巧用傳感器突破科學教學難點促進學生素養(yǎng)發(fā)展

路虹劍

摘要： 師生借助傳感器觀察和測量，實驗數(shù)據(jù)精準，探究效率大大提高。為解決小學科學教學中為用傳感器而用，甚至因為使用了傳感器導致弱化學生學習深度的問題，教師應(yīng)將傳感器用于人的感官難以獲取信息和需要精準測量的實驗，多角度獲取證據(jù)，培養(yǎng)學生批判質(zhì)疑精神;深度推進探究進程，助力學生科學思維發(fā)展;開展“科學創(chuàng)客”活動，促進素養(yǎng)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：傳感器;小學科學;探究教學;學生素養(yǎng)

隨著科技的不斷發(fā)展，傳感器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。所謂傳感器，就是能感受被測量的信息并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號進行輸出的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。教育信息化從1.0步入2.0后，教育生態(tài)發(fā)生著巨大轉(zhuǎn)變，傳感器在小學科學教學中也得到了應(yīng)用。但筆者在聽評課中發(fā)現(xiàn)，教師使用傳感器存在一些問題。在關(guān)注學生素養(yǎng)發(fā)展的今天，傳感器的作用不再是簡單地支持與增進科學教學效果，而是使學生在“技術(shù)使能”作用下真正得到全面發(fā)展。

一、小學科學教學中傳感器應(yīng)用問題

小學科學實驗活動呈現(xiàn)多樣化和自主化趨勢，給教師自主選擇和創(chuàng)新實驗方法營造了空間。很多科學實驗需要獲取數(shù)據(jù)并進行比較，或者需要用顯微鏡進行觀察，因此傳感器有很大的應(yīng)用空間。但在有些利用傳感器的教學中，筆者除了看到教師教得比較輕松順利外，并沒有發(fā)現(xiàn)比傳統(tǒng)教學手段有更多的優(yōu)勢和作用，甚至反而造成教學價值的缺失。

例如，對于觀察細胞、微生物的教學，有些教師會借助顯微鏡攝像頭的圖像傳感器將顯微鏡放大的樣本圖像輸送到大屏幕上，組織學生進行觀察并加以講解。這樣做，避免了學生操作顯微鏡尋找樣本可能出現(xiàn)的種種狀況，大大加快了教學節(jié)奏，甚至有了更多的時間來豐富教學內(nèi)容。但筆者發(fā)現(xiàn)，在這樣的課堂上，學生從開始看到一個細胞的驚嘆到看各種細胞似乎都一樣的麻木，學習興趣隨著教學的推進逐漸下滑。因為他們喪失了動手的機會，喪失了自主去尋找、去發(fā)現(xiàn)而獲得驚喜的機會，最關(guān)鍵的是整節(jié)課他們在經(jīng)歷以教師講授為主的教學。

又如，對于熱傳導的實驗教學，傳統(tǒng)手段是在銅棍上分段抹上凡士林，并粘上小棍，用火給銅棍的一端加熱，觀察小棍掉落的順序，從而推斷熱是從物體的高溫部分傳向低溫部分。教師組織這個實驗活動，有時會因為各種原因造成小棍掉落的順序不符合預期而影響學生發(fā)現(xiàn)規(guī)律。于是有些教師就選用溫度傳感器觀測銅棍不同位置的溫度變化情況，通過數(shù)據(jù)分析得到結(jié)論。這里使用溫度傳感器，并沒有改變探究教學的模式，該有的提出問題、作出假設(shè)、制訂計劃、搜集證據(jù)、處理信息等探究要素也都存在，只是獲取證據(jù)的方式變了，變得更加具有科技含量，且提高了實驗效率。但是，小學生獲得的科學概念一般屬于現(xiàn)象論下的概念水平，概念建構(gòu)過程更多是基于形象思維，即學生在看到事實現(xiàn)象的過程中深化理解。筆者認為，對于熱傳導的探究，利用傳感器顯示抽象的數(shù)據(jù)并無優(yōu)勢，而利用直觀的實驗現(xiàn)象引導學生學習更適宜。

由此分析，教師利用傳感器開展小學科學教學，不應(yīng)該只是為了簡單、順利地獲取一個結(jié)果信息，而要促進學生學習，使其提升素養(yǎng)。上述案例中并不是不能用傳感器技術(shù)，而是要適當使用，朝著發(fā)展學生素養(yǎng)的目標而努力。

二、運用傳感器改進小學科學探究教學手段，突破教學難點

（一）運用傳感器獲取人的感官難以獲取的信息

所有實驗活動都離不開觀察，但人的感覺器官的靈敏度和精度是有限的。因此，一些實驗觀察活動必然需要傳感器的支持，但一定不要為用而用，而是起到不可替代的作用，解決學生觀察獲取信息的難題。

例如，教師講授噪聲防治時，布置項目任務(wù)讓學生制作簡單的隔音裝置，探究不同材料和結(jié)構(gòu)的降噪效果，但是僅憑耳朵去識別效果肯定不好，這時借助聲音傳感器技術(shù)下的分貝儀來探究就是一個很好的選擇。在這個實驗活動中，為避免各組相互干擾，教師將分貝儀放在制作好的隔音小盒里讓學生實驗，對數(shù)據(jù)進行比較，評估裝置的隔音效果。

（二）運用傳感器獲取精準數(shù)據(jù)，解決測量實驗的難題

小學生動手能力不強，在一些精準性要求較高的實驗探究活動中經(jīng)常問題頻出，尤其是測量數(shù)值類的實驗，往往會收集到誤差比較大甚至錯誤的數(shù)據(jù)，直接影響結(jié)論的生成。教師可以借助相應(yīng)的傳感器解決誤差過大的問題。

例如，在研究影響摩擦力大小因素的探究實驗中，學生需要用測力計在不同粗糙程度的接觸面上水平勻速拉動小車，并讀取測力計的數(shù)值。但學生的實驗操作和讀測力計讀數(shù)中都會有誤差產(chǎn)生，有的誤差會導致錯誤結(jié)論。這種情況下，教師往往不容易捕獲每個學生形成誤差的原因，只能通過經(jīng)驗告知他（她）數(shù)據(jù)偏差可能是何種原因所致，于是學生不得不接受多數(shù)組的數(shù)據(jù)和結(jié)論。此時，教師選用精度很高的電子推拉力計可以從操作層面避免誤差的產(chǎn)生，大大提高教學質(zhì)量。

（三）運用傳感器改進實驗，正確對待學生的質(zhì)疑

小學階段的科學探究往往受實驗條件制約，干擾因素較多，處理不好就會出現(xiàn)與科學概念不相符的現(xiàn)象和結(jié)果，有時學生會有其他解釋，這會嚴重影響學生的學習。教師可以運用傳感器改進實驗，設(shè)計更嚴謹?shù)奶骄炕顒?，解決學生質(zhì)疑實驗結(jié)果甚至結(jié)論的問題。

例如，小學科學教學開展熱輻射的探究教學時，往往是在常態(tài)環(huán)境下做實驗，學生總會質(zhì)疑空氣對流在其中起到的作用。一些教師用權(quán)威壓制學生的這種想法。其實，教師營造一個近乎真空的空間，學生就容易接受了。

教師找來一根密封玻璃管，將里面的空氣抽出，讓學生用光源直射和斜射管子，觀察管內(nèi)溫度是否發(fā)生變化且會如何變化。此時，如果管內(nèi)放置的是常用的溫度計就不利于準確測量和學生讀數(shù)了，于是，教師采用溫敏電子溫度計讓學生觀測（數(shù)顯部分留在瓶外）。這個實驗活動讓學生很清楚地看到數(shù)顯屏上的數(shù)字在光照瓶子下會增大，且對比光直射瓶子和斜射瓶子時，屏顯上數(shù)字增長的速度和停止的數(shù)值均不同。學生通過數(shù)據(jù)分析，認識到存在熱輻射，并知道光直射一個區(qū)域時，這個區(qū)域的溫度比光斜射時高，同時理解了為什么每天早晚涼而中午熱。

又如，對于空氣是否有質(zhì)量的探究活動，教師同樣運用傳感器改進實驗，解決了學生實驗操作結(jié)果與概念不相符的問題。傳統(tǒng)實驗方案是：教師用線繩提起一根直棍，在直棍兩側(cè)分別掛一個氣球并調(diào)平，然后吹起一個氣球讓學生觀察現(xiàn)象。這個實驗并不復雜，但操作難度較大，吹鼓氣球時很容易移動棍子上掛在三處的繩子，失去平衡致使結(jié)果不可控。此外，吹鼓的氣球受到更大的空氣浮力，也可能導致結(jié)論錯誤。同樣選擇一個密封的瓶子，教師用力敏電子秤稱量有空氣和被抽出空氣的瓶子質(zhì)量，通過數(shù)據(jù)之差準確反映事實，有效幫助學生構(gòu)建了空氣有質(zhì)量的概念。

三、在探究教學中利用傳感器促進學生素養(yǎng)發(fā)展

（一）運用傳感器多角度獲取證據(jù)，培養(yǎng)學生的批判與質(zhì)疑精神

雖然很多科學結(jié)論暫時還停留在假設(shè)的層次上，但小學科學學科探究的科學問題都是在實證基礎(chǔ)上形成的科學結(jié)論。教師從學生角度去審視所有探究學習內(nèi)容，會發(fā)現(xiàn)有些活動只是獲得了一方面的證據(jù)就形成結(jié)論了。從多年教學情況來看，學生一般不會質(zhì)疑，但不能否定有些學生內(nèi)心是有疑惑的。這樣的探究不利于學生素養(yǎng)發(fā)展。

例如，引導學生觀察蒸發(fā)現(xiàn)象時，很多教師會用濕抹布擦黑板創(chuàng)設(shè)情境，待黑板上的水看不見了以后提出問題“黑板上的水到哪里去了”。有的學生說“滲進黑板里去了”;有的學生說“變成水蒸氣飛進空氣里了”。還有一些學生持“水就是消失不再存在了”的觀點。對于這個觀點，有些教師誤以為轉(zhuǎn)換了其他形式存在就被忽略掉了。其實，這些學生的觀點就是不再有這部分物質(zhì)，即絕對消失。

教師在探究教學中必須糾正學生的錯誤認知。傳統(tǒng)實驗方案是：證明水沒有進入黑板里面去，于是學生相信水進入到空氣里了，加上他們有一定知識儲備很容易接受這個說法。但從探究學習概念的意義構(gòu)建角度看，這多少違背了教學要求。要解決這個疑難問題，必須用實證探究，這時傳感器就能發(fā)揮關(guān)鍵作用了。

教師組織學生用電子秤稱量一塊小黑板的質(zhì)量并做記錄，再用濕抹布將小黑板擦濕，稱量質(zhì)量并記錄。接著，學生用燈照射，觀察水變干的過程，并記錄電子秤上數(shù)值的變化情況。學生分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，水完全看不見后，電子秤上的數(shù)值恢復到了只有小黑板時候的數(shù)值，這說明水并沒有進入到黑板里。那還有兩種可能：一個是變成水蒸氣進入空氣中，一個是真的消失掉了。

教師接著提供了濕敏濕度計做實驗。學生再次將小黑板擦濕，并將濕度計置于小黑板上方，他們發(fā)現(xiàn)水在變干的過程中，濕度計上的數(shù)值呈現(xiàn)上升趨勢。于是，學生基于數(shù)據(jù)事實否定了“消失”的觀點，一致構(gòu)建了水變干就是變成水蒸氣進入空氣里的認知。

這節(jié)課里，傳感器的作用就是將原本不可實證的部分做到實證，實現(xiàn)學生多視角審視并解決問題，培養(yǎng)批判質(zhì)疑精神，發(fā)展探究實踐素養(yǎng)。

（二）運用傳感器深度推進探究進程，助力學生科學思維發(fā)展

科學思維是小學科學學科核心素養(yǎng)之一。對某一節(jié)課而言，深度學習更多體現(xiàn)在學生思維的表現(xiàn)程度上，對于高年級學生，教師要給他們更多的挑戰(zhàn)。在一些原本進行觀察的學習內(nèi)容中，教師讓學生運用傳感器和Arduino控制板組合進一步探究，會促進他們思維發(fā)展。

例如，教師設(shè)計了“暖和的房間”一課，以項目式學習的方式讓學生探究空氣熱對流現(xiàn)象。教師設(shè)計了一個房間的模型，提出任務(wù)性問題“要給這個房屋安裝暖氣，這個暖氣安在哪里效果最好呢”?；谏罱?jīng)驗，有的學生說安在墻靠近地面位置，有的說安在墻的中間位置，還有的認為是靠房頂?shù)奈恢谩?/p>

哪些學生的觀點是正確的？教師分別將電熱棒模擬暖氣放在房間墻面的上、中、下三個位置，并提供香，從頂部往房間模型里放煙。學生則在“暖氣”所在的三個位置分別觀察煙的流動情況，從而推理熱在里面是如何傳遞的，并基于煙流動現(xiàn)象的事實，得出“暖氣裝在墻面的下方效果最好”的結(jié)論。

一般情況下，這節(jié)課的概念構(gòu)建就會在這樣一個模擬實驗中，通過轉(zhuǎn)換法進行觀察解釋就結(jié)束了。但教師為了學生的探究學習更有深度，證據(jù)更充分，又提供了溫感器與Arduino控制板，讓學生用數(shù)據(jù)進一步證明暖氣裝在房間墻體下面效果最好。

如圖1所示，當電熱棒所模擬的暖氣分別置于房間模型的上、中、下位置時，溫感器感應(yīng)的房間溫度從22 ℃到24 ℃需要的時間（25 ℃是此時教室里的溫度），分別用了6分46秒、5分4秒和3分4秒，學生通過對數(shù)據(jù)的比較分析進一步證實了“暖氣安置在房間墻體下面效果最好”的結(jié)論。

學生在這次學習中，首先基于生活經(jīng)驗進行猜想，并基于煙的流動提出假設(shè)，最后運用信息技術(shù)手段獲得證據(jù)完成探究學習任務(wù)。在這個過程中，學生的思維始終活躍著，他們會利用不同層次的證據(jù)進行科學推理，從而構(gòu)建科學概念。

（三）運用多種傳感器開展“科學創(chuàng)客”活動，促進素養(yǎng)發(fā)展

教師使用傳感器，不能滿足于簡簡單單實現(xiàn)觀察信息的獲取，而要促進學生發(fā)展?？茖W課上，學生經(jīng)常使用傳感器開展探究學習活動獲得證據(jù)，同時他們逐漸地也會對用傳感器解決問題越來越感興趣。教師應(yīng)該提供給學生學科學、用科學的機會，讓他們合作解決真實問題，使素養(yǎng)得到全面的發(fā)展。

北京市東城區(qū)史家胡同小學的學生在看到教師每天中午都要很辛苦地推著很沉的飯車給每個班送飯時，就產(chǎn)生了一種設(shè)計一款自動送餐車的念頭。學生在教師的組織和指導下，借助多方力量，經(jīng)過幾輪的設(shè)計，最終制造出一款“智能送飯機器人”。這款機器人通過色敏感應(yīng)器，識別食堂到班級之間地面上貼的不同顏色的色帶前行;頭部設(shè)有紅外線感應(yīng)器，能感應(yīng)一定距離里的障礙物，當有學生從前方經(jīng)過時，就會停下來等待;頭部裝有一對類似于昆蟲的觸角（觸感器），一旦紅外線感應(yīng)器失靈，這就是第二道安全防線，觸角碰到障礙物時機器人會立即停止前行。學生制造這款機器人還應(yīng)用了一些其他技術(shù)，用以實現(xiàn)不同功能。

這款機器人雖然是模型，但實現(xiàn)了基本功能。機器人設(shè)計與制造得到了學校、教師的支持和指導，以及社會多方力量的技術(shù)幫助，但基本創(chuàng)意、設(shè)計與實驗都是學生自己完成的。實踐過程中的學習最為真實，學生素養(yǎng)也會得到很好的發(fā)展。

傳感器替代人的感官從自然世界獲取信息，但教師不能只為教學順利推進而無限制地選用傳感器，在所謂的順利過程中要思考，是否簡化了實驗活動同時也簡化了學生的思考。如果簡化了學生思考，是否會弱化學生素養(yǎng)的發(fā)展呢？教師運用傳感器開展小學科學的探究教學，一定是為學生的學服務(wù)，為學習目標達成和素養(yǎng)發(fā)展服務(wù)，而不是為了教師教起來簡單。

注：本文系北京市教育學會“十四五”教育科研課題2021年度一般課題“以科學創(chuàng)客教學模式實施小學科學教學的研究”（課題編號：DCYB2021-304）的研究成果之一。

參考文獻

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（作者系北京市東城區(qū)教育科學研究院教研員）

責任編輯：祝元志