信息化賦能開啟科學(xué)別樣課堂

張昊

【摘要】小學(xué)科學(xué)教材中，部分課程內(nèi)容涉及到關(guān)于電學(xué)初步的介紹與探索，本文以科學(xué)四年級下冊《不一樣的電路連接》一課為范例，利用教師自行編寫的Scratch電路暗盒模擬程序，嘗試探索小學(xué)科學(xué)與信息技術(shù)這兩門學(xué)科之間互相促進(jìn)、互為補(bǔ)充、相互融合的可能性。

【關(guān)鍵詞】小學(xué)科學(xué);信息技術(shù);Scratch;電路暗盒

在信息化時(shí)代的大背景下，傳統(tǒng)的小學(xué)科學(xué)教育應(yīng)當(dāng)借力科技發(fā)展趨勢，用好新生代的海量資源與優(yōu)秀的教學(xué)軟件，努力嘗試將信息技術(shù)逐步融入到科學(xué)教學(xué)活動(dòng)中去，努力探索科學(xué)教育信息化賦能的可行性。而在國家課程規(guī)劃層面，小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)亦明確提出對電學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求。在實(shí)際教學(xué)工作中，如何探尋有效途徑讓信息技術(shù)與科學(xué)學(xué)科之間彼此相融、如何讓其二者相輔相成，收獲更好的教學(xué)成效等問題，逐漸發(fā)展為蘊(yùn)藏極大價(jià)值的教科研課題。為切合實(shí)際，作者選用MIT（麻省理工學(xué)院）開發(fā)的Scratch軟件，該軟件界面簡潔，簡單易懂，并以鼠標(biāo)拖拽為主要操作方式，使用難度低，符合小學(xué)階段學(xué)生的計(jì)算機(jī)認(rèn)知與操作水平，適合小學(xué)科學(xué)課堂。

一、信息化對小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要價(jià)值

（一）高效提取實(shí)驗(yàn)知識重點(diǎn)

傳統(tǒng)小學(xué)科學(xué)課以教師引導(dǎo)學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究與理論教學(xué)相結(jié)合的形式來教授課本知識，推動(dòng)課堂教學(xué)流程，其中實(shí)驗(yàn)部分在科學(xué)教學(xué)中占有重要地位。課堂上學(xué)生通常需要完成多個(gè)實(shí)驗(yàn)，教師亦需叮囑繁多的操作注意事項(xiàng)，致使在真正開展實(shí)驗(yàn)任務(wù)之前，學(xué)生的精力與注意力往往已消耗殆盡。學(xué)生在實(shí)施實(shí)驗(yàn)的過程中，一些細(xì)微處的操作失當(dāng)，即可導(dǎo)致整個(gè)實(shí)驗(yàn)無法推進(jìn)下去，授課進(jìn)程由此中斷，教學(xué)效果受到削弱，甚至造成教學(xué)事故。拆解分析一個(gè)過程復(fù)雜、鋪墊繁瑣的實(shí)驗(yàn)，其核心往往只為證明或者探索一小個(gè)知識點(diǎn)，如果能將這一重點(diǎn)提煉出來，忽略鋪陳與細(xì)節(jié)，單方面反復(fù)強(qiáng)化訓(xùn)練，會(huì)比重復(fù)研習(xí)整個(gè)實(shí)驗(yàn)更加高效，收獲更多效益。

（二）有效提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)練習(xí)量

傳統(tǒng)科學(xué)課以實(shí)物操作來實(shí)行實(shí)驗(yàn)的方式，無法有效達(dá)成此目標(biāo)。故作者選用計(jì)算機(jī)模擬軟件，希冀充分發(fā)揮電學(xué)仿真程序的優(yōu)勢，彌補(bǔ)傳統(tǒng)科學(xué)課堂之短處，提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)練習(xí)量，引導(dǎo)學(xué)生熟練掌握實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)，切實(shí)有效地提升學(xué)生對實(shí)驗(yàn)教學(xué)重難點(diǎn)的熟悉程度與理解深度。

（三）讓學(xué)生專注于實(shí)驗(yàn)核心

《不一樣的電路連接》一課，其教學(xué)重點(diǎn)為：“用電路檢測器檢驗(yàn)電路暗盒內(nèi)電路的連接情況”。對學(xué)生而言，如果以實(shí)物操作為基礎(chǔ)，組裝一個(gè)功能完善的電路檢測器相當(dāng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，導(dǎo)線頭與接線柱之間的插拔等實(shí)驗(yàn)操作同樣十分耗時(shí)，課堂上更會(huì)出現(xiàn)如器材損壞等各類突發(fā)狀況，影響后續(xù)暗盒電路的檢測工作。學(xué)生亦難理清思路與排查錯(cuò)誤，究竟是暗盒中接線柱之間為斷路，還是自身拼裝的電路檢測器存在問題，又或是導(dǎo)線未連接到位。種種因素疊加復(fù)合，對本課的教學(xué)成效產(chǎn)生消極影響，師生之悉力付出也事倍功半。為解決上述問題，作者著手在科學(xué)課堂內(nèi)使用電路暗盒模擬程序，以期降低電學(xué)實(shí)驗(yàn)的操作難度。學(xué)生使用該程序時(shí)，通過操縱鼠標(biāo)拖動(dòng)左右兩根U型頭導(dǎo)線，將其連接至電路暗盒的四個(gè)金屬觸點(diǎn)（ABCD），以此模擬真實(shí)的電路暗盒實(shí)驗(yàn)。如此時(shí)兩觸點(diǎn)間存在通路，則燈泡亮起，否則燈泡熄滅。隨著程序的每次運(yùn)行，暗盒內(nèi)部都能隨機(jī)生成不同的電路連接情況，便于學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)練習(xí)。程序配有“顯示答案”按鈕，一鍵即可呈現(xiàn)暗盒內(nèi)部真實(shí)的電路連接情況。

二、以信息化開啟小學(xué)電學(xué)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)策略

（一）分步教學(xué)，做好信息化教學(xué)過渡

以《不一樣的電路連接》一課為例，本課的教學(xué)過程主要包含兩個(gè)階段，以學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)物操作為第一階段，以模擬器軟件練習(xí)為第二階段。

第一階段，作者首先下發(fā)每組一套實(shí)物電路暗盒、導(dǎo)線等相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材，小組觀察暗盒外部四個(gè)接線柱及其對應(yīng)的字母標(biāo)號（ABCD），學(xué)生打開盒蓋，觀察到A號與C號接線柱在暗盒內(nèi)用導(dǎo)線連接在一起，是為通路狀態(tài)。而后教師提問：“如何利用電路檢測器檢驗(yàn)出哪兩個(gè)接線柱之間是通路？哪兩個(gè)接線柱之間是斷路？”學(xué)生在討論后匯報(bào)各自小組的思路，隨后學(xué)生動(dòng)手完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)物操作練習(xí)，使用電路檢測器來探究實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否與前面的觀察結(jié)果一致。

第二階段是應(yīng)用電路暗盒模擬程序的重要階段，學(xué)生在完成基于實(shí)物操作的電學(xué)實(shí)驗(yàn)練習(xí)之后，將進(jìn)行模擬程序練習(xí)，然則，鑒于科學(xué)課堂授課地點(diǎn)的特殊性，須涉及科學(xué)實(shí)驗(yàn)室此類專業(yè)室場，而機(jī)房與計(jì)算機(jī)又是使用原始Scratch程序的充分條件。即教室環(huán)境須兼?zhèn)錂C(jī)房與實(shí)驗(yàn)室雙重功用，方可開展作者所期望的教學(xué)。問題在于，機(jī)房并不滿足實(shí)驗(yàn)裝備要求，實(shí)驗(yàn)室亦無裝機(jī)之可能，兩者難以兼得，難尋一處合適的教學(xué)地點(diǎn)。為妥善解決這一矛盾，作者將Scratch程序轉(zhuǎn)換為網(wǎng)頁式SPA單頁應(yīng)用（Single-page application），預(yù)置于平板電腦（tablet）之內(nèi)，學(xué)生使用平板電腦內(nèi)置瀏覽器，經(jīng)由訪問網(wǎng)頁的方式即可使用電路暗盒模擬程序。繼而只需在科學(xué)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)配置一些tablet已完全合乎教學(xué)硬件的前提要求。

課堂實(shí)踐中，作者為每組學(xué)生配備一臺平板電腦，學(xué)生使用平板上預(yù)設(shè)的程序，進(jìn)行模擬練習(xí)。實(shí)驗(yàn)過程內(nèi)學(xué)生依據(jù)小組分工安排，部分學(xué)生操縱平板，在觸控屏幕上以手指滑動(dòng)或拖拽手勢，控制兩根U型頭導(dǎo)線，連接至不同的金屬觸點(diǎn)。另一部分學(xué)生通過觀察小燈泡的明滅情況，判斷兩個(gè)金屬觸點(diǎn)間的電路連通性，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填寫至記錄單。最后，學(xué)生綜合考慮各種連線情況下，電路的通斷路狀態(tài)，據(jù)此推測暗盒內(nèi)的導(dǎo)線連接情況，將連接情況以圖畫的形式記載至實(shí)驗(yàn)記錄單。

學(xué)生在完成一次模擬練習(xí)后，點(diǎn)擊程序內(nèi)的“顯示答案”按鈕，查看正確答案，將其與本小組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比對，檢查正確性。如果出現(xiàn)問題，學(xué)生須回顧與反思整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，尋找發(fā)生錯(cuò)誤的關(guān)鍵處，及時(shí)糾正，總結(jié)與歸納實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，于反復(fù)練習(xí)中逐漸掌握解決問題的方法。使用程序時(shí)，刷新網(wǎng)頁即可出現(xiàn)下一題，此設(shè)計(jì)意在方便學(xué)生多次練習(xí)，鞏固所學(xué)新知。

（二）革新程序側(cè)建構(gòu)策略，強(qiáng)化可視性交互體驗(yàn)

Scratch以易用性、可視性與交互性見長，作者在建構(gòu)電路暗盒模擬程序時(shí)，選取Scratch這一成熟軟件作為基礎(chǔ)，編寫而成的程序自然符合WYSIWYG（所見即所得）原則，實(shí)驗(yàn)結(jié)果隨著學(xué)生的操作即刻顯示于界面之上，實(shí)驗(yàn)過程更具可視性。在易用性方面，Scratch軟件專為兒童編程開發(fā)，界面友好，操作更人性化，符合小學(xué)生的計(jì)算機(jī)操作水準(zhǔn)。整體而言，模擬程序切合小學(xué)科學(xué)課堂的實(shí)際教學(xué)需求。軟件專業(yè)性方面，電路暗盒模擬程序符合實(shí)際物理規(guī)律，完全滿足電路擬真實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)格要求。

本模擬程序的核心在于電路連通性的判定算法，學(xué)生每次移動(dòng)U型頭導(dǎo)線后，程序都需要重新計(jì)算電路當(dāng)時(shí)的連通情況，如果算法效率過低，程序界面需等待計(jì)算結(jié)果，從而導(dǎo)致軟件卡頓，降低軟件交互體驗(yàn)。因此，作者將金屬觸點(diǎn)間的電路連通性問題，抽象為用鄰接矩陣表示的無向圖G（V， E）中兩頂點(diǎn)間長度為m的通路數(shù)量問題，如果通路數(shù)量大于零則表示電路通路，小燈泡亮起，反之則為斷路，燈泡熄滅。此算法能有效提升運(yùn)算效率，降低時(shí)間復(fù)雜度。下面以一題舉例說明。

當(dāng)A-C、A-D、B-D連通時(shí)，若計(jì)算B點(diǎn)到C點(diǎn)的連通性，需檢查A3中a23或a32的值是否大于零，易知C-A-D-B有通路，即B-C連通，此處略過計(jì)算，與上同理。

本算法通過圖（Graph）數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與無向圖通路等概念，運(yùn)用鄰接矩陣，矩陣的冪運(yùn)算等方法，在多重形式下構(gòu)建性能更高、Bug更少、代碼冗余量更低的仿真程序。

（三）優(yōu)勢互補(bǔ)，創(chuàng)共贏動(dòng)能

俯覽課程整體設(shè)計(jì)思路，作者結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)物實(shí)驗(yàn)與模擬程序兩者的優(yōu)勢，創(chuàng)造課堂共贏動(dòng)能，讓模擬程序真正落地，讓實(shí)物實(shí)驗(yàn)更加高效。依課堂實(shí)踐效果，使用Scratch電路暗盒模擬程序，能夠切實(shí)有效的提升學(xué)生對各類電路元器件的理解層次，增強(qiáng)學(xué)生對電路邏輯的剖析能力。

因此，Scratch模擬軟件與實(shí)物操作實(shí)驗(yàn)的關(guān)系并不是一者取代另一者，兩者不是對立的關(guān)系，兩者都有其優(yōu)劣，兩者互為依存。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)課堂上，要將其兩者優(yōu)勢結(jié)合，互為補(bǔ)充，創(chuàng)造一加一遠(yuǎn)大于二的課堂教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

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