引入傳感器模塊 提高實驗有效性

孫仙偉

摘 要 在探究實驗教學(xué)中，實驗數(shù)據(jù)的有效收集直接影響著后期分析和正確實驗結(jié)論的得出。蘇教版小學(xué)《科學(xué)》四年級下冊“小車的運動”一課在教材提供實驗中存在較多問題，直接影響數(shù)據(jù)分析和正確結(jié)論得出。通過實驗小車和軌道改裝，使實驗裝置具備準(zhǔn)確性、多樣性、高效性、生活性、延伸性等優(yōu)點，為開展科學(xué)、開放的探究式教學(xué)提供幫助。

關(guān)鍵詞 科學(xué)；探究式教學(xué)；實驗裝置；傳感器；機器人

中圖分類號：G623.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2018）09-0033-03

1 引言

探究式教學(xué)是在教師和學(xué)生共同組成的學(xué)習(xí)環(huán)境中，讓學(xué)生親歷科學(xué)探究的學(xué)習(xí)過程。它大致包括：根據(jù)實際情景、觀察到的現(xiàn)象和可以獲得的信息，從學(xué)生已有的知識、對問題的了解和已經(jīng)具有的科學(xué)概念（想法）出發(fā)，提出問題；對問題的解答進(jìn)行推測；為證實推測而設(shè)計實驗或進(jìn)行觀察；收集和整理數(shù)據(jù)；得出結(jié)論和進(jìn)行交流；提出新的問題……在有些探究課題中，還鼓勵學(xué)生將學(xué)到的科學(xué)知識和日常生活相聯(lián)系[1]。

小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)在探究能力主要表現(xiàn)中提到：能否利用觀察、測量或其他手段獲得有效可靠的數(shù)據(jù)資料；能否通過對數(shù)據(jù)資料的分析判斷獲得科學(xué)的結(jié)論[2]。

從韋鈺院士的闡述和學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)要求不難發(fā)現(xiàn)，在探究教學(xué)中，學(xué)生實驗數(shù)據(jù)的有效收集直接影響后期分析和正確實驗結(jié)論的得出。那么，提高實驗數(shù)據(jù)收集的有效性、實驗有效設(shè)計、實驗裝置精確度、實驗的規(guī)范操作等因素都至關(guān)重要。本文以蘇教版《科學(xué)》小學(xué)四年級下冊第三單元第四課“小車的運動”為例，就實驗裝置改進(jìn)、實驗設(shè)計和操作、實驗創(chuàng)新點進(jìn)行論述。

2 實驗問題思考

“小車的運動”是蘇教版《科學(xué)》小學(xué)四年級下冊第三單元第四課的內(nèi)容。通過本單元的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生經(jīng)歷“設(shè)計實驗—驗證假設(shè)”的過程，了解物體的運動方式，探究物體的運動快慢。該課以學(xué)生喜愛的小車為話題，按照“問題—假設(shè)—實驗—結(jié)論”的探究過程，對影響小車運動快慢的因素進(jìn)行探究。這是采用控制變量的方法來收集數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)分析法進(jìn)行分析，從而驗證假設(shè)的具有典型意義的一節(jié)課。因此，收集到的數(shù)據(jù)的精確性顯得尤為重要。然而在組織實驗教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)存在以下三個問題。

器材缺陷多 小學(xué)科學(xué)實驗工具箱內(nèi)基本提供的實驗器材有車運動軌道裝置、小車、鉤碼、秒表和墊片等。在操作過程中發(fā)現(xiàn)，軌道裝置比較簡陋，就簡單一塊木塊，前方裝有一個定滑輪，并沒有防護(hù)措施，當(dāng)拉力較大時，小車撞擊軌道容易出現(xiàn)“翻車”事故。因為軌道裝置過于簡單，功能單一，不利于學(xué)生使用。

平時教學(xué)中，其實許多學(xué)生對輪子大小和輪子多少對小車運動快慢究竟有沒有影響還是比較感興趣的，然而套材中的小車，只能用于研究拉力大小、載重量多少對小車運動快慢的影響，其可研究的內(nèi)容簡單，實驗開放性較差。

準(zhǔn)確計時難

1）軌道短，導(dǎo)致學(xué)生計時困難。大部分分組實驗中都讓學(xué)生操作秒表進(jìn)行實驗計時，在這一過程中仍存在這樣的情況：不管是套材中小車運動軌道裝置，還是讓學(xué)生在桌面上直接進(jìn)行實驗，都有距離過短的問題。在這么短的距離讓學(xué)生采用秒表計時，實則為難學(xué)生，學(xué)生即便在注意力高度集中的情況下，仍有可能出現(xiàn)較大誤差。

2）多人配合導(dǎo)致計時誤差大。分組實驗時，小組內(nèi)部會進(jìn)行分工，至少一位學(xué)生控制秒表計時，有學(xué)生負(fù)責(zé)啟動小車，這要求學(xué)生之間默契配合。但在每次操作中總是出現(xiàn)提前按表或反應(yīng)“慢半拍”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致誤差過大。

數(shù)據(jù)處理繁 在實驗教學(xué)中，學(xué)生實驗獲得的數(shù)據(jù)為兩位小數(shù)，如1.34秒。為了提高實驗的準(zhǔn)確性，平時都會要求學(xué)生反復(fù)實驗后求平均值，在此計算過程中涉及兩位小數(shù)除以整數(shù)的數(shù)學(xué)知識。然而，該知識在小學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)科中為五年級知識點，對于四年級學(xué)生而言有點兒困難。因此，學(xué)生把大部分時間用于數(shù)據(jù)處理，對于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析草草收兵，甚至有些學(xué)生根本來不及進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，無法得出結(jié)論，這無形中打擊了學(xué)生實驗的積極性。計算難度大，花費的時間長，教學(xué)進(jìn)度勢必受到影響，實驗效率也將大大降低。

3 實驗裝置改進(jìn)

針對上述問題，經(jīng)研究，認(rèn)為可以從小車、軌道上進(jìn)行改裝：讓小車和軌道的功能多樣化，滿足學(xué)生研究需求；在軌道上組裝傳感器模塊，讓數(shù)據(jù)收集更加精確。具體改進(jìn)如下。

功能多樣的小車（圖1） 把原來的小車進(jìn)行改裝，在車身上鉆孔，讓學(xué)生可以根據(jù)需要隨時增加或減少車輪數(shù)量以及改變車輪大小。如此一來，學(xué)生既可以研究拉力大小對小車運動快慢的影響，也可以通過改變車身上鉤碼數(shù)量，研究載重量對小車運動快慢的影響，還可以通過裝卸輪子來改變輪子大小或輪子數(shù)量，研究輪子對小車運動的影響，小車的研究功能多樣化。

易于變換的軌道（圖2） 通過反復(fù)實驗，發(fā)現(xiàn)在增加軌道長度情況下，可以大大降低實驗計時誤差，提高實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確性。為此，將原來60厘米的軌道變?yōu)?20厘米，讓小車可以充分地“跑”起來。用木尺作為側(cè)面擋板，避免小車沖出軌道；設(shè)計橡皮筋防護(hù)裝置，避免小車碰撞軌道出現(xiàn)“翻車”現(xiàn)象，從而有效提高實驗的安全性，并保證實驗得以順利進(jìn)行。為增加路面研究功能，利用魔術(shù)貼和砂紙在軌道反面軌道增加粗糙程度不同的表面，可用于研究路面粗糙程度對小車運動快慢的影響。

能精確測量的裝置（圖3） 傳統(tǒng)條件下，相當(dāng)一部分探究過程中學(xué)生探究需求受到限制，可進(jìn)行科學(xué)探究實驗的內(nèi)容相對較少，而且定性模糊的研究居多。隨著數(shù)字技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其與科學(xué)實驗關(guān)聯(lián)度較大的數(shù)字技術(shù)——傳感器，給解決這些問題帶來契機。傳感器以其精確、智能、易于操作等優(yōu)勢，可大大提高這種探究過程的實效[3]。

針對學(xué)生計時和計算困難的問題，改進(jìn)的實驗裝置末端裝上超聲波傳感器，同時結(jié)合中鳴機器人快車中的RCU配合使用。

其主要工作原理為：打開RCU，檢查裝置是否處于工作狀態(tài)；小車放在起跑線上，此時超聲波測得小車處于未啟動距離范圍內(nèi)（如3厘米），計時器未啟動；當(dāng)小車啟動時，超聲波測得小車與超聲波距離大于3厘米，此時，RCU啟動計時；當(dāng)小車到達(dá)終點時，也就是超聲波測得小車與超聲波距離大于100厘米（100厘米處設(shè)為終點線），此時RCU結(jié)束計時，計時結(jié)果在RCU顯示視頻上進(jìn)行顯示；多次測試后，在顯示屏上顯示多次測量平均值。

傳感器裝置的使用具有以下優(yōu)點。

1）操作簡單：簡單地觸摸屏幕就可啟動計時模式，當(dāng)小車啟動時，自動開始計時；當(dāng)小車到達(dá)所設(shè)定的距離時，自動停止計時，操作簡單。

2）誤差較小：該裝置能自動感應(yīng)計時，避免學(xué)生配合不默契、反應(yīng)速度慢而產(chǎn)生的計時誤差，誤差較小。

3）方便數(shù)據(jù)處理：該裝置可以設(shè)定多次數(shù)據(jù)存儲，并且自動求出平均值，顯示于屏幕右下方，省去求平均值這一費時而且煩瑣的計算過程，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析節(jié)約時間，提高課堂效率。

4 實驗裝置創(chuàng)新的意義和作用

實驗教學(xué)方面

1）科學(xué)性：改進(jìn)后的裝置用于實驗中，讓學(xué)生按照科學(xué)探究過程進(jìn)行探究，符合科學(xué)探究原理，實驗具有科學(xué)性。

2）開放性：學(xué)生利用改進(jìn)后的實驗裝置進(jìn)行實驗，在實驗時可以自主選擇喜歡的因素進(jìn)行研究，自主設(shè)計實驗，自主進(jìn)行實驗，讓研究更具開放性。

實驗教具方面

1）準(zhǔn)確性：利用本實驗裝置進(jìn)行實驗探究，在收集數(shù)據(jù)方面，能大大減小實驗數(shù)據(jù)誤差，有助于準(zhǔn)確分析，得出準(zhǔn)確的實驗結(jié)論。

2）多樣性：利用本實驗裝置進(jìn)行實驗探究，可以對影響小車運動快慢的多種因素進(jìn)行研究，研究方向更具多樣性。

3）高效性：利用本實驗裝置進(jìn)行實驗探究，讓學(xué)生省去費時而又煩瑣的數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，可節(jié)約大量時間用于數(shù)據(jù)分析，讓實驗更具高效性。

4）生活性：本實驗裝置器材來自現(xiàn)在熱門的機器人套裝，其他實驗器材也能從生活中獲得，實驗器材具有生活性。

5）延伸性：本實驗裝置中的軌道裝置還可以用在“摩擦力的秘密”一課的教學(xué)，實驗器材具有延伸性。

5 結(jié)語

利用本套創(chuàng)新的裝置結(jié)合改進(jìn)后的教學(xué)設(shè)計，可以保障教學(xué)順利進(jìn)行，高效達(dá)成實驗教學(xué)目標(biāo)。學(xué)生在充滿樂趣的科學(xué)課堂中合作探究，對所探究的內(nèi)容獲得最直接、最具體的認(rèn)識；在分析和處理數(shù)據(jù)的過程中，從感性認(rèn)識升華到理性認(rèn)識，對影響小車運動快慢的因素有了深刻的認(rèn)識。

參考文獻(xiàn)

[1]韋鈺，羅威爾.探究式科學(xué)教育教學(xué)指導(dǎo)[M].北京：教育科學(xué)出版社，2005.

[2]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2017.

[3]徐春明.傳感器在小學(xué)科學(xué)探究實驗中的應(yīng)用[J].中國教育技術(shù)裝備，2014（9）：47-48.