運用電子傳感器實施小學科學STEM探究教學研究

蕭順歡

【摘要】小學科學課堂是探究性學習主陣地，是學生通過對學科知識結構的把握，在內(nèi)部動機即好奇心、進步的需要，而電子傳感器設備具有科技化、信息化、智能化的特點，可以為參與探究性學習的學生提供實用的實驗設備和豐富的空間資源。因此，本探究中，將信息化設備電子傳感器引入科學探究性學習活動中，為學生開展多元化、綜合性和探究性研究提供硬件支持，構建融合STEM教育理念的電子傳感器探究性課堂模式，為小學科學教學信息化提供參考范例，進一步培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，提升學生創(chuàng)新精神和實踐能力，并提升教師的信息化教育教學素養(yǎng)。

【關鍵詞】小學科學 ?電子傳感器 ?STEM教育探究教學

【中圖分類號】G623.9 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2020）29-0044-02

在科學技術一日千里的今天，時代對教育的要求也愈發(fā)高，教學的理念和方法策略的運用對教學的效率起到了非常大的作用。其中運用STEM課程理念，培養(yǎng)學生的學科素養(yǎng)和實踐能力，運用所學知識解決生活中遇到的問題尤為重要。那么何為STEM？STEM是指科學（Science），技術（Technology），工程（Engineering），數(shù)學（Mathematics）四門學科英文首字母的縮寫。它一經(jīng)提出就在教育屆掀起熱潮[1]。眾所周知一個人需要掌握的知識并不是單一不聯(lián)系的，隨著學習的深入所需掌握的知識是多元化、多學科的知識構建過程。而現(xiàn)代的教育教學正是需要教師在不同學科教學中充分地把不同學科的知識融合一起并通過一定的方法手段讓學生在學習中能掌握到各方面的知識，從而達到更符合時代發(fā)展需要的建設者和接班人。而當前STEM教學就能結合科學實驗進行多學科融匯教學，使學生的科學素養(yǎng)得到培養(yǎng)，同時促進他們各方面能力的全面發(fā)展。

人們通過科學觀察認識世界、解釋自然界的客觀規(guī)律;在技術和工程尊重自然規(guī)律的基礎上改造世界、實現(xiàn)對自然界的控制和利用、解決社會發(fā)展過程中遇到的難題;數(shù)學則作為技術與工程學科的基礎工具[2]。由此可見，生活中發(fā)生的大多數(shù)問題需要應用多種學科的知識來共同解決，是每位老師都非常關注的問題。小學科學實驗探索教學就是在這種背景下利用傳感器的原理讓學生能全面認識世界，改造自然。電子傳感器一般由敏感元件、轉換元件、變換電路、輔助電源四部分構成。其中，敏感元件直接接收測量，用于輸出被測量有關的物理量信號;敏感元件主要包括熱敏、光敏、濕敏、氣敏、力敏、聲敏、磁敏、色敏、味敏、放射性敏感等十大類;轉換元件用于將敏感元件輸出的物理量信號轉換為電信號;變換電路用于將轉換元件輸出電信號進行放大、調(diào)制等處理;輔助電源用于為系統(tǒng)（主要是敏感元件和轉換元件）提供能量。傳感器在日常生活中也有著廣泛的應用，常見的如：自動門，通過對人體紅外微波的傳感來控制其開關狀態(tài);煙霧報警器，通過對煙霧濃度的傳感來實現(xiàn)報警的目的;電子秤，通過力學傳感來測量人或其他物品的重量;水位報警，溫度報警、濕度報警等也都利用的是傳感器來完成其功能。

現(xiàn)在的小學科學教學中，探究性學習非常重要，運用有效的實驗材料獲得探究的結論，解決問題是老師們一直不斷探索的目標。利用傳感器實施小學科學STEM探究教學正在被更多的學科教學所嘗試。傳感器在科學實驗中的使用對比起傳統(tǒng)的材料進行科學實驗，特別是在聲、光、熱、力和物質溶解等方面的科學實驗操作中具有以下優(yōu)于傳統(tǒng)實驗器材的優(yōu)勢：

一、傳感器器材都是根據(jù)學生的學習內(nèi)容和實際操作能力進行研發(fā)，能更好地便于學生操作和掌控實驗所用的時間，培養(yǎng)學生的思維能力和動手操作能力。

老師必須選取合適的傳感器器材才能使用到不同年齡的科學教學中，并適應不同年齡的學生進行操作使用。但由于教師之間所選材料有所不同，所以也會存在實驗效果、實驗數(shù)據(jù)、實驗結論的差異。如：在教學《光的反射》這一課中[3]，雖然老師都選擇了淺色的紙，但是表面光滑程度不一樣的紙，它的反射效果就非常不同。如果沒有統(tǒng)一的標準，可能就出現(xiàn)了差之毫厘，謬之千里的結論。在這個問題的解決上，傳感器就能避免這種差異性，使教師在組織教學中能大概地掌握學生的操作情況和所用時間，從而更好地組織課堂教學。

利用傳感器進行實驗教學，可以讓學生發(fā)現(xiàn)，細微的操作、組裝差異都會出現(xiàn)變化巨大的結果，這時就需要冷靜的思考是哪個環(huán)節(jié)出現(xiàn)失誤，應該如何調(diào)整實驗器材才能得到理想的效果，為什么我們的結果跟其他小組的差異那么大，究竟是哪一步操作出現(xiàn)了問題，這些思考都會促進學生在反復的思考操作中發(fā)現(xiàn)問題、并思考尋求解決問題的方法，然后通過實際的操作進行驗證，從而在一步步的深入中深化自己的能力。就像在利用傳感器教學《光的反射》“虛擬實驗：光線走迷宮”這一活動時，老師先提出了問題：同學們平常有玩過走迷宮的游戲吧？那你能讓紅色的鐳射光走出這個迷宮嗎？學生小組通過操作完成鐳射光線走出迷宮的線路設計和操作，如果設計走錯一步就容易使得前面的努力都化為烏有了，這里就會出現(xiàn)不同小組在完成活動任務中的設計和操作時間上的差異。學生的嚴謹?shù)乃伎寂c動手能力在此處得到了充分的體驗。

二、電子傳感器能將傳統(tǒng)實驗無法直觀顯示的數(shù)據(jù)以曲線、數(shù)值等形式清晰地呈現(xiàn)給學生，便于學生形成科學概念，提高課堂教學的有效性。

在科學傳統(tǒng)教學中，由于實驗器材的局限性，往往學生實驗后得到的數(shù)據(jù)不同的小組或個人之間的數(shù)據(jù)會有很大的差異，比如三年級的《測量水的溫度》這一課中使用傳統(tǒng)的溫度計，由于各種不同因素的影響，溫度計測得的水溫就有很大的差異，這樣不利于學生得出正確的結論，也不利于幫助學生理解和形成科學概念。又比如說教學《怎樣得到更多的光和熱》這一課時，不同顏色的材料吸熱能力測試的實驗，所選擇的材料，如白色和粉色之間吸熱能力本來差異就比較少，如果應用傳統(tǒng)的溫度計，可能數(shù)據(jù)變化不大，甚至沒有變化，這樣對于學生的學習結論的總結就存在困惑。教師也會比較尷尬。但如果以上兩課的教學運用溫度傳感器進行測量，讓學生直觀明了地看到溫度變化的過程，顯示的實驗數(shù)據(jù)就會很明顯，哪怕是變化非常細微，都能快速準確地呈現(xiàn)出來。而且，傳感器生成的數(shù)據(jù)，還能以最直接的表格、曲線、刻度等形式呈現(xiàn)在電腦屏幕上，使師生能更直觀、方便地對實驗數(shù)據(jù)進行分析，歸 ?納，總結得出實驗結論。為有限的時間內(nèi)能有效地完成教學任務提供保障。

三、科學課堂中使用電子傳感器教學能有效地激發(fā)學生對科學學習的好奇心和求知欲。

《義務教育小學科學課程標準》中倡導小學科學是以探究作為學生學習科學的重要學習方式。探究主要是讓學生在體驗中學習科學，發(fā)現(xiàn)生活中的科學。學生在學習科學中運用電子傳感器學習相關的聲、光、熱等知識的過程中，他們能感受到傳感器的強大的功能與使用方式，大大地開拓了他們的視野，豐富了其科學探究的內(nèi)容，有利于激發(fā)學生對科學概念和探究到底的好奇心和求知欲。如進行《植物的蒸騰作用》教學時，因為前面的學習，學生已經(jīng)了解到植物生長需要水分，那么這些水分最終會去哪里？學生對此不是很了解。他們也會很好奇，并想通過親眼觀察來驗證自己的想法。那么針對學生的實際情況，這節(jié)課就利用交互式電子白板以及先進的數(shù)字化實驗儀器，幫助學生從感性認知提高到理性認知，從實驗探究和媒體數(shù)據(jù)可視化，學生能認識到葉片能蒸騰植物的水分、能描述蒸騰水分的過程、指導植物氣孔的分布規(guī)律等幾個主要的原理。蒸騰作用于光合作用、呼吸作用共同組成綠色植物的三大生理作用。本節(jié)課的學習能夠為后面對光合作用以及綠色植物在生物圈中的作用的學習奠定基礎，幫助學生完成知識構建和知識運用，從而達成教學目標。

四、運用電子傳感器與STEM教學理念相結合進行實驗教學能有效地提高學生解決問題的能力。

在科學實驗教學中結合實際實際生活，指導學生發(fā)現(xiàn)問題，提出解決問題的猜想，并能設計出解決問題的方案，然后通過努力把方案進行實踐，驗證猜想是否能解決實際的問題，學生在解決問題的過程中，運用了科學（Science）、技術（Technology）、工程（Engineering）、數(shù)學（Mathematics）四門學科的多元化的知識構建過程，也就是我們說的STEM。學生在科學實驗中，把STEM有機的融合，既培養(yǎng)了各種思維能力，又使動手操作能力得到有效的提升。在這個過程中形成自身的科學素養(yǎng)。如教學《制作太陽能熱水器》一課時，學生已經(jīng)通過這個單元前面幾課的學習，特別是通過《怎樣得到更多的光和熱》這一課中運用電子傳感器測試了不同顏色的材料吸收太陽光的能力的強弱后，學生對收集制作太陽能熱水器的材料有了更明確的方向。所以對于制作太陽能這一工程有了更多技術和理論知識的獲得后，他們收集材料的時間大大縮短，制作出來的太陽能熱水器也可以通過電子傳感器快速地測得自來水和通過熱水器加熱后的溫度變化情況，比起使用傳統(tǒng)溫度計測量或手感測量要精確多了。又如在《制作電路檢測器》這一課的教學中，運用了電子傳感器對學生制作改良的電路檢測器進行實驗效果的對比，能讓學生快速地找出制作過程中存在的問題，如計算導線長度的不足，還是原件接觸不好，或許是正負極連接方向出現(xiàn)錯誤等，都能通過傳感器比較快速精準地找到問題所在，并快速地對方案進行改進，動手操作修正錯誤，從而制作出更滿意的電路檢測器。

未來，我們應將信息化設備電子傳感器引入科學探究性學習活動中，為學生開展多元化、綜合性和探究性研究提供硬件支持，構建融合STEM教育理念的電子傳感器探究性課堂模式，為小學科學教學信息化提供參考范例，進一步培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，提升學生創(chuàng)新精神和實踐能力，并提升教師的信息化教育教學素養(yǎng)。

參考文獻：

[1]徐小軍.STEM教育理念下科學教學策略探微[J].小學教學參考，2019（24）：56-57.

[2]劉洪武.信息化教學設備在小學教學中的有效應用[J].中國教育技術裝備，2016（19）：124-125.

[3]邱黃鵬，駱慶軍.“光的反射”實驗教學設計案例分析[J].實驗教學與儀器，2018（S1）：20-21.