淺談數(shù)字傳感器在科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)中的優(yōu)勢(shì)

陳秋香

【摘 要】 數(shù)字傳感器在科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在測(cè)量、采集和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。筆者將數(shù)字化探究應(yīng)用到小學(xué)科學(xué)課堂中，結(jié)合自己的課堂實(shí)踐，本文就傳感器在小學(xué)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)展開探討。

【關(guān)鍵詞】 數(shù)字傳感器；直觀化；降低難度；降低誤差；提高效率；定量研究

【中圖分類號(hào)】 G62.32 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A 【文章編號(hào)】 2095-3089（2017）16-0-01

在科學(xué)教學(xué)中，教師要注重通過(guò)探究實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過(guò)程，從而讓學(xué)生體驗(yàn)到“猜想一驗(yàn)證一歸納”的科學(xué)探究過(guò)程。傳統(tǒng)條件下，由于實(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)條件等的限制，相當(dāng)一部分探究不能進(jìn)行，學(xué)生可進(jìn)行探究的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容相對(duì)較少，而且定性、模糊的研究居多。隨著科技的迅猛發(fā)展，與實(shí)驗(yàn)密切相關(guān)的數(shù)字傳感器進(jìn)入了我們的科學(xué)課堂，給解決這些問(wèn)題帶來(lái)了契機(jī)。傳感器以其精確、智能、易于操作等優(yōu)勢(shì)，不僅讓學(xué)生親歷探究活動(dòng)更直觀，而且可以更好地保持學(xué)生的興趣和求知欲；降低實(shí)驗(yàn)難度，提高實(shí)驗(yàn)效率，讓學(xué)生有更多的時(shí)間和精力反思、交流自己和同伴的探究過(guò)程，整理、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，完成對(duì)新知的自主建構(gòu)；改變目前多定性實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)狀，擁有更多定量實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生探究活動(dòng)更接近科學(xué)本質(zhì)。筆者結(jié)合課堂實(shí)踐，對(duì)傳感器在小學(xué)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)談幾點(diǎn)自己的心得。

一、抽象變具體，使過(guò)程直觀化

教育應(yīng)從具體經(jīng)驗(yàn)人手，逐步進(jìn)人抽象，有效的學(xué)習(xí)之路必須是鋪滿著具體經(jīng)驗(yàn)的。小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中引入數(shù)字傳感器后，利用傳感器技術(shù)替代傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器完成力、熱、聲、光、電等多種數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器處理后上傳到配套電腦，由教學(xué)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理與分析，這個(gè)采集數(shù)據(jù)的過(guò)程能通過(guò)軟件在電腦上具體呈現(xiàn)出來(lái)。如聲音的大小和高低這兩個(gè)概念很容易混淆，小學(xué)生在學(xué)習(xí)這兩個(gè)概念前往往認(rèn)為聲音越大音調(diào)也會(huì)越高。因此在教學(xué)《聲音》這一內(nèi)容時(shí)，怎樣讓學(xué)生了解并區(qū)分聲音大小和高低概念成為讓科學(xué)教師頭疼的事情。利用聲音傳感器，問(wèn)題一下子迎刃而解了，聲音傳感器可以直接檢測(cè)出整個(gè)聲音的衰減過(guò)程，并且在計(jì)算機(jī)屏幕上清晰地呈現(xiàn)出這一過(guò)程。傳感器技術(shù)將看不見的波變成了直觀化的曲線，用動(dòng)態(tài)圖的形式讓學(xué)生“看見了聲音的變化”。

二、降低誤差，采集準(zhǔn)確數(shù)據(jù)

在《我們的小纜車》一課中，使用傳統(tǒng)方法研究“拉力大小與小車運(yùn)動(dòng)快慢”的實(shí)驗(yàn)，會(huì)出現(xiàn)下面的情況：（1）小車的運(yùn)動(dòng)軌跡是偏的，且拉力不同偏行的程度不同；（2）拴住小車的繩子跟桌面之間，特別是桌角邊緣，有摩擦。

這些因素會(huì)使學(xué)生采集到的數(shù)據(jù)誤差很大，進(jìn)而引起學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和初始判斷的否定，對(duì)學(xué)生探究未知形成障礙。利用光電門傳感套件和配套車軌進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，我們可以發(fā)現(xiàn)：小車會(huì)自動(dòng)沿著車軌行駛（解決偏行問(wèn)題），車軌邊緣安裝的滑輪消除了摩擦力對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。由此可見，融入光電門傳感技術(shù)后，排除了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的外在因素，提高了實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性。一組組精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為學(xué)生進(jìn)一步的思考、討論、各抒己見提供了科學(xué)的依據(jù)，學(xué)生歸納獲得的探究結(jié)果更真實(shí)更準(zhǔn)確。

三、智能控制，降低實(shí)驗(yàn)難度

還是以《我們的小纜車》一課中“拉力大小與小車運(yùn)動(dòng)快慢”的實(shí)驗(yàn)為例，傳統(tǒng)的做法是學(xué)生分工合作：一位學(xué)生手動(dòng)放小車，一位學(xué)生用秒表掐時(shí)，然后再對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與比較。這樣的弊端主要有兩個(gè)：（1）放小車和掐秒表這兩個(gè)動(dòng)作，學(xué)生一個(gè)人完成存在一定難度，如果讓兩個(gè)學(xué)生完成，又不能做到完全同步；（2）手動(dòng)掐表計(jì)時(shí)，小車運(yùn)動(dòng)的信息由眼（耳）傳到大腦，再由大腦發(fā)出指令按下計(jì)時(shí)鍵，學(xué)生基本做不到小車被三角板擋住的一瞬間掐停秒表，而且不同學(xué)生的反應(yīng)時(shí)間不同，也易犯錯(cuò)。

利用“光電傳感器”，在小車經(jīng)過(guò)的地方兩側(cè)架設(shè)光電門，小車經(jīng)過(guò)時(shí)，光就不能傳過(guò)去，此時(shí)就開始計(jì)時(shí)，小車過(guò)去后，光又能射過(guò)去，這就獲得了時(shí)間差。這個(gè)時(shí)間差通光電門傳感器傳到電腦上，不論小車運(yùn)動(dòng)速度多快，平板電腦上都會(huì)即刻顯示，都能精準(zhǔn)記錄運(yùn)動(dòng)時(shí)間。數(shù)字傳感器的應(yīng)用，大大降低了實(shí)驗(yàn)操作難度，讓學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)更感興趣，更樂于對(duì)后續(xù)的數(shù)據(jù)分析、處理，從而得出更接近科學(xué)本真的結(jié)論。

四、提高效率，節(jié)省時(shí)間

如果僅僅讓學(xué)生經(jīng)歷探究活動(dòng)，還不能幫助他們學(xué)會(huì)如何學(xué)習(xí)。讓學(xué)生運(yùn)用批判性的眼光對(duì)自己和同伴的探究過(guò)程和結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控和評(píng)價(jià)，可以使他們不斷明白自己在做什么，以及為什么這么做[2]。這就要求教師在組織科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，既要保證親歷、體驗(yàn)的過(guò)程，又要確保學(xué)生有足夠的時(shí)間思考和交流。

例如在學(xué)習(xí)“測(cè)量呼吸和心跳”一課時(shí)，學(xué)生進(jìn)行心跳的測(cè)量實(shí)驗(yàn)費(fèi)時(shí)費(fèi)力。原因有三：一是用手摸心臟部位測(cè)量心跳，既費(fèi)時(shí)也易錯(cuò)；二是運(yùn)動(dòng)后，學(xué)生注意力不能馬上集中，測(cè)量準(zhǔn)確性不高；三是要測(cè)多個(gè)“一分鐘”。整個(gè)一節(jié)課時(shí)間，被測(cè)量、糾錯(cuò)活動(dòng)占去了大半，探究的重心完全放在了“做”，而學(xué)生的“想”和“交流”的時(shí)間和機(jī)會(huì)被迫減少甚至忽略。應(yīng)用心率傳感器，學(xué)生就可以即時(shí)測(cè)得不同狀態(tài)下的精確心率數(shù)值，既節(jié)約學(xué)生的時(shí)間，又排除了其他因素的干擾，提高了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。讓學(xué)生的注意力從“摸心跳”“數(shù)數(shù)”等轉(zhuǎn)向?qū)Α昂粑托奶标P(guān)系的深層分析與探究，有更多的時(shí)間交流、分析、概括實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)“思”“做”“說(shuō)”等各個(gè)環(huán)節(jié)時(shí)間的靈活分配，提高探究實(shí)驗(yàn)效率。

五、改變現(xiàn)狀，進(jìn)行定量研究

定量分析是科學(xué)研究的重要思想，我們很多實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并不是直接觀察的結(jié)果，而是對(duì)轉(zhuǎn)變后的物理量進(jìn)行觀察統(tǒng)計(jì)，從而間接得出科學(xué)結(jié)論。傳感器技術(shù)的運(yùn)用為定量研究創(chuàng)造了條件，可以轉(zhuǎn)變當(dāng)前實(shí)驗(yàn)探究中重定性輕定量研究的現(xiàn)狀。傳感器測(cè)量的數(shù)值精度較高，一方面可以把測(cè)量的結(jié)果用物理量、動(dòng)態(tài)曲線來(lái)表示，另一方面可以將無(wú)法直接觀察到的物理量轉(zhuǎn)化為可見的物理量，這是感官感受無(wú)法比擬的，因此運(yùn)用傳感器技術(shù)可以減少感官的“誤判”。例如學(xué)生進(jìn)行保溫裝置的設(shè)計(jì)時(shí)，為了弄清自己設(shè)計(jì)的保溫裝置的效果，就要對(duì)其進(jìn)行定量分析，而不是單純靠“感覺來(lái)判斷?！睖囟瓤床灰娒恢?，我們可以通過(guò)溫度傳感器，進(jìn)行定量測(cè)量：讓學(xué)生打開將溫度傳感器放人保溫裝置中一段時(shí)間，通過(guò)觀察分析系統(tǒng)軟件中顯示的溫度變化值和曲線變化，檢驗(yàn)學(xué)生設(shè)計(jì)的保溫裝置的成效。此外還可以將數(shù)據(jù)圖表生成為實(shí)驗(yàn)報(bào)告，為學(xué)生進(jìn)一步改進(jìn)自己的裝置提供證據(jù)。

六、結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字傳感器技術(shù)在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，使科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)更豐富、更規(guī)范、更科學(xué)、更有效；使教學(xué)方法上實(shí)現(xiàn)了多樣化；在教學(xué)模式上使交互式教學(xué)成為可能；在教育理念上為教育的發(fā)展提供了新思路。但我們同時(shí)也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，“技術(shù)”是一把雙刃劍，傳感器的應(yīng)用也有些不足：（1）雖然使數(shù)據(jù)的獲得更加直接和直觀，卻弱化了計(jì)算、作圖、操作等重要能力的培養(yǎng)；（2）傳感器的原理復(fù)雜，增加了學(xué)生對(duì)儀器原理的認(rèn)知難度等。因此，我們需要根據(jù)實(shí)際情況，作出相應(yīng)的改變。

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