新技術(shù)助力科學(xué)實(shí)證教學(xué)
——以“運(yùn)動(dòng)起來(lái)會(huì)怎樣(一)”教學(xué)為例

浙江省杭州市大禹路小學(xué)(310000) 陳偉泉

教科版小學(xué)科學(xué)《運(yùn)動(dòng)起來(lái)會(huì)怎樣(一)》的教學(xué)中，學(xué)生由平靜狀態(tài)到運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)呼吸的次數(shù)增多了，通過(guò)分析呼吸前后空氣成分的變化，讓學(xué)生了解呼吸器官的功能，體驗(yàn)運(yùn)動(dòng)和呼吸系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系。

呼吸為人體運(yùn)動(dòng)提供氧氣，并排出二氧化碳等廢氣，呼吸過(guò)程進(jìn)行了氣體交換。但在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生很難觀察到呼吸過(guò)程中的氣體交換，更談不上了解吸入與呼出的氣體中氧氣與二氧化碳成分的變化。

1 技術(shù)設(shè)備受限，用經(jīng)驗(yàn)代替實(shí)證

為了讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)氣體交換后氣體成分含量的變化，教材中安排了3個(gè)活動(dòng)。

活動(dòng)一：讓學(xué)生反復(fù)呼吸保鮮袋里面的空氣，并談?wù)勼w會(huì)和感受。

注：實(shí)驗(yàn)時(shí)，若學(xué)生身體有不舒服的感覺(jué)，立即停止實(shí)驗(yàn)。

活動(dòng)二：如圖2所示，用點(diǎn)燃的火柴伸入呼吸前和呼吸后的集氣瓶中，觀察火柴燃燒的程度及變化，證明呼吸前后的氣體成分是不一樣的。

圖2 活動(dòng)二

活動(dòng)三：學(xué)生觀察分析圖3中的數(shù)據(jù)，探究呼吸前后氣體成分的變化。

圖3 活動(dòng)三

“活動(dòng)一”讓學(xué)生反復(fù)呼吸保鮮袋內(nèi)的空氣是難以控制的，而且每個(gè)學(xué)生的體驗(yàn)和感受是不一樣的，很難達(dá)成共識(shí)。反復(fù)呼吸保鮮袋里面的空氣是否可行，還需從學(xué)生健康的角度論證。

“活動(dòng)二”實(shí)驗(yàn)活動(dòng)所需材料多，實(shí)驗(yàn)操作繁瑣，且實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯，實(shí)驗(yàn)結(jié)果不能說(shuō)明問(wèn)題。

“活動(dòng)三”學(xué)生觀察分析圖表數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)呼吸前后的氣體成分發(fā)生了變化。通過(guò)討論知曉“呼吸是氣體交換的過(guò)程，需要消耗氧氣，產(chǎn)生二氧化碳并呼出體外”。這樣的教學(xué)方式，雖然能夠很快得出結(jié)論，但是通過(guò)對(duì)直接獲得的已有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，學(xué)生缺少獲得數(shù)據(jù)的探究過(guò)程，對(duì)獲得的數(shù)據(jù)缺乏認(rèn)同感。對(duì)數(shù)據(jù)不重視，分析推斷得到的結(jié)論不是學(xué)生真正信服的結(jié)論。

4年級(jí)學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)，是以具體的感性認(rèn)知為主。學(xué)生沒(méi)有直觀的感受，認(rèn)為空氣是摸不著、看不見(jiàn)的單一物體。教材試圖通過(guò)1張圖的數(shù)據(jù)說(shuō)明空氣是混合物體，人體呼吸前后的空氣成分是不同的。在具體教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生面對(duì)枯燥的數(shù)據(jù)很茫然，進(jìn)行探究學(xué)習(xí)的動(dòng)機(jī)較弱。課堂上學(xué)生可能會(huì)認(rèn)同結(jié)論，但過(guò)后還會(huì)認(rèn)為吸入和呼出的都是空氣，兩者沒(méi)有差別。學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)不強(qiáng)，認(rèn)知不夠深刻，也不可能真正理解呼吸作用是氣體交換的過(guò)程。

一直以來(lái)，受到技術(shù)的制約，課堂上沒(méi)辦法直接測(cè)量人體吸入和呼出的氧氣含量到底有沒(méi)有發(fā)生變化。一般采用“呼吸體驗(yàn)+實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)+圖表分析”的設(shè)計(jì)，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)成知識(shí)，組織學(xué)生開(kāi)展學(xué)習(xí)活動(dòng)。學(xué)生經(jīng)歷科學(xué)探究過(guò)程是小學(xué)科學(xué)的基本學(xué)習(xí)方式，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，學(xué)生會(huì)對(duì)沒(méi)有親身經(jīng)歷探索獲得的證據(jù)產(chǎn)生懷疑。在這樣的教學(xué)方式下，學(xué)生一直認(rèn)為呼吸過(guò)程中吸入和呼出的氣體都是一樣的，可見(jiàn)缺乏實(shí)證的結(jié)論就很難有說(shuō)服力。

2 尋找新技術(shù)，突破教學(xué)難點(diǎn)

2017年7月，學(xué)校建立了新技術(shù)支撐的數(shù)字化信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室裝備了以“朗威DISLab系列”新技術(shù)設(shè)備，它由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+實(shí)驗(yàn)軟件包+實(shí)驗(yàn)配套材料+計(jì)算機(jī)”構(gòu)成，實(shí)驗(yàn)流程如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)流程圖

氧氣傳感器和二氧化碳傳感器是直接測(cè)量空氣中氧氣含量和二氧化碳含量的新技術(shù)設(shè)備，如圖5所示。氧氣傳感器由氧氣傳感器、數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)顯示器(平板或臺(tái)式電腦)組成，使用時(shí)要在電腦端口安裝配套的DISLab學(xué)習(xí)軟件。通過(guò)一系列科技技術(shù)將測(cè)得的氧氣含量數(shù)據(jù)直接通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示出來(lái)，還可以通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。氧氣傳感器的使用，突破了長(zhǎng)期以來(lái)不能在教學(xué)現(xiàn)場(chǎng)采集和使用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的難點(diǎn)。二氧化碳傳感器也采用同樣的技術(shù)手段和方法采集數(shù)據(jù)，可直接測(cè)得空氣中二氧化碳的含量。

圖5 氧氣及二氧化碳傳感器實(shí)物圖

氧氣傳感器作為一種新的科學(xué)探究工具，可以測(cè)量任何一個(gè)空間位置的氧氣含量，使用簡(jiǎn)單便捷，數(shù)據(jù)即測(cè)即現(xiàn)。只要課前教師安裝好設(shè)備及相應(yīng)軟件，課堂上學(xué)生就可以動(dòng)手使用氧氣傳感器直接測(cè)量氧氣的含量，經(jīng)歷體驗(yàn)而獲得的數(shù)據(jù)，學(xué)生有認(rèn)同感，覺(jué)得數(shù)據(jù)真實(shí)可信。

3 合理運(yùn)用新技術(shù)，用證據(jù)助力實(shí)證

3.1 測(cè)量身邊的氧氣成分，學(xué)會(huì)使用傳感器

氧氣傳感器可以分成有線端和數(shù)據(jù)傳輸端。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將有線端與氧氣傳感器相連，數(shù)據(jù)采集端口與電腦相連，就可以直接在顯示屏幕上看到空氣中氧氣濃度的變化。教學(xué)中，學(xué)生先觀看微視頻學(xué)習(xí)氧氣傳感器的使用方法，再動(dòng)手在電腦上打開(kāi)相應(yīng)的軟件，測(cè)量身邊的氧氣成分，學(xué)會(huì)傳感器的使用方法。

3.2 測(cè)量空氣中的氧氣含量，“看”到空氣是混合物

學(xué)生采用氧氣傳感器測(cè)量教室內(nèi)和教室外每個(gè)位置的氧氣含量，每個(gè)實(shí)驗(yàn)小組獲得的數(shù)據(jù)都有些差異，在不同地點(diǎn)測(cè)得的氧氣濃度有輕微的差別，但數(shù)據(jù)基本還是在20%～21%間波動(dòng)。然后，對(duì)照教材所示氧氣占空氣成分的21%，引導(dǎo)學(xué)生分析和理解現(xiàn)實(shí)測(cè)得和教材數(shù)據(jù)的差異，讓學(xué)生清楚知道空氣中氧氣的成分，而且推斷剩余的氣體是什么。接著，進(jìn)一步組織實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證學(xué)生的猜測(cè)，學(xué)生采用二氧化碳傳感器測(cè)量空氣中二氧化碳的含量，發(fā)現(xiàn)二氧化碳只占空氣成分的0.03%。通過(guò)以上活動(dòng)，結(jié)合教材“空氣成分表”，學(xué)生深刻理解了空氣是一種混合氣體，同時(shí)還了解了空氣中的其他成分。

3.3 測(cè)量呼吸前后氧氣含量，實(shí)證呼出氣體中氧氣減少

呼吸前和呼吸后的氧氣含量變化，教材是通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明的，但效果不是很理想。采用氧氣傳感器和二氧化碳傳感器來(lái)測(cè)量，將不明顯的現(xiàn)象變化為真實(shí)測(cè)得的數(shù)據(jù)。學(xué)生猜測(cè)呼吸前后空氣成分會(huì)發(fā)生什么變化，確定探究氧氣和二氧化碳變化實(shí)驗(yàn)活動(dòng)方法。通過(guò)學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)，采用氧氣傳感器(二氧化碳傳感器)測(cè)量小組每個(gè)人呼吸前后氧氣(二氧化碳)含量的變化。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得真實(shí)數(shù)據(jù)，用實(shí)證讓學(xué)生真正認(rèn)同呼吸是空氣進(jìn)入肺部進(jìn)行氣體交換的過(guò)程，有助于學(xué)生真正理解呼吸系統(tǒng)的功能和作用。

實(shí)證在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中越來(lái)越被重視。氧氣傳感器可以測(cè)量空氣的成分，解決了空氣看不見(jiàn)摸不著的問(wèn)題。新技術(shù)為學(xué)生提供了探究實(shí)驗(yàn)的工具，增強(qiáng)了實(shí)證的力量。