中学理化生开放性实验室的建设与应用研究

摘要

当前中学开放性实验室建设存在缺乏实践经验与案例参考、学科孤立难以支撑综合探究、仪器管理流程烦琐、专职指导师资缺失等问题，制约其育人价值的发挥。结合中学理化生实验教学实际需求，提出理化生一体化开放性实验室建设方案：以“协同性、便捷性、科学性、安全性”为原则，划分实验区、展示区、仪器存放区三大功能模块，配套“仪器分级存取”“课题全流程管理”等机制。通过教学案例实践，为打破学科壁垒、提升学生自主探究效率提供了可参考的实践路径。

Graphical abstract

关键词

中学 / 理化生 / 开放性实验室 / 建设与应用 / 仪器管理 / 教学案例

开放性实验室（Open Laboratory）是一种打破传统实验室封闭管理模式的教学或科研空间，其核心特点是以学生为中心，通过灵活的时间、内容、资源和管理模式，支持自主探究、跨学科实践和创新能力培养^［1］。

教育部颁发的《关于加强和改进中小学实验教学的意见》提出，学校建立开放性实验室的目的在于方便学生利用课余时间，以独立或小组合作的方式开展实验探究。中学建设开放性实验室有利于增强学生的学习体验感，有利于帮助学生建立构建系统性思维，有利于培养学生从跨学科角度解决问题的能力^［2］。在中学建设和应用开放性实验室是在基础教育阶段落实素质教育、培养创新型人才的重要举措。其意义不仅体现在进一步落实立德树人根本任务，更关乎教育生态的优化及社会人才需求的对接^［3］。

1 当前中学开放性实验室的建设与使用现状

近年来中学开放性实验室建设虽有初步进展，如部分学校已经响应教育部《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，将开放性实验室纳入教学规划，少数学校尝试开展简易跨学科实验活动，但整体仍存在明显不均衡：大多数中学的开放性实验室处于仅挂牌但未使用的状态；少数中学未设置开放性实验室；仅有极少数中学成功实现了对开放性实验室的合理有效使用。综合分析后，笔者认为制约中学开放性实验室建设和合理使用的因素主要有如下几个方面。

1.1 建设和使用缺乏经验支持和案例参考

笔者在中国知网查阅并统计了从2020年至2025年7月公布的研究成果，以“开放性实验室”为关键字检索，发现共有文献9篇，全部集中于高校教育教学的研究；以“开放性实验”为关键字检索，发现共有文献55篇，其中与中学教育教学相关的文献共有10篇。尚未发现与中学开放性实验室的建设或应用相关研究成果。这一现状的成因在于高校开放性实验室研究起步早、体系成熟，而中学因跨学科协调难度大、安全管理要求高，相关研究多停留在实验设计层面，未形成实验室建设的系统经验，导致实践缺乏参考。

1.2 大多数无法满足相关的教学需求

笔者通过走访、电话访谈等方式调查，发现几乎所有中学的开放性实验室都是按不同学科分开建设，相关的管理岗位和教学工作也只局限于单一学科内的组织安排。但学生在利用开放性实验室解决具体问题时，往往需要从跨学科角度综合运用知识进行探究，而单一学科教师往往难以满足学生快速、准确、清晰地获得全部学科知识和支持方法。例如，八年级学生在使用单一变量法探究氯化钠溶液浓度对草履虫运动的影响时，要清晰简捷地引导学生快速精准配制不同浓度的氯化钠溶液，这对大部分生物学科教师是一种挑战，但化学教师却能较为轻松地完成这一教学任务。

1.3 仪器药品的管理机制影响了开放性实验的开展

目前，中学对各学科实验室仪器药品均有严格的管理制度。无论从哪一个学科借用仪器或药品，学生或教师需要来回奔走于各实验室和办公室，在借用和归还时需要通过层层审批和登记。烦琐的管理机制耗费了师生宝贵的空余时间，极大程度地消磨了学生的学习兴趣与积极性。

1.4 各学校的开放性实验室课程建设缺乏专门的师资队伍

由于缺乏专门教师队伍，开放式实验教学课程资源稀缺，直接影响了实验室的运行。这一问题的核心原因是中学教师编制紧张，未设置“开放性实验指导”专职岗位，且相关工作未纳入绩效考核，兼职教师精力有限，难以支撑实验室常态化运行，最终导致“仅挂牌、不使用”的情况。为弥补上述不足，笔者认为建设理化生开放性实验室是改善现状、促进开放性实验学习活动开展的有效途径。

2 理化生开放性实验室建设方案

笔者设计理化生开放性实验室，核心目标是打造一个“适配学生自主探究、支撑跨学科实践、保障高效安全运转”的新型实验空间，其功能围绕以下三大核心目的展开：①打破学科壁垒，让学生无须在多学科实验室之间奔波，能在同一空间内整合理化生知识开展探究，真正实现“用跨学科思维解决问题”；②简化管理流程，让学生不用为借仪器、等审批耗费课余时间，能更专注于实验设计与操作，充分保留自主探究的热情；③补齐师资与课程短板，通过专门教学队伍与全流程指导，让学生从“想探究”到“能探究”再到“出成果”，避免实验室“仅挂牌不使用”，最终让开放性实验室真正成为培养学生实践能力与创新思维的落地载体。

为促进开放性实验室的建设有利于相关学习活动的顺利开展，使学生在教师监护、技术指导、仪器药品获取等方面获得全面的支持，在设计理化生开放性实验室时，笔者认为需从协同性、便捷性、科学性和安全性4个角度考虑^［4］，也是建设理化生开放性实验室的基本原则。

（1） 协同性。从学科协同角度出发，针对“学生跨学科探究需多学科支持”的需求，组建理化生教师与实验员专职队伍，明确固定开放时段：学科教师在岗提供安全监护与跨学科指导，实验员管理精密仪器和危化品，学生通过“随借随还”取用（危化品需教师陪同）；同时借跨学科课题推动教师协同备课，形成“教学促师资、师资反哺教学”的互促机制。

（2） 便捷性。针对“烦琐管理耗时间”的痛点，从学生取用便捷的角度考量，根据使用频次的不同，建立仪器药品的存取机制。开放性实验室可存放常用安全药品与基础仪器，如试管、烧杯、量筒、放大镜、秒表、装片、镊子等。高频使用的通用仪器可置于实验桌上，学生在进行实验学习时可直接取用；中频使用的仪器放在桌下暂存柜；低频使用的仪器存于远处仪器柜。确保学生自主实验时仪器存取高效、流程顺畅。

（3） 科学性。仪器摆放需遵循常规标准，形成科学有序的存放机制，既保障使用便捷性，也降低损耗风险。在仪器柜中，药品按“液体居下、固体居上”分层存放，较重的容器设备放于下层、较轻的放于上层；金属工具与玻璃仪器分柜存放，避免碰撞^［5］。通过标准化存放，既符合学科操作习惯，也为学生自主取用提供清晰指引。

（4） 安全性。围绕“安全优先”原则，针对危化品、精密昂贵仪器的管理要求，建立全流程监管机制，此类物品的借取、使用、清洁维护和归还需有专业的教师全程参与。虽然过程烦琐，但危化品或精密仪器的使用频次不高，沟通过程不会耗费太多时间，而且严格的制度流程还能提高学生的安全规范意识。

同时，学生操作区要配备应急洗眼器、灭火器等设施，张贴安全操作流程并提前对学生进行相关的培训。危化品、特种设备（如高压灭菌锅）存放于各学科实验室，要从空间布局到管理制度全面筑牢安全防线。

3 建设规模与布局

理化生开放性实验室所需空间大小需结合学校班级数、学生课余时段探究需求、相关课程资源建设规模等情况综合考虑。

笔者以90.85 m²面积的空置场地为建设基地进行设计的理化生开放性实验室，整体划分为实验区、展示区及仪器存放区3个功能模块^［6］（图1）。

实验区：配置长条形实验桌（规格可参考长2.90 m×宽0.60 m×高0.78 m）。实验桌间距按“操作安全、通行顺畅”的规范设置（前后间距0.7 m、左右间距0.9 m），既能满足学生的操作，也能保障教师巡视与应急疏散需求^［7］。实验桌台面采用耐酸碱、防水材质，集成水槽装置；桌下层设暂存柜，侧边配备电源插座，全面支撑基础实验操作（图2）。

展示区：设置4组玻璃展示柜（规格可参考长1.2 m×宽0.5 m×高2.0 m），用于陈列学生优秀实验报告、实验记录表、实验观察装置及实践成果等教学资料与物化成果。通过展示优秀案例，既能为其他学生提供探究参考，也能增强学生的成就感，进一步激发参与热情。

仪器存放区：配置6组仪器柜（规格可参考长1.0 m×宽0.5 m×高2.0 m），用于分类存放常规药品及低频使用仪器，柜门外张贴仪器检索卡，便于快速查阅与取用。如图3所示。

4 管理流程设计

4.1 制度管理

科学的管理制度是保障实验室高效运转的基础。实验场地和设备的维护管理、实验管理人员的配备和职责、学生管理等均需做到规范^［8］。在开放性实验室建设过程中，可从人员、资源、安全、卫生4个方面分别制定管理制度，规范实验室管理，保障实验顺利进行（图4）。

4.2 课题实施的管理

为避免探究活动无序开展，结合学生自主探究的特点，设计以下标准化课题实施流程。

① 课题提出：学生从综合实践主题或日常观察中提炼探究课题，初步形成实验方案；②方案审核：学生将方案报送任课教师，教师重点审核其“可行性”“安全性”，指导优化方案；③预约登记：学生根据优化后的方案填写“实验通知单”，报送实验管理教师备案；④安全培训：实验前，管理教师针对课题涉及的操作风险开展专项培训，确保学生掌握安全规范；⑤实验实施与报告撰写：学生按方案开展实验，根据探究过程与结果完成实验报告；⑥成果展示：对优秀探究成果，在教师指导下组织班级或校级展示汇报，激发更多学生的探究兴趣^［9］。

5 课题实施流程案例展示

在开放性实验室中，学生可开展的实验主要分为三大类型：一是基础实验的改进性探究；二是生活情境类的课题探究；三是综合性实践活动的项目化实验探究^［10］。

以生活情境类探究课题“光照对韭菜叶绿素形成的影响”为例，学生对生活现象的观察：菜市场普通韭菜与韭黄颜色差异显著。引发核心问题——光是导致这种差异的关键因素吗？依托建设的理化生一体化开放性实验室，学生完整开展“探究光照对韭菜叶绿素形成的影响”课题科学探究（图5）。

该课题的实施，让学生熟练掌握了“提出问题—设计方案—验证假设”的科学探究流程，也体现了实验室“跨学科支持、高效存取”的优势，既验证了方案的合理性，也为其他学校提供了可参考的实践样本。

6 关于开放性实验室建设的进一步思考

6.1 如何激发学生探究的积极性

开放性实验室的核心价值在于释放学生的探究潜能，但学生自主拟定课题开展实验的积极性常显不足。为此，需通过明确课题引导机制、搭建成果展示平台等措施，让学生在实践中获得成就感，持续激发其主动性。

6.2 如何保障教师参与度

实验室开放后，教师在课题指导、过程监督、实验室管理等方面的工作量显著增加。若缺乏配套激励机制，易导致教师参与积极性降低。因此，需将实验室相关工作纳入教师工作量核算体系，通过制度保障来激发教师的投入热情，确保实验室能持续高效运转。

建设中学理化生开放性实验室，本质是让教育回归“育人本质”——它不追求“产出多少科研成果”，而是通过“开放的空间、自主的探索、包容的氛围”，让学生在实践中理解“知识如何产生”“能力如何形成”“创新如何萌芽”。这种教育模式的转变，不仅能让学生更从容地应对未来的挑战，更能为国家培养具有“探究精神、创新能力、科学素养”的人才。

参考文献

[1] 张曼，宋桂珍.高校开放性实验室的研究与探索［J］.实验科学与技术，2015，13（01）：143-145.

[2] 中华人民共和国教育部. 义务教育化学课程标准（2022年版） ［S］.北京：北京师范大学出版社，2022.

[3] 耿新，陈心浩，姜臣林.开放性实验室建设的实践与探索［J］.实验室研究与探索，2011，30（12）：150-152.

[4] 刘雁，孙炳盛，刘鹏.强基视域下高中物理创新实验室建设的实践［J］.物理教师，2025，46（06）：60-62.

[5] 王建平.中学实验室管理新模式研究［J］.实验教学与仪器，2017，34（7/8）：143-144.

[6] 刘炳森.中学开放式化学实验室的建设［J］.实验教学与仪器，2012，29（02）：60.

[7] 教育部教学仪器研究所. 中小学理科实验室装备规范：JY/T0385-2006 ［S］.2006-07-19.

[8] 黄美娜，陈裕森.中学化学开放性实验室建设探讨［J］.实验教学与仪器，2016，33（03）：68-69.

[9] 齐照萍.关于开放中学实验室的思考［J］.实验教学与仪器，2019，36（02）：75-76.

[10] 王海军.培养学生实验探究能力的教学策略［J］.物理教师，2023，44（10）：29-32，41.

基金资助

2024年中国教育装备行业协会教育装备科研课题“基于教育装备的实验教学空间的建设和应用研究”(CEFR2401R02)