徐睿

摘要：針對中小學(xué)全面深化課程改革背景下對教學(xué)環(huán)境的新需求，提出創(chuàng)新實驗室的概念。并從建設(shè)理念、區(qū)域劃分、設(shè)計要素、全局規(guī)劃、課程建設(shè)等角度介紹綜合實驗室建設(shè)的研究成果。

關(guān)鍵詞：綜合實驗室；教學(xué)環(huán)境；教育綜合改革

文章編號：1005–6629（2017）6–0023–06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1 問題的提出

1.1 全面深化課程改革面臨的挑戰(zhàn)

適應(yīng)經(jīng)濟全球化的發(fā)展、整合信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、發(fā)揮各學(xué)科的綜合育人功能、營造良好的育人環(huán)境已經(jīng)成為深化課程改革所必須解決的問題。

作為全國深化考試招生制度改革的試點地區(qū)，上海市和浙江省分別發(fā)布了招生制度綜合改革方案，均提高了考試科目的選擇性，對學(xué)校的課程設(shè)置和實施帶來了挑戰(zhàn)。走班制的廣泛出現(xiàn)，對學(xué)校的教室、實驗室等教學(xué)環(huán)境的建設(shè)、運行和管理提出了更高的要求。

1.2 科技創(chuàng)新對基礎(chǔ)教育的要求

科技創(chuàng)新是一個系統(tǒng)工程，僅就內(nèi)部而言，科技創(chuàng)新由低到高至少涉及四個層面：技術(shù)的創(chuàng)新運用、原創(chuàng)技術(shù)、支撐技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)理論、原創(chuàng)思想。后三個層面的突破目前還很欠缺，從基礎(chǔ)教育來看，對科學(xué)素養(yǎng)的提升和創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)是其中的關(guān)鍵所在。如何讓創(chuàng)新的意識、態(tài)度、能力和風(fēng)氣“從娃娃開始抓起”，需要教育全方位的介入，前沿性和基礎(chǔ)性并重[1]。

1.3 工業(yè)4.0對教育的啟示

2013年4月的漢若威工業(yè)博覽會上，德國首先提出了工業(yè)4.0的概念，把工廠、機器、生產(chǎn)資料和人通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)高度聯(lián)結(jié)，形成自組織的生產(chǎn)，其內(nèi)涵已經(jīng)遠遠超越機器的自動化[2]。工業(yè)4.0的迅速發(fā)展給教育帶來了如下的思考和啟示：

（1）教學(xué)工作中如何通過信息物理系統(tǒng)的智能化，提高教學(xué)的靈活性和個性化？

（2）如何實現(xiàn)教學(xué)中教師、學(xué)生、教學(xué)環(huán)境、教學(xué)資源等的“萬物互聯(lián)”？如何高效搜集教學(xué)中的各種數(shù)據(jù)？如何通過在線化、實時化的數(shù)據(jù)與智能處理使教學(xué)中的響應(yīng)模式發(fā)生變革，提高教學(xué)的針對性和有效性？

（3）我們的教學(xué)環(huán)境、教學(xué)資源能否提升集成化的程度，以提高資源的利用率和教學(xué)的效率？

（4）如何提高教學(xué)的智能化程度，更好培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力？

1.4 國際科學(xué)教育的發(fā)展趨勢

2012年，美國發(fā)布了《K-12科學(xué)教育框架》，《框架》建立在三個維度的基礎(chǔ)上：科學(xué)與工程的實踐（Scientific and Engineering Practices）、跨學(xué)科概念（Crosscutting Concepts）、學(xué)科核心理念（Disciplinary Core Ideas）[3]。打破各學(xué)科概念之間的界線，將科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)（STEM）融合，并通過實踐與實際生活相關(guān)聯(lián)，既需要合理選擇和組織課程內(nèi)容，也對支持新的學(xué)習(xí)內(nèi)容和學(xué)習(xí)方式的學(xué)習(xí)環(huán)境提出了新的要求，跨學(xué)科、跨領(lǐng)域成為一個重要的發(fā)展方向。

1.5 當(dāng)前實驗室建設(shè)和使用中存在的問題

1.5.1 實驗裝備規(guī)范的滯后問題

2006年7月19日發(fā)布的《中華人民共和國教育部中小學(xué)理科實驗室裝備規(guī)范》，還是基于理、化、生實驗室分科獨立建設(shè)制訂的。《規(guī)范》中關(guān)于實驗室“布置”部分的“第一排”、“最后一排”、“雙人單側(cè)”、“四人雙側(cè)”、“中間縱向走道”等表述，最容易使人想到的是“秧田式”的實驗室布局，這樣的布局在教學(xué)實踐中往往暴露出自由度小、不利于學(xué)生的表達交流與合作等方面的問題。

在信息化方面，《規(guī)范》將“教學(xué)電視”和“教學(xué)屏幕”的規(guī)劃建議分列，顯然已與當(dāng)前電視、屏幕、白板等功能的集成化趨勢背離?！兑?guī)范》對于信息傳輸設(shè)備的規(guī)劃建議部分僅將計算機作為信息查詢和傳輸?shù)墓ぞ?，顯然忽視了計算機在數(shù)字化實驗等方面的重要作用，沒有將計算機與學(xué)習(xí)環(huán)境、智能化應(yīng)用等進行整體的設(shè)計[4]。

1.5.2 實驗室建設(shè)和使用中存在的問題

隨著國家經(jīng)濟、現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和實驗技術(shù)的迅速發(fā)展，各學(xué)校的實驗室建設(shè)都有了長足的發(fā)展，實驗教學(xué)的質(zhì)量也有了明顯的提高。但是，在實驗室的建設(shè)中還存在著一些普遍的問題，直接影響了實驗教學(xué)開展的效率，也不利于課程改革理念的進一步落實：

（1）實驗室的格局仍然以秧田式的格局為主，實驗室的大小一般以教室面積為參照，對于實驗室的環(huán)境氛圍建設(shè)相對比較忽視，實驗功能和教學(xué)功能的整合還不夠。

（2）忽視了學(xué)科之間的統(tǒng)整，不利于學(xué)生將所學(xué)的知識在相關(guān)學(xué)科中遷移運用，也不利于通過實驗解決一些聯(lián)系社會生活實際的綜合問題。同時，不同學(xué)科在儀器等的配備方面也容易造成重復(fù)。

（3）實驗室的利用率不高。即使對于達到裝備標準規(guī)定的實驗室數(shù)量的學(xué)校，在實際運行中，也會出現(xiàn)某一學(xué)科的實驗室時間排不過來，而其他學(xué)科實驗室卻閑置的現(xiàn)象。

（4）實驗室的信息化整合程度還不夠，對新的信息化手段的關(guān)注和引入還不夠及時。

（5）實驗室管理的軟硬件條件的建設(shè)還不夠重視。課余時間實驗室很少對學(xué)生開放，對實驗室管理的軟硬件條件沒有系統(tǒng)的思考。

2 綜合實驗室的定位

實驗室是科學(xué)的搖籃，是科學(xué)研究的基地，對于基礎(chǔ)教育階段的實驗室，教育功能是其首要的功能，它是學(xué)生掌握知識、訓(xùn)練技能、開展探究的重要場所。綜合實驗室是在整體考慮相關(guān)領(lǐng)域各學(xué)科實驗室教學(xué)需求的基礎(chǔ)上，整合各類資源，形成的既可滿足各學(xué)科教學(xué)需要，又適合跨學(xué)科實驗活動的新型實驗室。在本研究中，對綜合實驗室的界定如下。

（1）中小學(xué)實驗室：主要研究小學(xué)、初中、高中學(xué)段的綜合實驗室建設(shè)問題。

（2）科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)學(xué)科：需要進行綜合的學(xué)科有中學(xué)物理、中學(xué)化學(xué)、中學(xué)生命科學(xué)、初中科學(xué)、中小學(xué)勞動技術(shù)、小學(xué)自然、小學(xué)科學(xué)與技術(shù)、中小學(xué)信息科技等。

（3）各學(xué)科融合：有機整合各學(xué)科的教學(xué)需求，實現(xiàn)場地、設(shè)施的優(yōu)化和整體設(shè)計，提高實驗室利用率。

（4）信息技術(shù)高度整合：在信息獲取、信息交流、信息展示等各個環(huán)節(jié)中充分發(fā)揮信息技術(shù)的作用，包括實驗手段的數(shù)字化和信息化以及實驗室管理和學(xué)生學(xué)習(xí)活動過程檔案的信息化等各個方面。

（5）課程的適配性：綜合實驗室既普適于各分科課程，也適用于綜合課程。在綜合實驗室建設(shè)的過程中，同步開發(fā)與實驗室功能相匹配的特色課程，尤其是跨學(xué)科課程。

（6）促進學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力：中小學(xué)的綜合實驗建設(shè)的目的不在于促進科學(xué)研究結(jié)果的產(chǎn)生，而是側(cè)重于提供學(xué)生研究過程的體驗，在科學(xué)素養(yǎng)、技術(shù)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力培養(yǎng)方面充分發(fā)揮出綜合實驗室的教育功能。

綜合實驗室和傳統(tǒng)的一般實驗室的主要區(qū)別如表1所示。

在當(dāng)前課程與教學(xué)改革的背景下，綜合實驗室及相關(guān)綜合課程的建設(shè)，有利于解決學(xué)生對課程的選擇性和有限的教學(xué)資源之間的矛盾，有利于提高資源的利用率，促進走班制的實施。

3 綜合實驗室的建設(shè)理念

綜合實驗室的建設(shè)理念源于對學(xué)生的學(xué)、教師的教和實驗室管理三方面的整體考慮，具體體現(xiàn)在以下六個方面。

3.1 安全

綜合實驗室的安全理念可以從三個層面予以體現(xiàn)：一是安全設(shè)計，即從設(shè)計上防患于未然，體現(xiàn)主動安全的理念。例如設(shè)置煤氣泄漏或漏電時的自動切斷系統(tǒng)，實驗室環(huán)境中合理設(shè)置走道和門以便能及時疏散學(xué)生等。二是安全防護，即防止災(zāi)害發(fā)生時對人造成傷害的措施。例如通風(fēng)櫥、排氣系統(tǒng)的配置，防爆板、護目鏡、手套、防護服等的配備。三是災(zāi)害處理，即面對災(zāi)害，如何將損失和傷害降到最低。例如滅火器的配備和噴淋系統(tǒng)的配置。

3.2 舒適

綜合實驗室應(yīng)提供給學(xué)生一個寬松、舒適的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生在該環(huán)境中可以自由、輕松、主動地開展各項學(xué)習(xí)活動。例如實驗椅的舒適性就是需要考慮的一個重要內(nèi)容，實驗椅最好具有以下特點：椅面軟性、耐腐蝕、易清潔，有靠背，方便提拎和移動，空間占用小。

3.3 方便

在綜合實驗室中應(yīng)能非常方便地獲取學(xué)習(xí)或?qū)嶒炈璧母黜棗l件。例如水、電、煤的獲取，資料的獲取，工具的獲取，信息的傳送等。

3.4 靈活

綜合實驗室的學(xué)習(xí)環(huán)境不是一成不變的，應(yīng)該可以根據(jù)教學(xué)的需要進行自定義。例如桌椅布局的可調(diào)整，工具架可自定義等。

3.5 普適

綜合實驗室在教學(xué)使用中應(yīng)具有極強的普適性，即它既可以用于開展分科教學(xué)，也可以用于開展跨學(xué)科的綜合課程的教學(xué)，甚至可以作為藝術(shù)、閱讀等教學(xué)所用。

3.6 高效

由于綜合實驗室的普適性，使學(xué)校能夠?qū)Χ鄠€這樣的實驗室進行整體規(guī)劃布局，并開展綜合利用，同時也可提高管理的效率。

4 綜合實驗室的功能區(qū)規(guī)劃

綜合實驗室一般應(yīng)具備的功能區(qū)有：實驗區(qū)、制作區(qū)、交流區(qū)和展示區(qū)。

4.1 實驗區(qū)

實驗區(qū)（見圖1）是學(xué)生開展實驗活動的主要區(qū)域，該區(qū)域的特點是學(xué)生能夠方便地獲取實驗條件、實驗器材等，順利開展實驗。

4.2 制作區(qū)

制作區(qū)是工程、技術(shù)類作品制作的區(qū)域，所制作的作品既可以是相關(guān)課程的成果，也可以出于某些課程實驗活動的需要，進行“量身訂制”的實驗器材。在該區(qū)域，需要配備豐富的制作類工具（見圖2）。

4.3 交流區(qū)

交流區(qū)（見圖3）是學(xué)生在實驗活動中進行交流、討論的區(qū)域，該區(qū)域需要能夠根據(jù)交流的范圍靈活設(shè)計，滿足不同人數(shù)交流的需要；同時也要配備電子白板、投影儀等設(shè)備，促進交流效率的提升；從提升交流質(zhì)量、促進實驗開展的角度，還可以配備紙質(zhì)的工具書等相關(guān)資料。

4.4 展示區(qū)

展示區(qū)（見圖4）是展示教學(xué)資源、學(xué)生作品等的空間，該區(qū)域既可以展示相關(guān)學(xué)科的經(jīng)典儀器、模型等，也可以展示學(xué)生實踐活動的優(yōu)秀作品。好的展示區(qū)設(shè)計既可以培養(yǎng)學(xué)生對實驗的興趣，還可以對學(xué)生的實驗探究活動提供方法引導(dǎo)，成為學(xué)生創(chuàng)新的靈感源泉。

在學(xué)校建設(shè)綜合實驗室的實踐中，對功能區(qū)不一定要求全，可以根據(jù)學(xué)校的辦學(xué)特色和課程特點靈活選用其中的部分或全部。這些功能區(qū)不一定要有明顯的界線，很多時候功能區(qū)之間未必有實物隔斷，例如展示區(qū)往往是利用實驗室的“零碎”空間形成的。有的時候功能區(qū)之間也可以動態(tài)調(diào)整或者按需轉(zhuǎn)換，例如制作區(qū)和實驗區(qū)有時可以共享，實驗區(qū)合理進行桌椅的布局設(shè)計后也可以兼顧交流的功能等。

5 綜合實驗室的設(shè)計要素

5.1 管路

傳統(tǒng)的水、電、煤管路可以采用從房頂懸掛的方式解決（見圖5），這樣的方式在德國已有近20年的應(yīng)用歷史，其可靠性和安全性得到了實踐和時間的檢驗?！皯覓焓降跖摗钡姆绞皆诓挥绊憣嶒炇覍嶒灄l件供給的情況下，解放了地面空間，使地面空間的規(guī)劃可以和普通教室一般靈活，同時也提高了實驗環(huán)境的安全性。“懸掛式吊艙”可以提供強電、弱電、進水、排水、煤氣、壓縮空氣、廢氣抽排、網(wǎng)絡(luò)、視頻音頻等各種接口，與之配套的還有移動式的水斗或水車、移動式的透明通風(fēng)演示實驗櫥等，可以滿足科學(xué)與技術(shù)領(lǐng)域的各種實驗需求。

5.2 信息化

信息化的配備首先要考慮的是使用的便捷性，要讓教師和學(xué)生在盡可能少改變原有習(xí)慣的情況下運用信息化設(shè)施。因此，終端盡可能采用體積小巧、待機時間長的便攜式的移動終端，除了可以查閱資料、開展交流、撰寫報告，還可以接駁傳感器開展數(shù)字化的實驗。實驗室中的教學(xué)屏幕可以采用觸摸可交互的類型，并且可以自由調(diào)節(jié)高度和移動位置。數(shù)據(jù)的傳輸可以采用無線網(wǎng)絡(luò)，投影方式也可以采用無線同屏的方式，使各移動終端之間通過各種無形的紐帶緊密聯(lián)結(jié)在一起。

信息化要考慮的第二個方面是對實驗過程或?qū)W習(xí)過程的記錄，可以通過為每組學(xué)生配置可調(diào)節(jié)或可移動式的攝像頭來實現(xiàn)（見圖6）。攝像頭既可以記錄學(xué)生的實驗過程，便于教師進行過程性記錄和開展過程性評價，同時也有利于加強實驗管理，提高實驗的安全性。同時，攝像頭也可以為學(xué)生觀察、記錄實驗提供新的渠道，使24小時的遠程實驗觀察成為可能。這樣的配置也使實驗技能考試進入中考、高考等大規(guī)模高利害考試成為可能，有利于導(dǎo)向日常教學(xué)對真實實驗的重視。

信息化的又一個方面是智能化。通過一些物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備及其配套的溫度、濕度、光強度、紅外感應(yīng)等傳感器（見圖7），可以實現(xiàn)對實驗數(shù)據(jù)的遠程讀取和實驗條件的遠程控制，提高實驗的自動化程度，有利于打破課堂實驗的時空界限。同時，基于磁卡、指紋、人臉識別等技術(shù)，可以完整記錄學(xué)生的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，更好實現(xiàn)個性化的實驗準備服務(wù)等。

5.3 儀器設(shè)備

綜合實驗室中“常駐”的儀器設(shè)備，從使用效率的角度，需優(yōu)先考慮可跨學(xué)科使用、使用效率高、移動不便的儀器設(shè)備，如3D打印機等。對于一些學(xué)科性強，只有個別實驗使用的儀器設(shè)備，可以放在配套用房中，需要時取用。對于有些配備數(shù)量少，需要教師指導(dǎo)下才能保證安全使用的儀器設(shè)備，可以讓學(xué)生在需要時至配套用房中使用。

5.4 桌椅櫥柜

從綜合實驗室的靈活性理念出發(fā)，其中的桌椅櫥柜應(yīng)該都是便于移動的，一種方式就是建設(shè)“輪子上的實驗室”，使設(shè)備和空間能夠配合實驗的需求進行靈活的變換[5]。桌椅櫥柜都要輕便簡潔，減少空間占用，同時儲物空間利用率要高。

從學(xué)科的普適性角度，這些配備要兼顧各學(xué)科的教學(xué)需求。以桌子為例，物理需要平整、防水、防靜電，化學(xué)需要耐高溫、耐腐蝕，勞技需要耐敲擊、穩(wěn)定……于是加厚的理化板就可以成為一種理想的桌面選材。

5.5 環(huán)境

綜合實驗室的整體環(huán)境應(yīng)該是充分利用各種空間（見圖8），處處體現(xiàn)教育元素。從空間利用上看，可以充分利用墻面、房頂和窗戶等處的空間，用于學(xué)生作品的展示、工具書籍的陳放、儀器試劑的儲存、種養(yǎng)空間的規(guī)劃等。在設(shè)計實驗室環(huán)境元素時，要充分考慮互動性，使學(xué)生可以有更多動手體驗的機會。例如，實驗室房頂上設(shè)計一組動滑輪，學(xué)生可以把自己拉起來，體驗其省力的效果。

好的實驗室環(huán)境建設(shè)，不僅要體現(xiàn)實驗室的實驗功能，更重要的是創(chuàng)設(shè)一種實驗的文化氛圍，使學(xué)生在這樣的環(huán)境中受到潛移默化的熏陶，既可以激發(fā)對實驗活動的興趣，也可以對實驗活動開展的方法有正確的導(dǎo)向作用。

6 綜合實驗室的全局規(guī)劃

6.1 綜合實驗室配套用房的整體設(shè)計

由于綜合實驗室具有跨學(xué)科、多用途的特點，因此其配套用房也應(yīng)打破學(xué)科的界線。從功能需求來看，主要可以分為四種：儀器室、試劑室（見圖9）、準備室（見圖10）、辦公室。其中試劑室主要存放一些化學(xué)試劑、生物實驗材料、耗材等；準備室是實驗員從儀器室、試劑室取用相關(guān)用品后開展實驗準備工作的場所；辦公室是實驗員、教師的工作、研討場所，也是對學(xué)生實驗活動進行信息化管理的場所，如果場地有限，也可以在準備室中開辟出一定的區(qū)域用于實現(xiàn)此類功能。這些配套用房宜與實驗室緊鄰，以更好實現(xiàn)為綜合實驗室服務(wù)的功能。

綜合實驗室配套用房的整體設(shè)計，一是可以提高實驗用品配備的效率，避免學(xué)科之間的重復(fù)配備，也可以促進一些好用、先進的設(shè)備在各學(xué)科的普及使用。同時，這樣的設(shè)計也有利于整體規(guī)劃實驗員隊伍，部分緩解當(dāng)前專業(yè)實驗員短缺的矛盾。

6.2 學(xué)校實驗室的整體規(guī)劃

對學(xué)校來說，要體現(xiàn)綜合實驗室的整體優(yōu)勢，光配備一個是不夠的，只有多個綜合實驗室的統(tǒng)籌應(yīng)用才能體現(xiàn)出其效率。如果恰逢要新建學(xué)?；蛐Ｉ?，可以把握機會，從基建開始進行更自由的綜合實驗室規(guī)劃。

學(xué)校的實驗環(huán)境創(chuàng)設(shè)并不僅僅是實驗室內(nèi)部的建設(shè)問題，它應(yīng)和整個校園環(huán)境的營造緊密融合，為學(xué)生創(chuàng)設(shè)想學(xué)、樂學(xué)的舒適學(xué)習(xí)氛圍。例如，可以在實驗室外部設(shè)計學(xué)生休息、自學(xué)或討論的空間。有些國外實驗室建設(shè)的理念也值得我們借鑒，例如：“水晶實驗室”，即以玻璃為墻，使整個實驗室成為透明的空間，對綜合實驗室中的學(xué)生來說，是一種展示的機會；對實驗室外的學(xué)生來說，也是一種吸引和環(huán)境的熏陶。

7 綜合實驗室的配套課程建設(shè)

綜合實驗室的建設(shè)還需要和學(xué)校的具體環(huán)境條件、辦學(xué)風(fēng)格特色相結(jié)合，綜合實驗室的硬件建設(shè)也需要和軟件建設(shè)互動進行，尤其是課程建設(shè)。綜合實驗室的建設(shè)為分科課程和綜合課程的創(chuàng)新都提供了有力支持，所開發(fā)的課程可在學(xué)生的實踐性、體驗性、創(chuàng)造性等方面有更多的思考和作為，既可以是基礎(chǔ)型課程，也可以是拓展型課程。在信息化實驗條件的支持下，課程的實施可以課內(nèi)和課外相結(jié)合，校內(nèi)和校外相結(jié)合。同時，由于實驗室環(huán)境的革新使學(xué)生可以在學(xué)習(xí)過程中有更多的表現(xiàn)機會，其中的很多行為又可以被信息化的手段完整記錄，所以課程評價對過程性的關(guān)注也可以更加落到實處。

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