淺談數(shù)字實(shí)驗(yàn)儀器在科學(xué)課中的應(yīng)用

張?jiān)圃?/p>

[摘 要]在以探究實(shí)驗(yàn)為主的小學(xué)科學(xué)課堂中，相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)優(yōu)勢(shì)顯著：易于激發(fā)學(xué)生的興趣和培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)；易于轉(zhuǎn)化學(xué)生的錯(cuò)誤前概念，建立科學(xué)概念；降低實(shí)驗(yàn)難度，提高實(shí)驗(yàn)效率。但在具體數(shù)字化實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，教師要引導(dǎo)學(xué)生注意合理使用，不能依賴于技術(shù)。

[關(guān)鍵詞]科學(xué)教學(xué)；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

[中圖分類號(hào)] G623.6 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1007-9068（2018）36-0083-02

20世紀(jì)90年代，隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，教育信息化的概念被提上日程。教育信息化教師只有在教育過(guò)程中較全面地運(yùn)用現(xiàn)代化信息技術(shù)，促進(jìn)教育改革，才能適應(yīng)正在到來(lái)的信息化社會(huì)提出的新要求。因此，在小學(xué)科學(xué)課堂中，一種以傳感器和計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的新型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健獢?shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生。所謂數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，是采用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，通過(guò)傳感器采集數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示和分析數(shù)據(jù)，來(lái)完成定量實(shí)驗(yàn)的方式。學(xué)生借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，既可以理解科學(xué)的基本理論，又可以掌握有關(guān)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的相關(guān)技術(shù)。下面，結(jié)合科學(xué)課堂中使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器的教學(xué)實(shí)踐，我對(duì)使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了以下思考。

一、使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器的優(yōu)勢(shì)

1.易于激發(fā)學(xué)生的興趣和培養(yǎng)學(xué)生的綜合素養(yǎng)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)以信息化的硬件設(shè)施為前提。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)室，需配備數(shù)字實(shí)驗(yàn)儀器箱和與之相連的臺(tái)式機(jī)或者平板電腦。學(xué)生在原有實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，還需掌握連接傳感器和使用軟件采集數(shù)據(jù)和分析數(shù)據(jù)的技能。在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ街?，學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容更加豐富，更具有時(shí)代氣息，也更貼近現(xiàn)代科技前沿。學(xué)生置身于信息化的時(shí)代背景中，對(duì)科技新事物的好奇心，使他們的積極性更易被激發(fā)，學(xué)習(xí)的耐力更持久：一方面，他們忙于操作數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器；另一方面，他們樂(lè)于借助電腦進(jìn)行精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)分析和形象的實(shí)驗(yàn)對(duì)比。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐，我體會(huì)到信息技術(shù)在科學(xué)課堂上的運(yùn)用，確實(shí)給學(xué)生帶來(lái)了無(wú)限的樂(lè)趣，為學(xué)生創(chuàng)建了一個(gè)寬松的學(xué)習(xí)環(huán)境，既提高了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力，又提高了學(xué)生的信息素養(yǎng)。

2.易于轉(zhuǎn)化錯(cuò)誤前概念，建立科學(xué)概念

在科學(xué)知識(shí)的四大領(lǐng)域——物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與宇宙科學(xué)和技術(shù)與工程科學(xué)領(lǐng)域中，有些科學(xué)知識(shí)對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)是比較抽象的。如空氣是一種混合氣體，其中氮?dú)獾暮孔疃?，其次是氧氣，其中還有一些稀有氣體。呼吸的過(guò)程中，肺是氧氣和二氧化碳交換的場(chǎng)所。這些知識(shí)通過(guò)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是無(wú)法探究得到的，教師只能用“填鴨式”的方式告知學(xué)生，導(dǎo)致學(xué)生難以記憶。如果能通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得具體的數(shù)據(jù)，通過(guò)分析數(shù)據(jù)找出規(guī)律，得出結(jié)論，學(xué)生的記憶會(huì)更加深刻。另外，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析還能轉(zhuǎn)化學(xué)生已有的錯(cuò)誤概念，使之建立科學(xué)概念。如教學(xué)《肺和呼吸》一課時(shí)，呼吸的過(guò)程是吸進(jìn)氧氣和呼出二氧化碳，在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中，教師用吸管吹澄清的石灰水的實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生明白呼出的氣體中有二氧化碳。調(diào)查顯示，大部分學(xué)生認(rèn)為呼吸過(guò)程中，人體吸入了空氣中的氧氣，呼出的氣體絕大部分都是二氧化碳。而事實(shí)上，人體在呼吸過(guò)程中，只有4%左右的氧氣轉(zhuǎn)化成了二氧化碳，其他氣體的含量基本不變。教師引入數(shù)字實(shí)驗(yàn)儀器中的氣體傳感器后，可以準(zhǔn)確測(cè)量空氣和人體呼出氣體中二氧化碳和氧氣的量，從而用具體的數(shù)字推翻學(xué)生原有的錯(cuò)誤前概念，建立人體呼出的氣體中二氧化碳仍是少量的科學(xué)概念。

3.降低實(shí)驗(yàn)難度，提高實(shí)驗(yàn)效率

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)傳感器和采集器把各種物理量，如力、聲、光、溫度、位移、磁場(chǎng)強(qiáng)度等轉(zhuǎn)化成模擬電信號(hào)，再通過(guò)I/O 轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。計(jì)算機(jī)采集數(shù)據(jù)后，人們可以利用編制的軟件，快速、準(zhǔn)確地處理采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如計(jì)算平均數(shù)、總和等。軟件還可以將收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直觀的圖表。運(yùn)用各種傳感器替代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)工具，簡(jiǎn)化了學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作，降低了實(shí)驗(yàn)難度。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集之后交由計(jì)算機(jī)分析處理，既提高了分析結(jié)果的準(zhǔn)確率，又提高了分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的效率。

以“探究熱水降溫規(guī)律”這一實(shí)驗(yàn)為例，在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中，既需要學(xué)生固定煤油溫度計(jì)，還需要學(xué)生計(jì)算時(shí)間。而且，把煤油溫度計(jì)固定在鐵架臺(tái)上并不簡(jiǎn)單：高度要適中，還要避免溫度計(jì)與其他硬物相碰。開始測(cè)量后，學(xué)生每隔一定的時(shí)間就要讀取溫度計(jì)上的讀數(shù)，對(duì)于初次接觸煤油溫度計(jì)的學(xué)生而言，讀數(shù)錯(cuò)誤時(shí)有發(fā)生。改用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器后，學(xué)生只需把溫度傳感器固定好，靜心觀察傳感器收集到的熱水在一段時(shí)間內(nèi)溫度的變化即可。學(xué)生在觀察的同時(shí)，手動(dòng)繪制溫度數(shù)值變化曲線，最后將繪制的數(shù)值曲線與軟件繪制的曲線進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)熱水降溫的規(guī)律。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，既降低了學(xué)生的操作難度，縮短了做實(shí)驗(yàn)和分析數(shù)據(jù)的時(shí)間，又鍛煉了學(xué)生的數(shù)據(jù)分析能力。另外，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器在和力有關(guān)的實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更加明顯。在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，測(cè)力計(jì)的使用是個(gè)老大難的問(wèn)題。在有摩擦力和斜坡的實(shí)驗(yàn)中，測(cè)力計(jì)指針抖動(dòng)明顯，讀數(shù)誤差大，如果操作不規(guī)范，可能得到的就是錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。在這些實(shí)驗(yàn)中，普遍存在實(shí)驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差大的問(wèn)題。改用數(shù)字實(shí)驗(yàn)儀器后，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差小，對(duì)比實(shí)驗(yàn)效果顯著，更易幫助學(xué)生得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

二、使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器的困惑和思考

1.小心被技術(shù)綁架的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

在熟悉數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的硬件和軟件的基礎(chǔ)上使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器，能顯著提高實(shí)驗(yàn)效率，但學(xué)生對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)比較陌生，教師要花費(fèi)較多的時(shí)間教學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)軟硬件的使用。學(xué)生對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一知半解，不可避免削弱了實(shí)驗(yàn)效果。教師就更分身乏術(shù)了，需要不斷奔忙在指導(dǎo)學(xué)生使用數(shù)字實(shí)驗(yàn)儀器的過(guò)程中，因?yàn)閷W(xué)生在使用軟件收集到數(shù)據(jù)如果和分析數(shù)據(jù)的過(guò)程中，各種問(wèn)題層出不窮。以和數(shù)據(jù)傳感器配套的軟件為例，收集到的數(shù)據(jù)如果有誤卻沒(méi)法刪除，只能重新采集數(shù)據(jù)；在對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，圖表區(qū)不會(huì)自動(dòng)生成多組圖表，需要學(xué)生設(shè)置后才會(huì)出現(xiàn)；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不可以重命名，學(xué)生沒(méi)法快速準(zhǔn)確地把數(shù)據(jù)和圖表聯(lián)系起來(lái)……這些操作要領(lǐng)，教師需一一告知，往往實(shí)驗(yàn)還沒(méi)結(jié)束，一節(jié)課就結(jié)束了，導(dǎo)致教師沒(méi)有時(shí)間進(jìn)行總結(jié)，學(xué)生也無(wú)法獲得思維能力的提升。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器沒(méi)有優(yōu)化課堂，反而成了實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的累贅。教師如果能提前訓(xùn)練學(xué)生使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器，學(xué)生會(huì)更專注于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)操作，促進(jìn)思維能力的提高。更為重要的是，教師要選擇易于學(xué)生操作和更符合學(xué)生認(rèn)知水平的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器。

2.合理使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析上的作用明顯優(yōu)于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，但我們也不可因此廢棄傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生基本實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛯?shí)驗(yàn)素養(yǎng)的重要途徑，是不能省略的教學(xué)環(huán)節(jié)。同時(shí)，科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)指出，“科學(xué)探究是學(xué)生獲取科學(xué)知識(shí)、領(lǐng)悟科學(xué)思想、學(xué)習(xí)科學(xué)方法最重要的學(xué)習(xí)方式，既是學(xué)習(xí)科學(xué)的途徑，又是學(xué)習(xí)科學(xué)課程的目標(biāo)”。學(xué)生的科學(xué)探究能力與設(shè)計(jì)和操作實(shí)驗(yàn)的能力密不可分，而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法要求學(xué)生掌握更多的實(shí)驗(yàn)技巧。為了獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，學(xué)生必須更細(xì)致地操作，與同學(xué)分工合作。所以，從某種程度上來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的手眼協(xié)調(diào)和合作能力更有利。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生具備基本的數(shù)據(jù)處理和分析能力，包括對(duì)有效數(shù)據(jù)的使用和實(shí)驗(yàn)誤差的分析。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)依靠計(jì)算機(jī)操作平臺(tái)，學(xué)生直接獲得數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，這樣反而會(huì)弱化學(xué)生收集和分析信息的能力。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的誤差在所難免，有時(shí)因操作或其他原因?qū)е碌氖д`，反而能幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)之前未考慮到的影響實(shí)驗(yàn)的因素。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器在探究方面表現(xiàn)出很強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但決不能把它應(yīng)用到所有的科學(xué)實(shí)驗(yàn)中。教師還需以教學(xué)目標(biāo)為出發(fā)點(diǎn)，以學(xué)生的長(zhǎng)足發(fā)展為依據(jù)，合理使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)儀器。

在教育信息化的大背景下，教師應(yīng)在科學(xué)課堂中用好數(shù)字化實(shí)驗(yàn)這種新興的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ剑碇堑乜创龜?shù)字化實(shí)驗(yàn)的發(fā)展趨勢(shì)，將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)，為學(xué)生提供多樣的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和信息處理能力。

（特約編輯 木 清）