内也有多家厂商在开发与推销这类实验仪器，如宁波GQY的DAS和山东远大的DIS等，综合上海目前实践情况分析来看，图形计算器用于课堂实验教学亮点将会十分突出，但图形计算器在户外科学创新实验中有更大的施展空间。
三、户外科技创新实验开发与实践的理论指导
我们以建构主义学习理论和发现式学习理论为依据，根据科技创新实验的特点，总结出了合作教学探究教学方法。
所谓合作探究教学方法，是以科技活动为载体，师生、生生合作为中介，共同探究为方法来提高教学效益的教学法。
在户外科技活动中，我们仍以课程为依托，最大限度的让师生、生生合作并采用建构主义学习理论为指导，使每个学生都能动起来，主动学习并在实践中进行知识的意义建构。这个教学方法使学生处于宽松和谐的活动氛围中，主动参与学习，共同探究各自的同一学习问题解决的方法和过程，培养了良好的合作意识，激发起全体学生的探究欲望。其教学活动策略为：（1）提供探究的问题。教师在提供学生探究的学习问题时，最好选用或设计带有悬念的、疑难的，可多种方法解决的具体问题，以激发全体学生探究的兴趣。（2）组成合作的伙伴。合作伙伴可以是自由的，也可以是按学生座位自然产生的。必须指出的是：合作伙伴不宜一直固定，应不断变化，使不同学生间合作产生不同的“主、从”关系，并体验不同的解决问题思维策略，产生不同的合作乐趣。（3）展开探讨和研究。教师以合作伙伴为小组，统一或分别提供探究的问题或背景，充分发挥主体主观能动性，群策群力，相互启发，相互探讨，共同研究，使学生之间的思维碰撞燃起智慧的火花，并解决学习上的问题，得出正确的结果或结论。（4）共同验证结论。要求学生对问题解决的结果、得到的结论进行相互验证，可采用不同形式进行：各合作伙伴之间相互验证；各合作伙伴与教师之间进行验证；各合作伙伴对不同结果或结论做解释。验证形式可以不同，但验证过程不可缺少。
四、户外科技创新实验研究的主要内容
我校户外科技创新实验的研究一方面是校园科技景点的开发，并利用这些科技景点对学生的科技教育形成辐射作用进行基础性和探究性教学。如在学习共振时，在院士大厅里的“共鸣箱”引起了师生的更多的关注，我们用声波传感器测量各种声波的频率；又如结合学校新能源特色，用宁波GQY的电流、电压和光强传感器来研究光强与太阳能电池输出电压、电流的关系等。
另一方面是研究性学习的拓展。首先，编撰校本课程教材，学生通过学习图形处理系统创新实验课程，开发了许多有价值的创新实验作品和有价值的研究论文。如：快乐的动物表演、院士大厅的灯光设计、火箭发射控制系统、水果电池研究等。其次开展学生研究性自主活动，如用温度传感探头，开展同体积冷、热水结冰先后的探究；用光强传感器测量教室各个区域光强；用二氧化碳探头、氧气探头、温度探头、湿度探头探究冰箱对食物的保鲜作用；另外还有教室中温度、湿度、氧气和二氧化碳的变化情况的研究、温室效应的研究等。最后，在学校大型主题活动中，我们也应用了数字化信息系统，如高一、二年级学生赴南京、绍兴的考察活动中，学生利用卡西欧图形计算器等高科技仪器进行了南京野外考察、绍兴回音壁实验等研究活动……
五、户外科技创新实验研究中的应充分注意的几个问题
1、创新实验内容的选材要贴近社会，源于社会，用于实践。
创新实验是一门实践性很强的课程，为了让学生对创新课程感兴趣，真正培养创新型的人，课程内容的选择一定要及时补充最新的知识和技术，要紧紧联系社会，联系实践，让学生在社会中成长，在实践中发展。
2、教学过程中要放开手脚开展学生实验活动，提供学生发表自己见解的机会。
创新实验课程强调活动气氛的宽松民主，主要是为学生创造一个良好的创新环境，在活动中，让学生充分发挥自己的主观能动性显得很关键。所以要在设计中放开手脚让学生开展活动和合作学习的活动，让学生有充分的自由发表见解，并获得成功感。
3、要充分发挥教师在教学中的作用，正确处理师生关系。
以教师为主导，学生为主体，尤其突出了“以学论教，学教结合”，寻求接受式学习和探究式学习的最优组合。教师在创新实验课程中是一个赋有特殊使命的教学过程的参与者和组织者。
六、分析与思考
通过用图形计算器对高中学生在户外科技活动中的研究，我们认识到图形计算器等数字化信息系统不仅能将一些复杂实验简化，能够完成以往条件下较难完成的实验。同时它实际上是一个载体，能解决的不仅仅是实验的难点，更重要的是学生认知能力和创新能力培养上的难点。因为，在学习过程中，我们学生通过观察已经获得一些规律性的东西，也就有了验证这些规律的渴望，而在传统的实验中，由于条件的限制或者知识的不全面，我们“求证”往往不能得到满足，图形计算器等数字化信息系统正是为我们提供了“求证”的条件。科学家需要两种品质：一种是创新，即对未知领域的探索和思考，图形计算器简化了实验工序，为创新提供了足够的空间；另一种是钻研，即对结论的步步求证直至获得真理，而图形计算器系统则为这个过程提供了载体。这是用图形计算器对高中学生在户外科技活动中的根本。