小學自然教學中數(shù)字化實驗系統(tǒng)的應用與思考

桂耀樑

上海市浦東新區(qū)育童小學

小學自然由于教材內(nèi)容的綜合性、開放性和靈活性，加上傳統(tǒng)探究儀器設備的不足，造成實驗精度不高、效果不明顯等弊端時有發(fā)生。在小學自然實驗中引入數(shù)字化實驗系統(tǒng)（DIS）后，一些傳統(tǒng)實驗無法實現(xiàn)的結果變得可視、可聽。數(shù)字化實驗系統(tǒng)的應用是實驗的革新，在經(jīng)歷了幾年的學習和實踐后，逐漸發(fā)現(xiàn)數(shù)字化實驗系統(tǒng)在小學自然教育教學中具有獨特優(yōu)勢，彌補了傳統(tǒng)實驗的不足，有效地解決了其抽象、謬誤、耗時、低效等難題。

一、數(shù)字化實驗儀器在小學自然實驗教學中的應用

數(shù)字化實驗系統(tǒng)是一種能夠把實驗產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)以數(shù)字化形式呈現(xiàn)給師生的技術，進而有利于師生快速、準確、實時開展科學實驗探究。連續(xù)測量、同步記錄、實時處理數(shù)據(jù)是數(shù)字化實驗系統(tǒng)具有的突出功能，特別是將實驗過程中的變化迅速地反映在屏幕上，使之一目了然。學生不會被煩瑣的記錄、頻繁的計算影響而忽略觀察實驗現(xiàn)象，因而能有更多的時間去設計、思考和分析實驗。該技術在教學中呈現(xiàn)以下六個特點。

（一）變抽象實驗為直觀具體實驗

在小學自然教學中，有很多實驗現(xiàn)象，可以憑借眼睛和耳朵來論斷。例如，加熱河蝦實驗，隨著溫度的變化河蝦的顏色會變成紅色，尾部慢慢彎曲，這是個可視化的過程。但有些實驗卻是我們的感官無法清晰分辨的，數(shù)字化實驗系統(tǒng)能把實驗從抽象模糊變?yōu)橹庇^具體，從而得出科學的結論。

如“蒸發(fā)與溫度的關系”實驗中，為了讓學生知道蒸發(fā)會帶走熱量這一事實，傳統(tǒng)實驗中大部分采用將酒精涂在手背上，幾分鐘后學生感覺到手背有點涼，從而推斷出蒸發(fā)帶走熱量。實驗中學生只是通過感官感覺，無法直接看到數(shù)據(jù)變化。改用數(shù)字化實驗系統(tǒng)后就能讓學生清晰明了地看到物體表面的溫度的變化過程。具體步驟如下：

① 打開“水的蒸發(fā)”模塊，這時會看到當前環(huán)境對應的溫度值。

② 選擇“自動記錄”，設定時間間隔，比如“2”秒。

③ 將溫度傳感器探針浸入水中2厘米左右，當傳感器讀數(shù)穩(wěn)定后單擊“開始”，溫度隨著傳感器探針移出水面不斷發(fā)生變化，同時觀察附著在探針表面上水溫的變化。

④ 當溫度穩(wěn)定后，單擊“實驗停止”。

⑤ 單擊“采集”，這時表格中的數(shù)據(jù)（圖1）變成一個個點，分布在繪圖窗口中，并連接成折線圖，如圖2所示。觀察圖線的變化。

圖1 水的蒸發(fā)溫度數(shù)據(jù)記錄

圖2 水的蒸發(fā)溫度變化折線統(tǒng)計圖

這個實驗在運用數(shù)字化實驗系統(tǒng)后輕松采集到豐富的實驗數(shù)據(jù)，并且呈現(xiàn)出溫度變化的折線統(tǒng)計圖。通過分析折線統(tǒng)計圖，可以發(fā)現(xiàn)蒸發(fā)與溫度之間的變化規(guī)律。折線統(tǒng)計圖能讓學生直觀地認識到蒸發(fā)與溫度之間的關系，進一步認識科學的本質(zhì)。

（二）借助系統(tǒng)減小實驗誤差

自然課中有許多與測量有關的實驗，一方面，因為傳統(tǒng)實驗儀器的先天不足等情況，時常因數(shù)據(jù)不準，得出與事實相反的結論，影響了實驗的結果。另一方面，傳統(tǒng)實驗中以手工記錄方式記錄數(shù)據(jù)，造成了數(shù)據(jù)采樣率低，影響實驗的精確度。尤其是這種記錄數(shù)據(jù)的方法，對一些快速持續(xù)變化的數(shù)據(jù)往往無能為力，造成實驗無法完成。久而久之，學生會覺得做實驗太難，不想實施，從而影響學習興趣。

例如“斜面”的實驗，通過實驗讓學生知道使用斜面能省力，斜面坡度越小越省力。在傳統(tǒng)實驗中利用鐵架臺搭建實驗裝置，用平板測力計作為工具。這種實驗方法存在的問題一是平板測力計本身就存在一定誤差；二是實驗要求重物勻速運動，但是學生無法做到；三是在實驗過程中測力計指針會跳躍，從而造成實驗數(shù)據(jù)精確度較差，影響效果。改用數(shù)字化實驗系統(tǒng)后可以避免傳統(tǒng)實驗中出現(xiàn)的偏差，提高實驗效果。具體步驟如下：

① 打開“斜面省力”模塊，單擊“開始”，這時可看到數(shù)據(jù)顯示窗口中力傳感器的示數(shù)。

② 單擊“調(diào)零”，用力傳感器測量小車受到的重力，并記錄，如圖3所示。

③ 然后將力傳感器平行于斜面方向調(diào)零，打開開關，力傳感器拉動小車在斜面上勻速運動，同時軟件會自動記錄傳感器測量的力。

④ 更換斜面傾角，重復上述步驟的操作，實驗結束表格中會出現(xiàn)記錄的數(shù)據(jù)，如圖4所示。

圖3 小車受到的重力

圖4 小車在斜面上運動時的拉力

（三）利用系統(tǒng)提升數(shù)據(jù)分析能力

傳統(tǒng)的教學中小學生雖然在教師的指導下能夠獲得實驗數(shù)據(jù)，但分析和處理數(shù)據(jù)還需要依靠教師，實驗不能真正體現(xiàn)課程改革的理念。

基于此，數(shù)字化實驗系統(tǒng)平臺采用各種類型的高分辨率傳感器作為實驗數(shù)據(jù)采集工具，可以充分發(fā)揮系統(tǒng)“即刻采集，立刻處理”的優(yōu)點，即時生成統(tǒng)計圖。這樣教師就有充足的時間引導小學生分析數(shù)據(jù)的變化規(guī)律，透過規(guī)律得出科學結論，加深對知識的理解。

例如，在“水溫的變化”中學生需要每隔一定時間測量、記錄數(shù)據(jù)并制成折線統(tǒng)計圖，再分析數(shù)據(jù)得出結論。由于水加熱和冷卻過程中溫度在不斷變化，學生既要觀察溫度計的變化，又要記錄數(shù)據(jù)，還要控制時間，造成實驗中手忙腳亂、實驗數(shù)據(jù)偏差，沒有時間去分析、探究。引進數(shù)字化實驗系統(tǒng)后，系統(tǒng)會自動記錄不同時間的溫度值，并生成折線統(tǒng)計圖，學生可以節(jié)約很多時間，從而有充足的時間去分析數(shù)據(jù)，進而提高課堂效率。

實驗步驟如下：

① 打開“水的沸騰”模塊，單擊“開始”，這時會看到當前環(huán)境對應的溫度值。

② 單擊“設置”，選擇 “自動記錄”，設定時間間隔，如“15”秒。

③ 開始加熱后，單擊 “記錄”，變化的溫度值每隔15秒就會被自動記錄至表格中，如圖5所示。

圖5 水的沸騰溫度變化數(shù)據(jù)

④ 直到沸騰，單擊“停止”。

⑤ 單擊“繪圖”，表格中的數(shù)據(jù)變成一個一個點分布在繪圖窗口中，并連接成折線圖，觀察圖線的變化，如圖6所示。

圖6 水的沸騰溫度變化折線圖

數(shù)字設備追求實驗數(shù)據(jù)的精確，在教師的引導下小學生對數(shù)據(jù)進行分析、歸納，隨后得出一個科學的結論。

（四）利用系統(tǒng)改進實驗，突破教學難點

實驗設計的成功與否決定了實驗的成功率。由于受實驗器材、設備等客觀因素的影響，傳統(tǒng)的實驗有時效果不理想，從而影響教學效果。利用系統(tǒng)改進實驗，將光傳輸、熱傳導、浮力等實驗，通過簡便的實驗操作化無形為有形，有效降低學習難度，突破知識難點。

例如“水的浮力”這單元中“物體在水中受到的浮力的大小與什么因素有關”的實驗，傳統(tǒng)實驗中，學生需要手提彈簧測力計進行實驗操作。這種操作存在以下問題：

① 由于學生年齡較小，手部的穩(wěn)定性不夠，導致彈簧測力計指針晃動厲害，造成讀取數(shù)據(jù)不準確和耗時過長。

② 手部的穩(wěn)定性不夠，還會導致重物接觸燒杯壁，影響測量結果。

③ 在操作過程中，既要控制手部的動作，又要觀察物體在水中浸入的情況，對于小學生來說比較困難。

為了解決以上各項問題，借助數(shù)字化實驗系統(tǒng)改進原實驗裝置，步驟如下：

① 先把力傳感器固定在鐵架臺上，這樣既能有效避免因手部操作不穩(wěn)定導致的讀數(shù)困難，又能有效避免重物接觸燒杯壁，如圖7所示。

圖7 水的浮力實驗裝置

② 利用升降臺緩慢抬升燒杯，可以連續(xù)測量物體在空氣中的讀數(shù)、小部分浸入水中的讀數(shù)、大部分浸入水中的讀數(shù)，直至全部浸入水中的讀數(shù)，同時系統(tǒng)自動記錄數(shù)據(jù)，如圖8所示。

圖8 水的浮力數(shù)據(jù)

③ 當物體全部浸入水中后繼續(xù)抬升燒杯，但物體不接觸燒杯底，再讀數(shù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)不再變化，這樣就可以糾正部分學生錯誤的前概念。

實驗中，固定力傳感器，并在力傳感器下掛上重物。利用平板升降臺控制燒杯升降，使重物逐漸浸入水中，從而發(fā)現(xiàn)重物受到水的浮力。實驗將原本重物向下移動，改為燒杯向上移動，但不改變兩者相對運動的關系。通過數(shù)據(jù)分析，還能發(fā)現(xiàn)物體浸沒在水中的部分越多，受到的浮力越大。實驗的改進有效地突破了教學難點，幫助學生建構了科學概念。

（五）增加可視性，激發(fā)學習興趣

實驗的持續(xù)失敗不但會使學生產(chǎn)生挫敗感，而且影響學習興趣。引入數(shù)字化實驗系統(tǒng)，不但幫助學生提高了實驗的成功率，而且可以利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)的直觀性，看到數(shù)值的大小變化，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)象的細微區(qū)別。

“磁鐵的兩極”一課中要求學生通過設計實驗、實驗驗證、分析數(shù)據(jù)得出“磁鐵各部分磁性強弱”。在小組討論后，學生會想到通過懸掛回形針的方式確定磁性強弱。這種實驗方法往往由于學生手抖而造成實驗失敗。磁感應傳感器的引入使學生可以直接觀察磁感應強度數(shù)值大小，迅速判斷磁鐵各部分磁性強弱，既激發(fā)了學生的學習興趣，又有效地提高了實驗的效果。

具體實驗步驟如下：

① 打開“磁鐵不同部位的磁性大小”模塊，單擊“開始”，窗口顯示當前傳感器測量的數(shù)據(jù)。

② 預熱3分鐘后，將傳感器遠離磁鐵，單擊“調(diào)零”。

③ 將探管置于磁鐵N極，單擊“記錄”，記錄數(shù)據(jù)，移動探管的位置，記錄不同部位磁性大小。

④ 實驗完成，單擊“停止”，觀察實驗獲得的數(shù)據(jù)，如圖9所示。

圖9 磁鐵不同部位的磁性大小

通過數(shù)據(jù)分析，學生會發(fā)現(xiàn)磁鐵不同部位磁性強弱不同，兩端磁性最強。

（六）利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)讓課堂探究延伸

在小學自然課中，學生對很多實驗內(nèi)容有著濃厚的興趣，但受到時間或空間的限制無法在課內(nèi)完成，需要學生利用課余時間進行研究。有了數(shù)字技術的協(xié)助，這些問題就迎刃而解了。例如，教學“光合作用”這一課后，有學生提出“臥室的綠色植物是不是越多越好”，由于時間上的限制，不可能長時間進行觀察和記錄，且傳統(tǒng)的實驗儀器也無法完成這一探究實驗。采用數(shù)字化實驗系統(tǒng)后，學生可以利用二氧化碳傳感器、氧氣傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行自主探究。

具體實驗步驟如下：

① 打開“臥室的綠色植物越多越好嗎”模塊，單擊“開始”，窗口顯示當前氧氣、二氧化碳含量。

② 單擊選擇“有光條件”“自動記錄”，設置時間間隔，如“15”秒。

③ 將裝置放于有光環(huán)境中，單擊“記錄”，記錄氧氣、二氧化碳含量變化，實驗持續(xù)一段時間后，單擊“停止”，實驗結束，如圖10所示。

圖10 氧氣、二氧化碳含量變化數(shù)據(jù)

④ 單擊“繪圖”，表格中的數(shù)據(jù)變成一個一個點分布在繪圖窗口中，并連接成折線圖，顯示光合作用過程中氧氣、二氧化碳含量的變化，如圖11所示。

圖11 氧氣、二氧化碳含量變化折線圖

⑤ 用黑布遮擋實驗器，設置“無光條件”下“自動記錄”，如間隔“15”秒，重復實驗步驟③—⑤，對比有光、無光條件下植物對密閉性實驗器中氧氣、二氧化碳含量變化的影響。

學生在模擬實驗中，不但理解、掌握了科學知識，而且讓課堂探究延伸到課外。

二、使用數(shù)字化實驗系統(tǒng)在小學自然課中教學效果的調(diào)查

（一）調(diào)查方法

為了解數(shù)字化實驗系統(tǒng)的教學效果，在學校7個班中展開調(diào)查，采用問卷、座談會、聽課等方法。發(fā)出問卷603份，收回有效問卷597份。實際發(fā)出教師問卷51份，收回有效問卷51份。

（二）調(diào)查結果

1.對數(shù)字化實驗系統(tǒng)興趣的調(diào)查

對“你對運用數(shù)字化實驗系統(tǒng)進行教學是否感興趣”的調(diào)查如下（表1）。

表1 對數(shù)字化實驗系統(tǒng)興趣的調(diào)查表

表中表明學生態(tài)度總體傾向于感興趣的正方向上，也就是說數(shù)字化實驗系統(tǒng)明顯地提高了學生的學習興趣。

2.注意力集中程度的調(diào)查

對問題“用數(shù)字化實驗系統(tǒng)，你的實驗注意力如何”，學生反饋如下（表2）。

表2 對注意力集中程度的調(diào)查表

表中說明利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)上課，學生的注意力集中程度較高。

3.對解決重點難點問題的調(diào)查

運用數(shù)字化實驗系統(tǒng)教學后，學生對重點難點問題的理解程度調(diào)查如下（表3）。

表3 對重點難點問題的理解程度調(diào)查表

表中說明利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)，采用可視化手段施教，有助于學生對知識內(nèi)容的理解和掌握。

4.數(shù)字化實驗系統(tǒng)輔助教學后測試情況調(diào)查

（1）兩個班的前測情況表（表4）：

表4 育童小學四年級《自然》前測統(tǒng)計表

結論：所以實驗班和對照班的得分無差異。

（2）兩個班的后測情況表（表5）：

表5 育童小學四年級《自然》后測統(tǒng)計表

結論：實驗班和對照班的得分存在高度顯著差異。

（3）兩個班的后測頻數(shù)分布多邊圖（圖12）：

圖12 兩個班的后測頻數(shù)分布多邊圖

結論：①實驗班與對照班的曲線整體及其峰值向右移，說明兩個班學生成績提高顯著，中上成績的學生大幅增加。②實驗班與對照班的低分頻數(shù)減少，說明過去學習比較后進的學生成績也有提高。③實驗班有冒尖學生出現(xiàn)，而且絕大多數(shù)學生成績達到優(yōu)良。

三、小學自然課教學中使用數(shù)字化實驗系統(tǒng)的思考

（一）數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗的關系

傳統(tǒng)實驗能夠鍛煉學生的觀察能力、動手操作能力，但同時也有著精度低、誤差大、耗時等不足，而數(shù)字化實驗正好彌補了傳統(tǒng)實驗的不足，但這并不意味著其可以完全取代傳統(tǒng)實驗。數(shù)字化實驗比較適合過程復雜、數(shù)據(jù)量多、計算量大的實驗，而數(shù)據(jù)的采集、處理都是在后臺進行的，這在實際教學中卻是一個不足。因此，在實際的教學中，二者應互為補充，教師可根據(jù)教學的實際需要，將數(shù)字化實驗和傳統(tǒng)實驗結合使用，提高課堂教學效率。

（二）數(shù)字化實驗在小學自然課堂普及率較低

相比傳統(tǒng)的實驗儀器，數(shù)字化實驗儀器價格偏高，加之目前大部分小學教學經(jīng)費緊張，進而影響了其在小學自然教學中的普及率。因為普及率不高，所以在課堂的應用率還不高，這就需要數(shù)字化實驗器材與傳統(tǒng)實驗器材互補，將數(shù)字化實驗和傳統(tǒng)實驗相結合融入小學自然課堂中進行教學。