《中小学实验室管理与应用的实践研究》课题研究总报告

一、课题的提出

1.教育现代化发展的需要

随着教育现代化的不断发展，我国各省市根据国家教育部相关文件要求加强了各类学校的各种实验室建设。目前，中小学信息化教育装备的配备及安装基本到位。各类实验室建设基本上达到了国家规范化建设要求；各类实验室应用设备基本配套。如何加强实验室与实验教学的现代化、信息化管理及发挥实验室的功能促进学生创新精神和实践能力发展等成为摆在电化教育工作者面前的一个个研究课题。目前，全国各省市电化教育工作者都在开展相关的基础性研究工作，在实验室开放、实验室的信息化管理等方面取得了一定得研究成果；查阅相关文献资料发现相关成果的呈现形式及实际应用效果都存在目的性和局限性等问题。

2.区域教育发展的需要

目前，我区中小学信息化教育装备的配备及安装基本到位。各类实验室建设基本上达到了山东省规范化建设要求；各类实验室应用设备基本配套；我区按照山东省规范化管理要求对各学校的实验室进行动态管理：中小学实验室的管理停留在手工状态，建立了各室的使用记录，教师或学生使用后填写各种记录，管理人员通过查阅各类记录的方式了解实验室的使用情况。使用管理过程中，实验教师感觉这种手工记帐式的、陈旧的实验室管理模式已经落后于我区信息化发展水平；相关记录繁琐，有的已经成为了教师的负担；管理人员感觉督导与管理效率低，不适合当前中小学教育发展的需要。亟待开发方便管理人员及实验教师实际需要的、适应新形势的科学合理、简便实用的实验室网上管理系统，进而提升我区实验室管理水平，促进科学合理地使用和面向前替学生开放实验室，使实验室成为学生探究科学的乐园。

3.我区开展课题研究的基础

我区开展《中小学实验室管理与应用的实践研究》课题研究具有良好的基础。

硬件基础：各类实验室建设基本上达到了国家规范化建设要求；各类实验室应用设备基本配套。

软件基础：搜集了大量的相关研究成果，开展了相关成果的学习与分析，能够在新的起点上开展创新性的研究。前期开展了实验室开放、学生实验能力检测等前期的探索性研究研究，取得了一定的成果。

现有的网上管理软件有三套，但由于设计者不清楚实验教学管理的流程、要求，呈现形式及应用效果不佳。我区具有设计开发实验室网上管理系统的基础：①设计开发基础：我区教研中心及相关学校有开发此类软件的技术人员。②应用实践基础：学校现代化设施齐备，具有良好的中小学实验室信息化管理研究的现实基础；③相关领导重视，给予了很大的支持；④实验教师有好的理论基础和实践能力，能最大限度地保证课题研究的顺利进行。

二、研究综述

中小学网上实验室管理与应用研究较少，尤其用于两级的管理软件研究更少。80年代LIMS逐渐在实验室得到推广应用。大多数早期的系统是建立在小型机和分级独立的数据结构，它的缺点是价格昂贵、使用困难、界面不友好,同时也不便与LIMS系统外部进行数据交换。80年代中期有人开始引入基于PC的“LIMS"。90年代随着计算机技术水平的迅速发展,个人计算机(PC)的处理能力得到了极大地提高。同时MicrosoftWindows系列操作系统也得到了迅速的普及。2000年在国内,以SISCLIMS为代表的强调以管理为中心的新一代实验室信息管理系统开始出现。在这之前,LIMS主要强调对数据的管理(存储、查询等等),主要精力集中于数据管理的计算机实现上。SISC LIMS突破了这一限制,在实现数据管理的基础上更加强调对实验室整体管理的实现,使得LIMS不再仅仅具有数据管理功能,还可以全方位地对整个实验室的运行实施管理。

网上实验室管理与应用研究多集中在大学。多所国内外院校自上个世界90年代起就幵始了网络实验的项目研究,在国内,除了华东理工大学网络学院外,浙江大学的电工电子网络实验室、北京邮电大学虚拟实验系统等都在同行业中有相当的知名度。网上实验所釆用的技术路线这几年来日新月异,国内相关的论文这几年也是相当的多。表1列出了一些主要的网上实验网站。

               表1.1国内外主要的远程实验平台情况

远程实验网站	网站地址
华东理工大学网络实验室	http://www.ecustmde.com/html/laboratory.html
浙江大学电工电子网络实验室	http://60.191.8.90:8090
北京邮电大学虚拟实验系统	http://virexp.bupticet.com/
史蒂文斯理工学院远程实验室	http://remlab.me.stevens4ech.edu/
田纳西大学远程实验室	http://chem.engr.utc.edu/
麻省理工学院微电子远程实验室	http://weblab.mit.edu/
国立新加坡大学远程实验室	http://vlab.ee.nus.edu.sg/
Cyberlab	http://www.cyberlab.org/
英国幵放大学 PEARL 项目	http://kmi.open.ac.uk/projects/pearl

 

归纳国内外的网上实验形式,主要包括远程虚拟实验和远程控制实验两种类型。

1.远程虚拟实验

多以flash多媒体动画形式为载体进行制作。实验模式釆用操作虚拟设备,根据相应的设定和计算公式进行仿真。该种类型实验是利用设备的数学模型或者数据库模型构建实验需要的虚拟设备,学生按实验要求在软件虚拟出来的实验中进行实验过程,并得出相应的结果。可以为学生提供自主探索和个别化教育的学习环境,并且可以通过软件资源共享改善教学资源缺乏的教学现状以及学生个体分散及远离现场实验环境的问题。同时,虚拟实验可解决某些有一定危险性的实验安全问题及降低实验的成本。

    远程虚拟实验的优点:

(1)符合远程开放教育的特点;

(2)多次实验的不需要增加成本,可反复操作;

(3)简单、易操作。

远程虚拟实验的缺点:

(1)无法完全真实还原实验环境;

(2)无法直接锻炼学生的动手能力。

2.远程控制实验

学生通过网络采用视频和组态操作界面分批实验,操作真实设备,书写实验报告,

老师在网络上指导学生确定实验方案,并评阅实验报告。基于Internet的远程控制实验室是指釆用远程数据/图像/声音采集、远程控制、计算机仿真、虚拟现实等技术,使实验者从异地计算机上通过Internet进行实验操作和观察,所得到的实验结果与在实验室得到的结果等价,如同真实操作实验设备一样。采用基于Internet的远程实验教学好处很多,比如学生可以不受时间空间限制开展实验;学校节省了实验设备开销,充分利用学校的实验教学资源。正因为如此,基于Internet的远程实验系统开发受到了重视,出现了一些不同的远程实验系统构建技术,并且应用于不同专业旳远程实验教学。然而,这些远程实验系统的构建技术总体上还处于研究和探索阶段,而且实验对象都比较简单,满足不了远程复杂实验的教学要求。由于远程实验对传感器、执行机构和网络环境有着比较高的要求,实验的开发费用以及硬件投入费用较高,并且并非所有的实验都能实现远程控制。同时在实验业务幵展期内。一样面临着设备维护,人员值班等传统实验所面临的问题,同时由于设备较传统实验更为复杂,对于维护人员的要求更高了。并且由于实验设备的独占性(在同一时间,实验设备只能由一个客户段人员进行远程操作),不利于大规模的实际应用,并且相对于虚拟实验,对于实验平台的管理要求更高了。

    远程控制实验的优点:

    (1)突破时间、空间限制达到课程实验目的;

    (2)实现有限教育资源的共享。

    远程控制实验的缺点:

(1)单个实验系统的建设和使用成本较高;

(2)部分实验实现难度大,如需人为参与。

三、课题的设计

    1.概念的界定

    ①实验室网上管理，是运用现代信息技术对中小学实验室进行管理，摆脱传统的记帐式模式，最大限度地凸显教育现代化、信息化，彻底改变现阶段基础教育中实验室管理的落后现状，运用计算机和现代网络两大技术，将中小学实验室的管理与数据库结合起来，采用无纸化的形式，实现中小学实验室的数字化、信息化、网络化管理，推动中小学实验教学与管理的现代化，从而与教育的信息化、现代化接轨。

②实验室开放的目的是为充分发挥科学实验室器材、设备的功用，鼓励和支持学生利用课余时间开展常规性实验及课外科技等活动，培养小学生的创新精神和实践能力，提高实验教学的质量。

③学生实验能力检测是根据相关学科课程标准要求实施的，目的是促进学生动手操作能力的提高，提高学生自主探究科学的志趣。

    2.研究的对象和范围

    ①中小学实验室管理研究的对象，就是运用现代信息技术对中小学实验室进行管理，这是一种全新的中小学实验室管理模式，改变了传统的中小学实验室管理方式，与传统记帐式的管理相比，是一种创新的现代化管理模式。

本课题研究的范围是基础教育阶段的中小学实验室的管理，包括实验室使用与实验教学管理两大部分。

②中小学实验室应用研究的对象，是对中小学实验室设施设备的使用管理。目的是充分发挥科学实验室器材、设备的功用，鼓励和支持学生利用课余时间开展常规性实验及课外科技等活动，培养小学生的创新精神和实践能力，提高实验教学的质量。

    3.研究的基本原则与方法

    ①理论与实际相结合的原则

    既要重视理论的指导，又要重视科学研究与实践，将理论与实践辩证统一起来，密切联系实际，使一切科学研究的结论都建立在广泛的严格的科学实践基础之上；一切科学理论在实践中产生，又在实践中不断发展。

    ②客观性与发展性相结合的原则

    客观性与发展性相结合的原则要求在科学研究中要尊重客观、实事求是、一切从实际出发，提倡全面的观点，反对偏面性，忠实于客观事实，最大限度地保证研究过程与研究结果的客观性、准确性、全面性。社会总是不断向前发展的，我们必须顺应社会前进的步伐，站在时代的前沿，用发展的观点去发现、分析、研究问题。

    ③坚持科学与真理的原则

在科学研究中，必须坚持科学性，反对愚昧落后，改变落后的传统观念，坚持科学真理，敢于迎接新的挑战，走前人没有走过的路，探索别人没有研究过的新情况，并富有开拓、创新。

④文献法：在进行本研究的过程中，笔者广泛浏览了大量中外文期刊、书籍，并详细阅读了重要文献资料，尤其是关于教学理论、教学方法、教学行为、教学心理学等方面的文献，以确保本研究建立在前人研究的基础上，并有所创新，实现继承性和创新性的统一。

⑤理论研究法：教育科学的理论研究法也叫思辩法，与实证研究相对，是以理论思维或思辩的形式研究教育现象。在本研究中，运用历史法和发生学方法回顾国内外有效教学和研究有效教学思想的发展，用逻辑思维方法阐述有效教学的理论，探讨教师有效教学的策略，用系统科学方法对有效教学进行整体的、全面的研究。

⑥调查研究法：本研究运用问卷调查和统计技术收集数据和对数据进行处理。

    四、课题的研究过程

第一阶段（2011年4月至2012年8月）：根据前期准备全面开展问题研究。主要工作包括①进行“实验室网上管理系统”软件的开发与调试工作；②在小学层面开展实验室开放、学生实验能力检测等前期的探索性研究等。

第二阶段（2012年9月至2013年8月）：选择实验对象开展实验。主要工作包括①选取并确定实验学校，对相关教师进行“实验室网上管理系统”软件的培训与指导；针对试用期间发现的问题，及时修改相关编写程序；②召开实验室开放、学生实验能力检测研讨活动，整理相关的研究成果；③进行教学设计的追踪与访谈、课题负责人跟踪指导，定期召开课题会议、指导与培训，推广成功经验等等。

第三阶段（2013年9月-2015年8月）：①2013年9月在全区中小学推广“实验室网上管理系统”软件，对小学科学、初中理化生教师进行系统使用培训；各学校教师规范使用“实验室网上管理系统”；开展定向调研活动，了解问题及时整改。②各学校根据社区特点自主开展实验室开放、学生实验能力检测的研究等。

第四阶段（2015年4月至2015年8月）：适时的总结实验经验。主要工作包括①汇总课题研究资料，将相关的内容加以总结撰写成论文，在公开刊物上发表，以巩固课题研究成果；②撰写课题结题报告；③课题成果展示，迎接成果鉴定等。

五、研究发现与结论

（一）“实验室网上管理系统”软件的开发与实验研究

1.设计 “实验室网上管理系统”软件开发的方案

2011年4月至2012年4月，我们系统分析了其他单位开发的实验室管理软件存在的问题，设计了“实验室网上管理系统”软件开发的方案，先后十多次到学校调研，了解管理中存在的问题，听取教师及领导提出的改进建议；研究方案出台后，先后就研究方案的可行性、实用性、简洁性与实验室管理人员展开研讨。

2.制作“实验室网上管理系统”软件

2012年4月，我们根据软件开发方案开发出了“实验室网上管理系统”软件。2012年4月至2012年8月我们组织人员对“实验室网上管理系统”软件进行测试，召集实验室管理人员 对“实验室网上管理系统”软件科学性、实用性、操作性进行研讨，发现问题及时修改相关编写程序。并在此基础上编写了环翠区实验室网上管理系统安装说明、操作说明。

3.选择实验对象开展“实验室网上管理系统”软件使用实验

2012年9月-2013年8月，我们选择威海市实验小学、威海市第二实验小学作为实验校。对相关教师进行“实验室网上管理系统”软件的培训与指导；针对试用期间发现的问题，及时修改相关编写程序。

4.“实验室网上管理系统”软件的应用推广

2013年9月，在实验小学召开了环翠区中小学“实验室网上管理系统”应用培训会议。全区中学理化生实验室管理员、理化生学科教师、小学科学教师、学校网管员参加了会议。马洪伟老师系统介绍了课题的研究背景、研究过程、实验室网上管理系统的主要功能；实验教学岳华老师介绍了应用实验过程中的体会及软件的优势；董章钦老师为大家演示并讲解了软件的操作方法，现场解答了老师们的疑惑。

至2015年6月，“实验室网上管理系统”应用正常。

（二）实验室开放及学生实验能力检测的研究

1.为充分发挥科学实验室器材、设备的功用，鼓励和支持学生利用课余时间开展常规性实验及课外科技等活动，培养小学生的创新精神和实践能力，提高实验教学的质量，规范实验室开放工作，2012年我们撰写了“科学实验室开放管理制度”，对中小学实验室开发活动提出了新的要求。

2.各学校根据学校的实际情况开展探索性研究。科学教师利用课外活动时间、中午学生休息等时间都开展了不同内容、不同形式的实验室开放活动。例如第二实验小学、长征小学、鲸园小学、锦华小学、千山路小学、翠竹小学、南山小学等；另外，各学校都开展了具有地域特色的科学实践活动、标本制作活动、学生实验能力检测、小发明、小制作、小论文写作等活动。

3.学科教研员定期到学校开展实验室开放的指导，帮助教师确定实验室开放的内容，进行实验室开放活动设计，科学设计活动指导卡等。

4.学生实验能力检测活动：各学校根据教材内容，进行实验能力检测活动设计，每学期末组织一次学生实验能力检测活动。

5.2014年6月为提高 “实验室开放”的成效，加强各小学之间的教学交流，共同推进创新教育和素质教育的实施。在锦华小学举行环翠区 “实验室开放”研讨活动。全区科学教师、分管学科领导参加了本次活动。锦华小学的徐辉老师和鲸园小学的孙燕燕老师分别展示了《制作蒸汽动力船模型》《用电子积木学习简单电路》两节不同类型的示范课；锦华小学李季副校长、实验小学岳华老师、南山小学邓建彩老师分别作了题为《实验室开放活动的组织与实施》、《在科学实践活动中提高学生科学素养》和《开拓课外探究之路，绽放科学素养之花》的经验交流报告；马老师作了题为《实验室开放的现状与思考》的报告。

6.2015年4月，为进一步推进我区各类实验室规范化管理工作，总结和推广各学校实验室规范化管理的经验，组织了实验室规范管理优秀论文及实验室开放优秀案例的评选活动。

六、成果显现

（一）“实验室网上管理系统”软件的开发与使用提升了学校教育教学管理水平

“实验室网上管理系统”使用后，我们发现它可以使学校学科教育教学常规及实验室常规管理与应用工作显性化、过程化；方便查阅相关过程性资料和对学科教研组进行过程性的管理与评价；外显各学校实验室的建设与器材的配备情况；确保各类实验室满足教学需要，使用率达100%。其主要特点如下：

1.节约：该软件的最大好处是节约。为学校节约资金，为老师节省时间。教师只需坐在自己的办公室，动动鼠标填写好上课时间、班级、节次，所用实验室，将所需要实验器材从教案中复制粘贴即可。实验管理员就能在第一时间获得准确的信息，安排好相关课时的教学器材。学校管理人员及教研人员可随时利用软件了解教师的备课、学校学科教研情况、学校器材的配备、学校实验教学的安排、学校学科课外活动的安排等。

2.显性：原来教师的教案、各种记录单都是隐性的，只有自己和检查的人能看到；学校配置的相关资源等属于半隐性的，教师在开展实验教学前需要查阅学校仪器账目才能知道学校配备了哪些器材，并进行实验准备的安排。使用软件后，把隐性或半隐性的工作显性化了，同学科教师可以随时查看学校的设施设备的配备情况、他人的教学设计及他人组织相关活动的方案、时间、活动过程、活动结果…..便于教师互相学习，取长补短。学校及相关管理人员可随时登陆软件了解学科教师开展相关活动的组织情况，如时间、内容、活动组织过程等，保证活动的真实性。

3.实效：一是实用性强，操作简单。任课教师点击用户名、学校、密码登录后，点击教学设计，输入课题，再点编辑教案，以前编辑好的教案立马上传成功。实验通知单的填写也很简单，只需要将上课时间、节次、班级等一一填好，所需要实验器材从教案中复制后粘贴即可。将教师从繁重的手写教案中解脱出来，把节省出的大量时间用在备课上，提高备课、教学效率。二是调控方便。以前每一节课的实验通知单都是提前一个周将所教年级、班级上课的时间、所用实验室及所需实验器材的数量一一列清，然后送到实验管理员送手里，如果学校的临时性活动与教师提前安排的时间相冲突，就会出现问题。使用软件后，教师可以提前一个周将年级、班级、节次、所需要器材填写好，并提交。如需调课，可直接利用软件将通知单上的节次调整后提交，实验管理员就能在第一时间内得到信息，进行调配。

4.存储：以往教师的每个年级教案、教研活动记录、协作区活动资料、各种室的记录及实验通知单，无论是电子稿还是手写的，都需要建立好几个文件夹或者是需要更多的档案盒盛放，查找起来麻烦。使用软件后，教师的备课、各项活动记录，都可以在软件里编辑后保存。便于教师很快找到所需要的教学设计，为其进一步改进教学设计、实验记录单等提供了方便。

5.分享：在学科教研组教师间分享教学设计、活动设计可以促进教师间的经验交流，教师间可以利用批注的方式对他人的教学设计提出自己的看法建议，保证教研活动的实效性；

6.督促、点评：管理人员利用软件可随时查看全区科学教师备课情况、实验室的使用情况、仪器反馈情况等，并可将发现的问题、改进方法等建议及时反馈给教师本人，起到了督促和指导的作用，节省大量的时间，提高了工作效率。

7.分析、评价：管理人员可根据学校教师提交的教学设计、活动组织资料，进行教师间、学校间的横向或纵向的比较分析：可对教师几年来的备课、活动组织进行比较分析，清晰地看到教师的专业化发展轨迹；可根据各学校的过程性资料对各学校的教育教学教研及活动组织等工作进行详细、科学的分析和评价。

软件在两年的推广使用中，教师们反应软件具有创新性，对规范学校的实验教学、教师的发展、学生的发展起到了促进作用，具有区域推广价值。

（二）促进了教师专业发展与高效管理模式的形成

1.创设了资源共享的教研氛围

自从本课题实施以来，教师们能够利用实验室网上管理系统中的优秀资源进行备课，或是二次备课，做到了资源的共享。到目前为止，课题组组织了200多人次的培训活动，通过研讨与培训，找到系统中薄弱点进行改进。目前逐步成为教师备课、管理的有效途径。

2.促进了教师的专业成长与和谐发展

教师们的专业技能和专业素养在日臻提高与完善。这不仅表现在他们的二次备课和实验器材的准备上，同时，也表现在教师的专业技能，如自我学习、发展的能力。教师正由教育教学的实践者成长为教育教学的研究者。

3.形成了高效的管理指导模式

以往的实验教学检查，需要上级领导实地查看、检查，浪费时间和精力，实验室网上管理系统，可以节省大量的时间，大大提高教研员管理和指导的工作效率。利用实验室网上管理系统，随时查看教师备课情况、实验室的使用情况、仪器反馈情况等，随时发现问题随时反馈给个人，起到了监督和指导的作用。实验室网上管理系统还可以用于对实验教学的分析和评价。可以充分发挥各类实验设备的教育功用，使我区各类实验室的管理与使用再上一个新台阶，在提高各类实验室的使用效率的基础上，减轻学校管理人员及教师的负担，便于学校教师间的交流与学习；便于管理者过程性地了解各种专业实验室的使用情况；了解授课教师备课、上课的状态；进而确保各实验室的使用率达到100%，提高各类器材设备使用效率。使各类实验室真正成为培养学生创新精神和实践能力的重要阵地。

（三）实验室开放及学生实验能力检测有效促进了学生的发展

几年来，各学校实验室开放活动工作有序展开，参与实验室开放工作的教师积极开展“实验室开放的基本流程、实验室开放的活动组织模式、开放性实验室的布置与器材配备、开放性实验室的科学管理”等方面的探索研究，取得了如下的成绩。

1.撰写了“科学实验室开放管理制度”。让参与活动的教师、学生知道自己的任务及相关注意事项。

2.总结出了实验室开放活动组织的基本流程；

3.总结出了两种实验室开放的活动组织模式：学生自主探究式实验室开放模式、教师指导探究式实验室开放模式。

4.开发了多篇实验室开放活动案例。

5.各学校根据课程标准要求，在每学期末自主组织学生实验能力检测活动，促进学生动手操作能力的提高。

六、有待进一步研究的问题

通过研究，我们对利用信息化管理实验室有了更深刻的认识，在今后我们将从如下几方面开展后续研究：

1.进一步增加实验室网上管理系统的功能，使其涵盖理科教学常规管理的诸多方面，进而规范学校理科教学及实验室使用的管理；

2.加强实验室网上管理系统促进教师成长的研究，多方位、多角度地开展研究，探究利用实验室网上管理系统提高教育教学、教研活动实效的方法。

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