聚焦數(shù)字力量 催化教學(xué)變革

李艷

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)不斷發(fā)展，在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用也愈加廣泛。在傳統(tǒng)條件已無(wú)法滿(mǎn)足師生探究需求的數(shù)字化社會(huì)背景下，如何利用數(shù)字化設(shè)備幫助學(xué)生掌握獲取科學(xué)知識(shí)的方法、提升科學(xué)素養(yǎng)是當(dāng)代科學(xué)教師亟須解決的一個(gè)重要問(wèn)題。因此，本文聚焦數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，將其引入傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中去，以理論結(jié)合實(shí)際的方式對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行具體的分析研究。在此基礎(chǔ)上，本文將歸納總結(jié)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)師生的教與學(xué)帶來(lái)的一系列影響和改變，從而為如何更好地服務(wù)于師生的教與學(xué)提供新思路。

何為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

所謂數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是將小學(xué)科學(xué)課程中涉及的一些理化生實(shí)驗(yàn)引入傳感器等數(shù)字化設(shè)備來(lái)完成。小學(xué)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中主要配備的傳感器有：溫度傳感器、力傳感器、氣中氧傳感器、二氧化碳傳感器、光電門(mén)傳感器、心電圖傳感器等。通過(guò)數(shù)據(jù)采集器和USB連接線(xiàn)將傳感器數(shù)據(jù)傳入電腦，結(jié)合相應(yīng)的軟件可以實(shí)時(shí)顯示出實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)。數(shù)字化設(shè)備獲取的數(shù)據(jù)精確度較高，并且能將數(shù)據(jù)的大小以及變化趨勢(shì)以曲線(xiàn)的形式呈現(xiàn)出來(lái)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集的功能，可以輕松解決許多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法解決的涉及連續(xù)快速變化的量的各種實(shí)驗(yàn)。

除傳感器外，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中還有一個(gè)有力的工具——交互式電子白板。它是由硬件電子感應(yīng)白板和軟件白板操作系統(tǒng)集結(jié)形成。交互式電子白板本身就相當(dāng)于一個(gè)投影幕，當(dāng)投影機(jī)照到白板上時(shí)，由于白板內(nèi)部的特殊構(gòu)造，此時(shí)白板就相當(dāng)于電腦的觸摸顯示屏，可用一支專(zhuān)用筆代替鼠標(biāo)在白板上進(jìn)行操作，可以運(yùn)行任何應(yīng)用程序，可以像在計(jì)算機(jī)上利用鍵盤(pán)及鼠標(biāo)那樣實(shí)現(xiàn)對(duì)文件進(jìn)行編輯、注釋、保存等任何操作。

數(shù)字化設(shè)備的這一系列優(yōu)點(diǎn)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方式是一個(gè)非常好的補(bǔ)充，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中能發(fā)揮出巨大作用。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，一些只能定性、無(wú)法定量的實(shí)驗(yàn)以及一些微小或瞬間數(shù)據(jù)的測(cè)量上，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)馨l(fā)揮出巨大作用。

解析數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于學(xué)生的“學(xué)”

在教學(xué)中，新工具的發(fā)明和改進(jìn)，對(duì)學(xué)生的認(rèn)知和思維發(fā)展具有十分重要的作用。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以引導(dǎo)科學(xué)探究，使科學(xué)探究進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展高度，并且因?yàn)槠涮赜械慕虒W(xué)功能而具有廣闊的發(fā)展前景。

為更好地服務(wù)于科學(xué)課堂，數(shù)字傳感器的應(yīng)用要立足于小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)科特點(diǎn)。因此可以先從小學(xué)科學(xué)教材入手，進(jìn)行全面、深入、具體、系統(tǒng)的了解，找準(zhǔn)數(shù)字傳感器所適用的實(shí)驗(yàn)類(lèi)型，充分應(yīng)用數(shù)字傳感器的超強(qiáng)數(shù)據(jù)信息化處理功能，使實(shí)驗(yàn)由定性分析上升到定量分析，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確度和可信度，提高實(shí)驗(yàn)效率。

1.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)改變學(xué)生的學(xué)習(xí)模式

在探究過(guò)程中，運(yùn)用科學(xué)的方法對(duì)問(wèn)題進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)調(diào)查研究方案是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，這個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)得好與壞將直接影響到探究過(guò)程中能否觀(guān)察到正確的科學(xué)現(xiàn)象。因此，在教學(xué)環(huán)節(jié)中，教師遵循探究是以學(xué)習(xí)者為主體，自主構(gòu)建知識(shí)體系為原則。教師利用白板下發(fā)學(xué)習(xí)任務(wù)后，學(xué)生以四人小組為單位，通過(guò)手中的白板接受任務(wù)，可以自由討論，并著手進(jìn)行解決。學(xué)生在白板上完成解決方案后，可以利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至教師機(jī)。在此基礎(chǔ)上，教師利用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可將學(xué)生的反饋投射在白板上，讓全班同學(xué)共同參與，完成實(shí)驗(yàn)方案的呈現(xiàn)、展示、交流。在生生互動(dòng)、師生互動(dòng)的過(guò)程中，優(yōu)化了教學(xué)過(guò)程，提升了教學(xué)效率，為建立以學(xué)生學(xué)習(xí)為中心的課堂教學(xué)奠定了基礎(chǔ)。

從單一的接受性學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變?yōu)轶w驗(yàn)、研究、發(fā)現(xiàn)相結(jié)合的學(xué)習(xí)方式，這是課程改革的要點(diǎn)之一。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的使用，不僅拓寬了學(xué)生的求知領(lǐng)域與視野，而且為每一個(gè)學(xué)生提供了觀(guān)察和體驗(yàn)的機(jī)會(huì)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，激發(fā)了他們的主觀(guān)能動(dòng)性，提升了他們的學(xué)習(xí)積極性，培養(yǎng)了他們的探究精神。

2.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)讓科學(xué)探究的結(jié)論更加真實(shí)有效

實(shí)驗(yàn)是探究的重要途徑，能否通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得正確的科學(xué)結(jié)論，關(guān)鍵在于獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否精確。在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中，由于傳感器和計(jì)算機(jī)的引入，實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中能夠更加快速、準(zhǔn)確地連續(xù)監(jiān)測(cè)、采集和處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并能夠通過(guò)相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)直觀(guān)地顯示出來(lái)，能夠?qū)?shí)驗(yàn)過(guò)程更客觀(guān)、更真實(shí)地展現(xiàn)出來(lái)，提高了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

執(zhí)教“摩擦力的影響因素”內(nèi)容時(shí)，學(xué)生須重點(diǎn)掌握的是影響摩擦力大小的因素，如何確定影響因素，學(xué)生須利用實(shí)驗(yàn)探究的方法獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)，在對(duì)每一組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行總結(jié)，探究摩擦力的大小與哪些因素有關(guān)。為保證實(shí)驗(yàn)的效率和精確程度，在本次實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，可用數(shù)字實(shí)驗(yàn)中的力傳感器代替彈簧測(cè)力計(jì)完成實(shí)驗(yàn)，一方面降低了實(shí)驗(yàn)操作難度，在保證物體勻速運(yùn)動(dòng)的情況下，物體所受的摩擦力的大小能夠直觀(guān)地實(shí)時(shí)顯示在電腦屏幕上，學(xué)生通過(guò)每次測(cè)量的摩擦力的大小，確定摩擦力的大小與物體的重量及接觸面光滑程度有關(guān)，與物體的運(yùn)動(dòng)速度、接觸面大小無(wú)關(guān)。傳感器的使用不僅使得測(cè)量效率大大提高，而且使得測(cè)量結(jié)果更加精確，再微小的差異也可以被及時(shí)捕捉到。同時(shí)投影技術(shù)的支持使得實(shí)驗(yàn)的過(guò)程和結(jié)果能夠?qū)崟r(shí)、直觀(guān)地呈現(xiàn)在全班同學(xué)面前，使得結(jié)論的得出更具有說(shuō)服力。

3.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可將實(shí)驗(yàn)由定性分析提升到定量分析

定性分析和定量分析是人們認(rèn)識(shí)事物時(shí)用到的兩種分析方式。所謂定性分析，就是對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行“質(zhì)”的方面的分析，主要是解決研究對(duì)象“有沒(méi)有”“是不是”的問(wèn)題，需要用文字語(yǔ)言對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行相關(guān)描述。定量分析，是對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行數(shù)量特征、數(shù)量關(guān)系和數(shù)量變化的分析，需要用數(shù)學(xué)語(yǔ)言對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行說(shuō)明。

執(zhí)教“空氣的組成”內(nèi)容時(shí)，原本課堂上安排了蠟燭燃燒和澄清石灰水變渾濁兩個(gè)實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生了解空氣中有支持燃燒的氧氣以及能使澄清石灰水變渾濁的二氧化碳?xì)怏w存在，這是通過(guò)實(shí)驗(yàn)定性分析的結(jié)果。但是氧氣和二氧化碳在空氣中所占的體積比例是多少？定性分析的結(jié)果并不能為學(xué)生提供答案。

傳感器的使用則能有效地解決這一問(wèn)題。具體的操作過(guò)程也很簡(jiǎn)便，只需連接計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集器、氧氣傳感器和二氧化碳傳感器。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)，點(diǎn)擊“通用軟件”，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)識(shí)別所接入的傳感器，并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前環(huán)境空氣中氧氣和二氧化碳的濃度。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中的氣中氧傳感器和二氧化碳傳感器的應(yīng)用不僅能幫助學(xué)生了解空氣的組成，還能對(duì)其含量做出精準(zhǔn)測(cè)定，將定性實(shí)驗(yàn)升華為定量實(shí)驗(yàn)。這些都將推動(dòng)科學(xué)探究進(jìn)一步深入下去，讓學(xué)生的科學(xué)探究更具價(jià)值和意義。

4.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)將“不可能”變?yōu)椤翱赡堋?/p>

隨著信息時(shí)代的發(fā)展，教學(xué)星球系統(tǒng)是比較先進(jìn)的教學(xué)儀器之一，是實(shí)現(xiàn)三維立體動(dòng)態(tài)展示的單體數(shù)字化教學(xué)儀器。它通過(guò)國(guó)際先進(jìn)的三維圖像處理平臺(tái)，方便教師將圖片、視頻、動(dòng)畫(huà)等多媒體資源轉(zhuǎn)變?yōu)榍蛎鎴D像，結(jié)合精密光學(xué)技術(shù)，瞬間展示在數(shù)字化球形投影屏幕上，動(dòng)態(tài)立體地再現(xiàn)自然科學(xué)的現(xiàn)象和過(guò)程。

“探索宇宙”內(nèi)容旨在通過(guò)一系列的觀(guān)察、記錄、實(shí)驗(yàn)、討論、資料閱讀等方式，引領(lǐng)學(xué)生走近天文殿堂，揭開(kāi)宇宙的神秘面紗。但是對(duì)于小學(xué)生而言，囿于觀(guān)察能力、觀(guān)察空間及污染問(wèn)題等一系列影響因素的限制，觀(guān)察未必能取得較好的結(jié)果，更多的則是依靠課堂上教師提供的較為單一的圖片、視頻及文字資料，在想象力的加工下探索宇宙，認(rèn)識(shí)星空，教學(xué)效果一般。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)則可改善傳統(tǒng)課堂的弊端，通過(guò)數(shù)字星球的模擬，將學(xué)生帶入了觸手可及的太空世界。

數(shù)字星球系統(tǒng)除了有投影機(jī)、魚(yú)眼透鏡組、球形投影屏幕、底座、遙控器等硬件材料外，還包含了一系列的配套新課標(biāo)課程資源、專(zhuān)題資源以及拓展資源等軟件材料。在教學(xué)過(guò)程中，只需啟動(dòng)“Storyteller”這一系統(tǒng)軟件，教師可根據(jù)自己的教學(xué)設(shè)計(jì)選擇相應(yīng)的內(nèi)容進(jìn)行講解，當(dāng)講到某個(gè)具體的知識(shí)點(diǎn)時(shí)，數(shù)字星球的球形屏幕就會(huì)實(shí)時(shí)呈現(xiàn)出與本知識(shí)點(diǎn)相關(guān)的球面圖像或動(dòng)畫(huà)，時(shí)而是“噴火”的太陽(yáng)，時(shí)而變身為轉(zhuǎn)動(dòng)的地球，時(shí)而又成為太陽(yáng)系大家族的其他成員。取下球形屏幕，利用投影機(jī)和配套課程資源，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室里的“穹頂”造型，我們還能在教室里看到漫天的“繁星”。

數(shù)字星球系統(tǒng)通過(guò)球形屏幕進(jìn)行的一系列動(dòng)態(tài)演示，突破傳統(tǒng)教學(xué)模式和顯示模式，使原本平面、靜態(tài)、單調(diào)的天文知識(shí)瞬間變得立體而生動(dòng)，幫助學(xué)生構(gòu)建起空間的概念，化抽象為具體。這種多角度、多層次、多形式的學(xué)習(xí)更易于被學(xué)生接受，更易激發(fā)他們的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)學(xué)習(xí)方式的變革。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)服務(wù)于教師的“教”

1.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)縮減實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的工作量

對(duì)于剛剛接觸數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的教師而言，面對(duì)一些精密的現(xiàn)代化儀器設(shè)備，教師對(duì)其性能不是非常熟悉，在缺少技術(shù)支持的情況下，會(huì)將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)等同于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行使用，如力傳感器等同于彈簧測(cè)力計(jì)，酸堿傳感器等同于pH試紙，溫度傳感器等同于溫度計(jì)……與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備需要搭建裝置不一樣的是，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)只需要選擇相應(yīng)的傳感器裝置和配套的軟件即可，教師實(shí)驗(yàn)前期準(zhǔn)備的工作量大大縮減。

2.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)拓展教學(xué)功能

在能夠比較熟練使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備的前提下，教師可在課堂教學(xué)的過(guò)程中發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)所特有的教學(xué)功能，來(lái)解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無(wú)法解決的問(wèn)題。比如，有的實(shí)驗(yàn)方法陳舊、數(shù)據(jù)難以收集、誤差大，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中不能精密地捕捉到一些細(xì)微的變化，精確性有待提高;而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)利用其精密度高、可操作性強(qiáng)、數(shù)據(jù)容易收集、處理的優(yōu)點(diǎn)，給課堂教學(xué)帶來(lái)便捷性、精確性的體驗(yàn)。

執(zhí)教“力在哪里”內(nèi)容時(shí)，學(xué)生須認(rèn)識(shí)力的大小，教師組織學(xué)生利用彈簧測(cè)力計(jì)對(duì)力的大小進(jìn)行測(cè)量，出現(xiàn)了問(wèn)題：測(cè)量的物體較輕，彈簧測(cè)力計(jì)的指針不會(huì)發(fā)生變化，無(wú)法讀數(shù);測(cè)量的物體較重，超過(guò)彈簧測(cè)力計(jì)的最大測(cè)量值，無(wú)法讀數(shù)。為解決測(cè)量難題，教師適時(shí)引入力傳感器，它可以將測(cè)量結(jié)果精確至0.01牛，測(cè)量的范圍與彈簧測(cè)力計(jì)相比，得到了非常大的提高。

3.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化教學(xué)過(guò)程

交互式電子白板的出現(xiàn)真正實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，建立起白板、計(jì)算機(jī)、教師、學(xué)生之間的信息交換、雙向互動(dòng)的通道。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中交互式電子白板的使用，不僅替代了傳統(tǒng)的黑板與粉筆，還能讓教師將制作好的課件和整個(gè)教學(xué)過(guò)程結(jié)合在一起，除可直接在白板上對(duì)課件進(jìn)行編輯、注釋、保存等一系列常規(guī)操作外，還能針對(duì)學(xué)生的回答，在屏上進(jìn)行批注，實(shí)現(xiàn)及時(shí)反饋。其自帶的拖放、放大、組合等功能，讓師生、生生間的互動(dòng)更加靈活，也更利于突出教學(xué)重點(diǎn)。除此以外，交互式電子白板還具有強(qiáng)大的資源庫(kù)功能，在教學(xué)過(guò)程中教師可隨意調(diào)用各種素材資源，更好地為課堂教學(xué)服務(wù)，提高了課堂效率，保證了教學(xué)任務(wù)的完成。

應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)輔助科學(xué)探究，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)探究與信息技術(shù)的整合，滿(mǎn)足了信息時(shí)代發(fā)展的需求。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)充分發(fā)揮了傳感器和計(jì)算機(jī)的優(yōu)勢(shì)，利用傳感器對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)實(shí)行了自動(dòng)化的采集、記錄、分析，不僅快速、準(zhǔn)確，而且極大地節(jié)省了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，提高了課堂效率。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對(duì)于每一個(gè)動(dòng)態(tài)的數(shù)據(jù)都能夠?qū)崟r(shí)地記錄下來(lái)，真實(shí)地再現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的每一個(gè)瞬間，使得一些原本受實(shí)驗(yàn)測(cè)量?jī)x器的限制，無(wú)法在課堂上呈現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)得以開(kāi)展，有效地解決了教學(xué)難題。

總之，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的有效應(yīng)用，滿(mǎn)足了學(xué)習(xí)者在科學(xué)探究中的多種需要，從手段上、觀(guān)念上和教學(xué)模式上都引起了深層次的變革，體現(xiàn)了教育思想觀(guān)念的進(jìn)步。因此，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的使用必將成為科學(xué)探究改革的重要突破口。