小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)可視化探索與實(shí)踐

白德利

【摘要】基于數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的可視化教學(xué)是應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的一種新技術(shù)手段和方法，它是利用傳感器技術(shù)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芨行У靥岣邔?shí)驗(yàn)效率，更真實(shí)地收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，更準(zhǔn)確地分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如何運(yùn)用可視化方法為小學(xué)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)錦上添花，是廣大科學(xué)教師一直在探索的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)?數(shù)字化?可視化

一、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與過(guò)程形象可視化

在科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，看不見(jiàn)摸不著的物質(zhì)對(duì)小學(xué)生來(lái)說(shuō)通常是教學(xué)的難點(diǎn)，因?yàn)閷W(xué)生對(duì)這些物質(zhì)沒(méi)有具象的思維。如何把看不見(jiàn)的物質(zhì)讓學(xué)生具體可視化？例如，在日常生活中，我們只能用耳朵來(lái)判別聲音的高低、輕響，但是可視化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)就突破傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的限制，讓學(xué)生不僅能聽(tīng)到聲音，還能通過(guò)畫(huà)面看見(jiàn)聲音的形態(tài)，并且了解這種形態(tài)與振動(dòng)的關(guān)系。

案例1：聲音輕響與振幅的關(guān)系以及音調(diào)高低與頻率的關(guān)系。

在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備傳感器、數(shù)據(jù)采集器，基于口風(fēng)琴、豎笛等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。首先，通過(guò)演奏樂(lè)器或者唱歌，學(xué)生仔細(xì)聽(tīng)聲音，知道聲音有響度和音調(diào)的不同。其次，通過(guò)利用傳感器相關(guān)軟件，截取適當(dāng)?shù)摹奥暡ā眻D片，能觀察到聲音在輕響和音調(diào)高低時(shí)聲波的圖形都各不相同。最后，開(kāi)展兩組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)康恼{(diào)整并控制實(shí)驗(yàn)變量，獲得真實(shí)有用的實(shí)驗(yàn)教據(jù)，一是笛子吹同一音高的聲音，但是注意控制笛音的輕響不同，觀察波形的不同，開(kāi)展聲音的輕響與聲波的振幅是否有關(guān)的實(shí)驗(yàn);二是注意控制笛音的輕響，吹出不同音高的笛音，觀察波形的不同，開(kāi)展音調(diào)高低與聲波的振動(dòng)頻率是否有關(guān)的實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以看出聲音的輕響與聲波的振幅有關(guān);音調(diào)高低與聲波的振動(dòng)頻率有關(guān)。

案例中有關(guān)“聲音”的內(nèi)容，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中因?yàn)槿狈τ行У膶?shí)驗(yàn)工具，學(xué)生對(duì)聲音與振動(dòng)的關(guān)系易產(chǎn)生認(rèn)知障礙。而可視化實(shí)驗(yàn)就讓聲音以聲波的形式躍在學(xué)生的眼前。直觀的聲波圖形，較好地實(shí)現(xiàn)了聲學(xué)的可視化教學(xué)，學(xué)生在此基礎(chǔ)上還“玩”出了聲反射、聲傳播等實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)展了實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)的質(zhì)量。

二、豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)突破教學(xué)重難點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)是科學(xué)研究的基本方法，在教學(xué)過(guò)程中，教師要用豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，突破教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。例如，在生活中，人們大多在夏季穿著淡顏色的衣服，在冬季穿著深顏色的衣服，這是因?yàn)槲矬w吸收太陽(yáng)輻射熱和物體表面的顏色深淺有關(guān)系，那么如何來(lái)證明呢？

案例2：在教學(xué)“熱輻射”時(shí)，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中會(huì)混淆顏色和深淺這兩個(gè)不同的概念。

針對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的不足，教師選用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括熱傳感器、數(shù)據(jù)采集器等，并自制了多組物體表面顏色深淺不同的實(shí)驗(yàn)材料（深綠—淺綠、青藍(lán)—淡藍(lán)、酒紅—粉紅、深黃—淺黃），實(shí)驗(yàn)器材可以進(jìn)行反復(fù)多次實(shí)驗(yàn)后獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并從中找出規(guī)律。首先，在實(shí)驗(yàn)中學(xué)生使用傳感器進(jìn)行黑白兩色吸收輻射熱的本領(lǐng)大小對(duì)比實(shí)驗(yàn)，收集數(shù)據(jù)，分析并討論，黑色的物體表面吸收輻射熱的本領(lǐng)較大。其次，教師出示表面顏色深淺不同的四組實(shí)驗(yàn)材料（深綠—淺綠、青藍(lán)—淡藍(lán)、酒紅—粉紅、深黃—淺黃），指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行吸收輻射熱的本領(lǐng)大小對(duì)比實(shí)驗(yàn)，學(xué)生記錄數(shù)據(jù)，討論并分析結(jié)果。最后，學(xué)生把顏色深淺不同的五組實(shí)驗(yàn)材料數(shù)據(jù)通過(guò)軟件轉(zhuǎn)化為統(tǒng)計(jì)圖形，再依據(jù)圖形分析結(jié)果。

在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過(guò)高效的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，采用實(shí)時(shí)記錄、處理數(shù)據(jù)的方式，在一分鐘內(nèi)可以獲取30組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。學(xué)生通過(guò)觀察數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化而來(lái)的圖形，很快就總結(jié)出了規(guī)律，教學(xué)的重難點(diǎn)也就迎刃而解了。

三、實(shí)驗(yàn)結(jié)論的獲得清晰有效

在某些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，由于實(shí)驗(yàn)器材的限制，實(shí)驗(yàn)效果并不理想，學(xué)生無(wú)法直觀看見(jiàn)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，更無(wú)法清晰地得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。如在教學(xué)“純凈水和鹽水導(dǎo)電嗎”這個(gè)內(nèi)容時(shí)，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)做法是在裝有液體的燒杯外連接一個(gè)電路，液體中有銅片和鋅片與電路相連，然后在純凈水中加入食鹽進(jìn)行攪拌。這個(gè)實(shí)驗(yàn)所存在的客觀干擾因素有很多，如鹽量的多少、電流量的大小、電阻的大小都會(huì)影響到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。關(guān)鍵是在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，低濃度的食鹽水是否導(dǎo)電，成為學(xué)生爭(zhēng)議的焦點(diǎn)。

案例3：鹽水導(dǎo)電嗎？

如何讓小學(xué)生能直觀地觀察到低濃度的食鹽水也是導(dǎo)電的呢？

為了讓學(xué)生們獲得正確的科學(xué)結(jié)論，教師采用了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，包括電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器、燒杯、食鹽、攪拌棒等，首先把數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備電流傳感器和純凈水接入一個(gè)電路回路中，倒入純凈水，然后往純凈水中加入一勺食鹽，觀察電流傳感器軟件界面的數(shù)據(jù)變化。用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備后可以發(fā)現(xiàn)，加入1勺食鹽時(shí)，電流數(shù)據(jù)就已經(jīng)變化，說(shuō)明有電通過(guò)這個(gè)回路，加入2勺、3勺食鹽時(shí)，數(shù)據(jù)的變化更加明顯，且統(tǒng)計(jì)圖也直觀顯示出數(shù)據(jù)的變化。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)及圖示可直觀地得出結(jié)論：加入食鹽的純凈水無(wú)論是低濃度的，還是高濃度的，都可以導(dǎo)電。

在“鹽水導(dǎo)電”這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生不僅清晰有效地看到低濃度的鹽水導(dǎo)電這個(gè)現(xiàn)象，而且對(duì)科學(xué)探究更加充滿興趣和好奇，減少了學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的畏難情緒。