數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

◎ 趙偉新

數(shù)字化、信息化已成為時(shí)代的潮流，人們的生活、學(xué)習(xí)、工作等已越來(lái)越離不開(kāi)信息技術(shù)。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)迎來(lái)了新的機(jī)遇。用傳感器采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、用計(jì)算機(jī)處理數(shù)據(jù)，使學(xué)生置身于數(shù)字化的學(xué)習(xí)環(huán)境中，不僅有迫切的需求，而且有實(shí)施的可能。2015年起，借助于上海市“中小學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)中心”研制的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（Digital Information System，簡(jiǎn)稱(chēng)DIS），上海市小學(xué)科學(xué)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)上積極探索信息技術(shù)與科學(xué)課程深度融合，轉(zhuǎn)變了各級(jí)教研人員和學(xué)科教師的理念，形成了一支數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用的骨干隊(duì)伍，積累了一定數(shù)量的實(shí)踐課例，同時(shí)也初步總結(jié)了DIS運(yùn)用與小學(xué)科學(xué)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)和作用。

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在小學(xué)科學(xué)教學(xué)應(yīng)用的推進(jìn)策略

信息化環(huán)境是學(xué)生生活和學(xué)習(xí)的環(huán)境，也是學(xué)生未來(lái)踏上社會(huì)的工作環(huán)境。但在上海的小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，普遍存在著設(shè)備簡(jiǎn)易、儀器陳舊、測(cè)量粗糙等問(wèn)題，顯然不能適應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的飛速發(fā)展，不能滿(mǎn)足小學(xué)科學(xué)課程發(fā)展的需要和學(xué)生適應(yīng)未來(lái)生活的需要。如何讓信息技術(shù)進(jìn)入小學(xué)科學(xué)課程，成為小學(xué)科學(xué)的組成部分，幫助學(xué)生熟悉信息化環(huán)境，加強(qiáng)小學(xué)科學(xué)課程內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)世界的聯(lián)系，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)方式的改變，成為了上海市小學(xué)科學(xué)課程一個(gè)頗為重要的話(huà)題。

2002年，由上海市教委成立的“中小學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)中心”開(kāi)展了DIS的研發(fā)，DIS的研發(fā)始自物理。2015年，借助于研發(fā)中心的“立足物理，輻射生、化及小學(xué)科學(xué)”的策略，上海市小學(xué)科學(xué)利用課例展示、專(zhuān)項(xiàng)培訓(xùn)、教學(xué)評(píng)優(yōu)等方式，積極探索DIS在教學(xué)中的應(yīng)用。

（一）通過(guò)課例展示更新教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理念

2015年5月，在上海市小學(xué)科學(xué)市級(jí)教學(xué)研討活動(dòng)中，通過(guò)上海市徐匯區(qū)A老師“水的壓力”一課，絕大多數(shù)教師第一次看到了DIS。盡管只是學(xué)生實(shí)驗(yàn)后的一個(gè)小小的補(bǔ)充演示實(shí)驗(yàn)，但教師們深切感受到了DIS的顯著作用。

2015年10月，在云南省昆明市舉辦的“全國(guó)中小學(xué)科學(xué)優(yōu)質(zhì)課展示活動(dòng)”中，通過(guò)上海市金山區(qū)B老師“水的壓力”一課，既解決了教材上原有實(shí)驗(yàn)原理的錯(cuò)誤，又讓教師感受到了DIS帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)原理、器材等方面創(chuàng)新的可能。

2016年10月，在浙江省杭州市舉辦的“全國(guó)第四屆中小學(xué)科學(xué)特級(jí)教師及名師論壇”上，上海市教育學(xué)會(huì)中小學(xué)科學(xué)教學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)承擔(dān)了“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與小學(xué)科學(xué)教學(xué)融合初探”專(zhuān)題研討活動(dòng)，通過(guò)上海市徐匯區(qū)C老師“水的壓力”一課和相應(yīng)主題的交流，讓教師感受到了DIS帶來(lái)的學(xué)生學(xué)習(xí)方式的變革。

“水的壓力”一課前后三次的展示，對(duì)于DIS的應(yīng)用逐漸深入，執(zhí)教教師、各級(jí)教研人員和觀課教師實(shí)驗(yàn)教學(xué)的理念發(fā)生了明顯的變化，認(rèn)識(shí)到學(xué)校有責(zé)任讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到現(xiàn)代社會(huì)信息化過(guò)程對(duì)于學(xué)習(xí)方式和工作方式的影響，并把信息化工具作為自己學(xué)習(xí)的伙伴。

（二）通過(guò)專(zhuān)項(xiàng)培訓(xùn)提升教師應(yīng)用實(shí)踐的能力

教師相關(guān)能力的提升并不是一蹴而就的，有個(gè)逐漸積累的過(guò)程。在為期兩年的上海市小學(xué)自然第三期骨干教師培訓(xùn)班，專(zhuān)門(mén)安排了學(xué)員參觀中小學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)中心，活動(dòng)中學(xué)員與DIS緊密接觸。培訓(xùn)班還特意安排了上海市徐匯區(qū)C老師的“水的壓力”一課和嘉定區(qū)D老師的“磁性的強(qiáng)弱”一課，既展示上海名師的先進(jìn)教學(xué)理念、豐富的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和獨(dú)特的教學(xué)藝術(shù)，也讓學(xué)員學(xué)習(xí)到了DIS與小學(xué)科學(xué)教學(xué)融合的實(shí)踐案例，激發(fā)了學(xué)員對(duì)于DIS應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)的思考與實(shí)踐，該期培訓(xùn)班的學(xué)員目前已成為上海市小學(xué)科學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用的骨干力量。

除了市級(jí)層面的培訓(xùn)外，上海市各區(qū)小學(xué)科學(xué)教研員也組織區(qū)域教師參加DIS的培訓(xùn)，更多教師對(duì)DIS有了更為深切的感受。

（三）通過(guò)教學(xué)評(píng)優(yōu)創(chuàng)建教師實(shí)踐創(chuàng)新的平臺(tái)

培訓(xùn)與學(xué)習(xí)是實(shí)踐的基礎(chǔ)，教學(xué)評(píng)優(yōu)則是實(shí)踐最好的載體，是DIS應(yīng)用的突破點(diǎn)。在2015年10月的“上海市中青年教師教學(xué)（小學(xué)自然、科學(xué)與技術(shù)學(xué)科）評(píng)優(yōu)活動(dòng)”、2015年11月的“全國(guó)第三屆中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)說(shuō)課活動(dòng)”、2016年11月的“全國(guó)第四屆中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)說(shuō)課活動(dòng)”、2017年6月的“上海市小學(xué)自然、科學(xué)與技術(shù)學(xué)科首屆實(shí)驗(yàn)教學(xué)說(shuō)課活動(dòng)”等國(guó)家和市級(jí)教學(xué)評(píng)優(yōu)活動(dòng)中，來(lái)自上海市各區(qū)的小學(xué)科學(xué)教師在DIS應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)方面有了更多的嘗試，也有了更多的優(yōu)秀課例，如熱傳導(dǎo)、電阻、鐵軌會(huì)變長(zhǎng)嗎、實(shí)驗(yàn)探究季節(jié)變化的成因等。上海市嘉定區(qū)E老師的“‘控制變量法’探究影響電阻大小的因素”和崇明區(qū)F老師的“實(shí)驗(yàn)探究熱傳導(dǎo)的特點(diǎn)與不同材料的傳熱本領(lǐng)”兩個(gè)課題分別獲得全國(guó)第三、第四屆中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)說(shuō)課活動(dòng)一等獎(jiǎng)。

在各級(jí)教學(xué)評(píng)優(yōu)中，參賽教師積極實(shí)踐，為DIS的應(yīng)用開(kāi)拓了新的領(lǐng)域，也因數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的高效率為小學(xué)科學(xué)課堂學(xué)習(xí)時(shí)空的重新分配提供了可能。

二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在小學(xué)科學(xué)教學(xué)應(yīng)用的課例介紹

在這兩年DIS的應(yīng)用研究中，上海市小學(xué)科學(xué)各級(jí)教研人員和學(xué)科教師形成了一定數(shù)量的涉及物質(zhì)科學(xué)、生命世界、地球與宇宙三個(gè)課程學(xué)習(xí)模塊的實(shí)踐課例。下面列舉其中先期探索的三個(gè)課例，來(lái)具體說(shuō)明DIS應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)。

（一）應(yīng)用課例1：水的壓力（滬科教版小學(xué)自然教材三年級(jí)第二學(xué)期）

本課例是上海市小學(xué)科學(xué)第一個(gè)市級(jí)層面的實(shí)踐課例，先后有三位教師執(zhí)教，分別解決不同的問(wèn)題，研究得以逐步深入， DIS的優(yōu)勢(shì)愈發(fā)明顯。

圖1

圖2

圖3

第一位執(zhí)教的是上海市徐匯區(qū)A老師，他在準(zhǔn)備2015年5月的上海市小學(xué)科學(xué)市級(jí)教學(xué)研討活動(dòng)中，試教時(shí)發(fā)現(xiàn)利用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材（裝置如圖1左圖所示）驗(yàn)證學(xué)生關(guān)于“水的壓力與水的多少關(guān)系”猜想時(shí)，因飲料瓶上打孔的問(wèn)題，有的小組水噴射出的距離相同，有的小組水噴射出的距離不相同，學(xué)生無(wú)法利用實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象得出清晰明確的結(jié)論。為解決學(xué)生的學(xué)習(xí)難點(diǎn)，A老師將DIS中的相對(duì)壓強(qiáng)傳感器改造成為能夠比較水的壓力大小的裝置，如圖1右圖所示，通過(guò)在兩個(gè)不同容器中相同深度處的傳感器顯示的數(shù)字，清晰地呈現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，學(xué)生順勢(shì)得出了清晰的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

第二位執(zhí)教的是上海市金山區(qū)B老師，她代表上海參加“全國(guó)中小學(xué)科學(xué)優(yōu)質(zhì)課展示活動(dòng)”，備課中有教師提出教材中的“水的壓力與水的深度關(guān)系”實(shí)驗(yàn)的原理有問(wèn)題（裝置如圖2所示），已有學(xué)者發(fā)文指出了相關(guān)的問(wèn)題，如圖3所示。為了讓學(xué)生能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自己的猜想，B老師借用A老師改造的裝置，如圖4所示，用數(shù)字解決了教材中的科學(xué)性問(wèn)題，通過(guò)演示幫助學(xué)生得出了實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

第三位執(zhí)教的是上海市徐匯區(qū)C老師，他代表上海參加“全國(guó)第四屆中小學(xué)科學(xué)特級(jí)教師及名師論壇”，主要解決前面兩堂課的DIS的應(yīng)用停留在演示實(shí)驗(yàn)的層面，如何將DIS成為學(xué)生探究的工具，C老師進(jìn)行了實(shí)踐探索，實(shí)驗(yàn)裝置還是前兩個(gè)課例的裝置，但C老師利用他個(gè)人的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)和對(duì)DIS的理解，在課堂上將DIS變成了學(xué)生搜集證據(jù)的新工具，同時(shí)利用核心學(xué)習(xí)活動(dòng)將學(xué)生學(xué)習(xí)逐步走向深入，并通過(guò)重視過(guò)程評(píng)價(jià)讓學(xué)生承擔(dān)更多學(xué)習(xí)責(zé)任，充分展現(xiàn)了一位上海市小學(xué)科學(xué)特級(jí)教師的風(fēng)采。

圖4

（二）應(yīng)用課例2：磁性的強(qiáng)弱（上海牛津版小學(xué)自然教材四年級(jí)第一學(xué)期）

“磁性的強(qiáng)弱”一課由上海市嘉定區(qū)D老師執(zhí)教，作為一名區(qū)域的學(xué)科教研員，他帶頭積極開(kāi)展DIS的應(yīng)用實(shí)踐。“磁性的強(qiáng)弱”一課，通過(guò)學(xué)生的探究得出磁鐵兩端的磁性最強(qiáng)。用傳統(tǒng)的器材，學(xué)生無(wú)法清晰得到磁鐵不同部分磁性強(qiáng)弱的差異。D老師引導(dǎo)學(xué)生利用磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器進(jìn)行探究，驗(yàn)證猜想，實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

這一實(shí)驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)有兩個(gè)：①傳統(tǒng)器材無(wú)法研究，通過(guò)數(shù)字，完成研究；②實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象穩(wěn)定、清晰、直觀。

圖5

（三）應(yīng)用課例3：熱傳導(dǎo)（滬科教版小學(xué)自然教材三年級(jí)第一學(xué)期）

“熱傳導(dǎo)”由上海市崇明區(qū)F老師執(zhí)教，本節(jié)課的教學(xué)難點(diǎn)為不同物質(zhì)的傳熱本領(lǐng)不同。F老師將自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備與DIS相結(jié)合，設(shè)計(jì)了如圖6所示的實(shí)驗(yàn)器材，其中含有傳感器支架、溫度傳感器、導(dǎo)熱基座、金屬棒、陶瓷棒、塑料棒等主要部件，將數(shù)字溫度計(jì)與金屬、陶瓷、塑料等距離接觸后，結(jié)合DIS應(yīng)用軟件可得到不同物質(zhì)的傳熱本領(lǐng)不同，如圖7所示。實(shí)驗(yàn)時(shí)，設(shè)定時(shí)間間隔為“4秒”。點(diǎn)燃酒精燈加熱金屬銅塊，點(diǎn)擊【記錄】，開(kāi)始記錄數(shù)據(jù)。自動(dòng)記錄30次后，實(shí)驗(yàn)自動(dòng)停止，熄滅酒精燈，分析電腦界面右側(cè)溫差框中的溫度變化，就可得出實(shí)驗(yàn)的結(jié)論。

F老師這樣做有三個(gè)目的：①縮短實(shí)驗(yàn)時(shí)間，120秒即2分鐘內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)；②實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可以更為穩(wěn)定、清晰、直觀；③研究對(duì)象（實(shí)驗(yàn)所用材料）可以更為全面，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)用的材料為銅、鐵、鋁三種金屬材料，而本實(shí)驗(yàn)用的是金屬鋁棒（左）、陶瓷棒（中）與塑料棒（右），且對(duì)于熱的不良導(dǎo)體陶瓷與塑料，通過(guò)數(shù)字的呈現(xiàn)，現(xiàn)象也變得可見(jiàn)了。最后運(yùn)用數(shù)據(jù)分析法，學(xué)生可直接得出“不同物質(zhì)的傳熱本領(lǐng)不同”的結(jié)論。

圖6

圖7

三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在小學(xué)科學(xué)教學(xué)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)分析

在經(jīng)歷了2年多的研究與實(shí)踐后，上海市小學(xué)科學(xué)各級(jí)教研人員和學(xué)科教師都深切感受到了DIS在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

DIS由傳感器代替學(xué)生讀取數(shù)據(jù)，用數(shù)據(jù)顯示器或者計(jì)算機(jī)代替手工記錄，通過(guò)DIS專(zhuān)用軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單統(tǒng)計(jì)、處理和分析。其連續(xù)、實(shí)時(shí)記錄、處理數(shù)據(jù)的方式能有效反映實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的變化過(guò)程，學(xué)生不會(huì)因?yàn)榉爆嵉挠涗?、?jì)算過(guò)程而忽略實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的任何現(xiàn)象，有更多的時(shí)間去設(shè)計(jì)、思考與分析，實(shí)現(xiàn)了課堂學(xué)習(xí)時(shí)空的重新分配。

DIS是一種能夠把實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)以數(shù)字的形式呈現(xiàn)給實(shí)驗(yàn)者，能快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)開(kāi)展科學(xué)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行科學(xué)探究的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。從上述的三個(gè)課例中，我們可以看出，各位執(zhí)教教師都是在“數(shù)字”這一小學(xué)生容易理解的方式上做文章，將“模糊的結(jié)論”通過(guò)“數(shù)字”變?yōu)椤扒逦慕Y(jié)論”，將“不清晰的現(xiàn)象”通過(guò)“數(shù)字”變?yōu)椤扒逦默F(xiàn)象”，將“無(wú)法研究的過(guò)程”通過(guò)“數(shù)字”變?yōu)椤翱梢匝芯康倪^(guò)程”。

DIS可以顯示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，突出教學(xué)重點(diǎn)，突破教學(xué)難點(diǎn)，為學(xué)生形成科學(xué)概念提供基礎(chǔ)，為學(xué)生體驗(yàn)科學(xué)技術(shù)對(duì)于學(xué)習(xí)的重要性提供最好的示例，也可以為學(xué)生將信息化工具作為自己的學(xué)習(xí)伙伴搭設(shè)平臺(tái)。學(xué)生的學(xué)習(xí)變得更為有效，科學(xué)課堂發(fā)生了變革。

《<基礎(chǔ)教育課程改革綱要（試行）>解讀》指出，沒(méi)有課程資源的廣泛支持，再美好的課程改革設(shè)想也很難變成中小學(xué)的實(shí)際教育成果，因?yàn)檎n程資源的豐富性和適切性程度決定著課程目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)范圍和實(shí)現(xiàn)水平。同樣，數(shù)字教育資源的豐富和適切，必將帶來(lái)小學(xué)科學(xué)教育的變革，必將帶來(lái)科學(xué)教師教學(xué)方式的變革，也必將帶來(lái)小學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)方式的變革。為此，我們將繼續(xù)努力。

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