3.DIS Lab的发展
科学学习是一个贯穿了实验、观察、归纳和抽象的过程。怎样引导学生从纷繁芜杂的物质世界中总结出规律，并鼓励学生掌握和完善总结规律的方法，是科学教学的基本命题。但是传统的科学实验器材有许多缺点：实验仪器普遍精度低、误差大、可重复性差，影响学生对科学规律的深入理解；实验仪器的读数仅靠人眼观察、手工记录，操作耗时费力，实验教学的效率低下；多种物理量的测量手段欠缺，声学、光学、运动学、磁学实验所要求的基本数据较难获取。如此，传统的科学实验仪器不仅成为提高实验教学质量的瓶颈，而且很难满足新课程学习方式转变和教学规范转型的要求。
随着科学课程改革的深入，必须为实现“信息技术与科学教学整合”的理念寻求可靠的物质载体，以实现培养学生使用工具，特别是信息技术工具进行科学探究的能力。由此，有关单位借鉴了国际科学教育中的成功经验，研究开发出了数字化信息系统实验室。
目前在DIS Lab中常使用的传感器有各种各样的类型，包括电流、电压、温度、位移、压强、pH、力和光强等。使用传感器和相关的软件，学生能够像科学家那样指导计算机收集、记录数据，并且把数据绘入图表，能够根据实验的数据立即获得图像化的结果以便于观察、理解科学概念、分析所得到的数据的变化趋势，使学生把注意力放在探究的概念上。
二、DIS Lab与科学实验教学
DIS Lab中对传感器的引入，初步实现了科学实验教学过程中测量手段的数字化，与计算机结合后更实现了数据显示、分析、计算的智能化。DIS Lab中传感器的应用，将会开启中学科学实验教学的数字化时代。
1.实现对传统的超越
DIS Lab将实验数据数字化，在真实实验的基础上实现了信息技术与科学实验教学的整合。尽管DIS Lab的传感器替代了部分测量仪表，但引入DIS Lab之后的科学实验教学体系并没有形成“断层”：实验数据依然来自传统的实验装置，音叉、磁铁、螺线管、轨道小车、挡光片、水槽、烧瓶等“实验数据源”没有变化，自感现象演示仪、查理定律演示器等实验装置也都继续发挥着作用，只是数据采集和分析处理手段借助信息技术得到了显着改进。例如，进行“自感现象”教学时，自感现象演示仪仍“位居前排”，但连接在电路上的已经不是演示电表，而是DIS Lab电流和电压的传感器。这一改变使得原来只能凭借小灯泡的明灭和演示电表的摆动进行观察的自感过程，通过“电流、电压-时间”图线而获得清晰体现，学生对自感现象的认识深度大大提升。再如，进行“弹簧振子摆动实验”时，“服役”多年的弹簧振子演示器依然“宝刀不老”，只是原来的振子被DIS Lab位移发射传感器替换。
位于位移发射传感器一侧的位移接收传感器接收到振动数据，计算机屏幕上即可实时描绘出弹簧振子的S －t 振动图线。
在延续传统的同时超越传统，使用现代化技术手段整合传统实验手段和教学方法，正是DIS Lab的生命力所在。
2.实现科学实验探究
DIS Lab具备“实时实验”的功能，数据采集、处理和图线描述都由计算机完成，由此教师和学生可以从数据读取、记录，公式运算和图线描绘等繁琐的数据处理中解脱出来，将注意力集中在科学探究上，并且为学生实现科学实验的体验，开展合作与交流提供了时间和空间。在实验过程中，教师可以利用“实时实验”节省的时间，引导学生改变实验条件，对科学现象和科学规律进行深入的分析和讨论，得出结论。实践表明，在传统科学实验中，有94%的时间花在了实验准备和数据处理上，而真正花在探究上的只有6%的时间，而在DIS Lab实验中，花在实验准备上的时间为40%，花在数据处理上的时间只要3%就可以了，而花在探索研究上的时间可以达到57%。
3.实现科学实验智能化
DIS Lab软件包中通常为学生提供了教材专用软件和教材通用软件两种界面。教材专用软件是按照每个实验的变量和特点设置界面，实验条件较为理想，简洁、易用，针对性较强；通用软件则遵循主流工具软件的规范，提供数据显示、分析和处理的通用界面，内置组合显示、数据表格、分析计算、曲线拟合等功能，能够完成传感器量程内的所有实验（图7‐2‐7所示为通用软件中的组合显示功能）。
一般而言，通用软件使用自由度较大，可以自行设定的功能较多，更适于探索研究，但是它对计算机操作水平有较高的要求。对于同一个实验，专用软件和通用软件均可完成，教师和学生可以在殊途同归中体验到科学探究的乐趣，两者相辅相成，是一套完整的软件工具体系。
另外，DIS Lab凭借传感技术还可以弥补传统实验中多个测量空白，解决多种物理量精确采集问题，加上相对完善的数据处理软件，可以设计出很多借助传统实验装置想做而做不好的实验。
例如在“力的相互作用”实验中，传统的实验器材只是两个弹簧秤，让学生拉一下，然后观察弹簧秤上的示数，在实验中读数不易稳定。而DIS Lab利用两个力传感器，实验中力的大小随时可变，并实时显示，拉力和推力可瞬间切换。即使在运动状态，如匀速、加速、瞬间碰撞状态下，作用力与反作用力仍然可以尽显屏幕上。
实验不仅仅是动手，更要动脑，数字化实验系统的引进，表面上看减少了动手操作，但实际上大大增加了智慧操作的程度。通过现代技术改造传统的实验手段和方法，不仅提高了教学的效率，更主要的是给教师和学生提供了更好的探究科学的环境，为学生学习方式的转变创造了条件：丰富的传感器可以增强学生的实践体验，信息化的实验手段可以拓展学生探究日常生活中各种物理现象的能力，从而能激发学生探究的欲望，强大的数据处理能力和开放的平台有利于学生通过努力发现问题寻找规律，得出结论。DIS Lab能实现实验的真实性、准确性和现代化，它的发展代表着信息技术与科学实验整合的方向和趋势，是科学实验教学和科学教学实验研究的重要内容。
第三节 V形图与科学实验教学研究
V形图是由层级概念图拓展而来的，是高文在1977年开发出来的，是一种简单的启发式工具，可以阐明知识的本质和科学观察中知识形成过程的关键概念。V形图允许学生在学习中对自然现象或事物作出自己的思考，从而帮助学习者学习知识是如何形成和重构的，因此，V形图可用于科学概念的形成。也正是这一特点，将V形图用于通过实验形成科学概念的教学中，是科学实验教学和科学教学实验研究的全新视角。
一、V形图的构成与类型
（一）V形图的构成
图中箭头所示的方向表明了阅读V形图的顺序。左边的部分称为“我的理解”（概念部分），右边的部分称为“我的行动”（方法部分）——包括观察和总结的陈述。
1.事件（event）
“我的理解”和“我的行动”相交叉的那一点（V形图的最尖端）就是学习者将学习或观察的事件。事件就是问题任务，每一事件都是围绕它而展开的。
2.关键思想（key ideas）
当观察事件时，学习者会问自己：“我对这件事知道什么？”“科学家或专家对这一事件是如何说的？”也就是说：“最关键的观点是什么？”“关键思想”写在“我的理解”的下面，因为这些思想将指引学习者对这一事件的学习。
3.概念（concept）
当观察事件时，学习者会问自己：“什么概念是与这一事件有联系的？”“科学家和专家对这一事件有哪些概念？”“概念”也放在“我的理解”这一边，并排在关键思想的下边。
4.焦点问题（focus question）
知道事件的关键思想和概念以后，学习者可以提出关于这一事件的焦点问题。“焦点问题”放在V形图的开口处。
5.记录（records）
建立步骤和开展观察。学习者可以观察研究的结果，然后在“我的行动”这边系统地记录与事件直接有关的观察。
6.数据转换（transformation of data）
学习者在观察中获得的结果有时可以非常容易地通过表格或是图形来组织，称为“数据的转换”。它们直接写在记录的上面，因为学习者可以从观察的记录结果中推出结论，表格或是图形是为了交流而把它们转换成简洁的形式。
7.结论（knowledge claims）
学习者可以在观察中获得哪些一般的结论呢？结论描述了与V形图左边的专家们的重要思想（key ideas）一致的知识。通常学习者要用自己的语言来表达这些知识。这些结论是属于学习者自己获得的，教师在引导学习者解释结论中的关键概念时要注意用科学的语言。结论放在V形图右边数据转换的上面。
8.价值判断（value claims）
观察或研究的价值是什么——对教师或是对学习者。价值判断放在V形图右边结论的上面。
V形图中各部分都必须是相互关联的，并且是围绕着事件或是焦点问题而展开的，最后，学习者要确定在V形图中已经对焦点问题作出了回答。
（二）V形图的类型
V形图应用在不同情况下有不同的名称，可以区分为：认识论V形图（EpistemologicalVee Diagram）、学习V形图（Learning Vee Diagram）与访谈V形图（Interview VeeDiagram）。
1.认识论V形图（Epistemological Vee Diagram）
高文的认识论V形图的哲学观，是以事件为中心的（event‐centered）建构主义认识论，又称知识V形图（Knowledge Vee Diagram），是一切V形图的来源。V形图的尖端是一个事件，是知识的起源，经由特定人物、特定选择而欲进行观察的中心。当我们想要观察事物的规则性，便会考虑选择某些特定的事件仔细观察，并做好记录。此时已有概念会影响事物的选择、记录的向度（orientation）和方式。因此，概念、事物、记录三者在找寻知识中是一起出现并有密切的交互作用的。
。V形图由下而上的发展是由简到繁，亦即由精简到复杂。右方是由“实作”而得，由下而上依次是记录、转换、宣称价值知识；左方是由“思考”而得，由下而上依次是概念、概念系统或原则、理论或定律到哲学观。而V形图上方是焦点问题。由此焦点问题的发问，使得左、右两端“实作”与“思考”达到紧密的联结。例如，在一个特定的事件下，经由观察及控制变量所做的记录，藉由类似“A变量B变量之间有什么关系”之类的焦点问题，而形成一个概念。接着在藉由类似“此种情形在C 事件有类似的关系吗”之类的焦点问题将事件与相关概念、旧有概念顺利地达成转换。依此类推可形成原理原则，或建立理论而深化成哲学观。
2.学习V形图（Learning Vee Diagram）
学生从事科学活动时，可利用学习以了解实验工作的意义。但学生需要将体会到的意义同化于认知结构中，才能达成学习。即利用新旧知识重新组织——包括大量的分化和整合活动。学习的左侧是问问题，右侧是回答。问问题的目的是分离某些事物，以便与旧经验进行再结合、再分离，如想象、臆测、评判、哲学化思考等。而记录、转换、宣称等活动是建立答案。好的问题与适当的答案联结时，学习就完成了。
3.访谈V形图（Interview Vee Diagram）
进行访谈前常有一个主题。为保持原有记录，面谈中通常用录音机录音。为整理内容，常需一种有效而简短的方式。V形图便是其中之一，可以用以了解受访者的认知结构。如二、V形图在科学实验教学研究中的应用
在把V形图应用于科学实验教学研究中时，可根据以下10个问题，以实验者的理解写出V形图的每个要素：要观察的目标／事件是什么？哪些记录或数据转换需要制作？
焦点问题是什么？引用的或隐含的相关的概念或原则是什么？数据是否正确地记录了观察到的事件或目标的主要方面？ 相关的原则陈述，隐含还是忽略了？ 研究陈述是否隐含了什么样的理论？如果有，是什么？ 是否有意识地努力，将概念或原则与观察到的事件／目标、所做的记录、数据转换及结论相联系？ 有价值判断吗？如果有，是什么，它们对结论适合吗？有更好的焦点问题吗？
下面我们以“从磁场中产生感应电流”为例，来说明V形图应用于科学实验教学的方法。1.选择一个事件或是问题情景
本例中的实验情景是：从磁场中产生感应电流。
学习者可以按照自己的想法来做，或是参考有关科学活动的书籍。在标题“事件”的下面列出过程：
事件
在一个闭合线圈中来回移动条形磁铁，闭合线圈的终端与电流计相连。然后磁铁不动，上下移动线圈。两种情形进行多次观察。
2.写出关键思想
在V形图的左边写出关键思想。对于电磁感应了解了哪些内容？对于这一事件有哪些知识是最关键的，可以查阅相关的书籍或是网络，总结得到的信息，并将它们写在V形图左边“关键思想”的下面。