發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在探究中的作用

◇楊 帆（江蘇：南京市金陵小學(xué)）

小學(xué)科學(xué)課程倡導(dǎo)探究式學(xué)習(xí)。學(xué)生應(yīng)通過親身經(jīng)歷和體驗(yàn)科學(xué)探究活動(dòng)，積極主動(dòng)地獲取科學(xué)知識(shí)和解決科學(xué)問題。但在實(shí)際的科學(xué)探究中，許多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象通過傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)材料無法很明顯地呈現(xiàn)出來，在教學(xué)中給科學(xué)教師造成了許多困擾。

教育部新頒布的2017 版《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》在“教學(xué)媒體建議”部分明確指出：現(xiàn)代教學(xué)媒體及技術(shù)不僅可以為科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)服務(wù)，也可以為科學(xué)探究的學(xué)習(xí)服務(wù)，如利用數(shù)字化信息技術(shù)進(jìn)行科學(xué)探究?？梢?，運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)助力科學(xué)探究已成為必然。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，是指在小學(xué)科學(xué)課程中運(yùn)用傳感器等數(shù)字化設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。小學(xué)階段經(jīng)常使用到的傳感器有光照度傳感器、溫度傳感器、力傳感器、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器等，并且傳感器數(shù)據(jù)可以通過數(shù)據(jù)采集器處理后上傳到計(jì)算機(jī)，由教學(xué)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理和分析。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為小學(xué)科學(xué)探究提供了多元的解決方案，為探究活動(dòng)的開展提供了創(chuàng)新的土壤。本文將在充分了解數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，就數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在小學(xué)科學(xué)探究中的應(yīng)用策略展開深入研究。

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在小學(xué)科學(xué)探究中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（一）數(shù)據(jù)測(cè)量“精準(zhǔn)”，讓探究結(jié)論更可信

在探究活動(dòng)中，我們需要對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納分析，從而得出結(jié)論。但由于傳統(tǒng)器材本身的限制，獲取的數(shù)據(jù)往往存在一定的誤差，有時(shí)候?qū)W生不能得出準(zhǔn)確的結(jié)論，使得教學(xué)目標(biāo)難以實(shí)現(xiàn)。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用到的各種傳感器具有分辨率高的特點(diǎn)，采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精度大大提高，提高了探究實(shí)驗(yàn)的可信度，有利于學(xué)生得出更為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)結(jié)論。

（二）實(shí)驗(yàn)過程“可視”，讓探究現(xiàn)象更直觀

對(duì)于小學(xué)階段的學(xué)生來說，清晰直觀的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更有利于他們理解科學(xué)概念。但在實(shí)際的探究活動(dòng)中，有些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并不明顯，學(xué)生運(yùn)用肉眼進(jìn)行觀察時(shí)很難察覺，這就對(duì)學(xué)生的科學(xué)探究造成了困難。而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的運(yùn)用，可以將難以觀察的細(xì)微現(xiàn)象以數(shù)據(jù)的方式直接呈現(xiàn)，這樣學(xué)生就能直觀探究現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程“可視化”。

（三）實(shí)驗(yàn)結(jié)果“定量”，讓科學(xué)探究更深入

定量研究是科學(xué)探究中常用的研究方法，但由于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中器材的限制，有時(shí)定量研究難以實(shí)現(xiàn)。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)高精度采集、高速度傳輸、高靈敏度顯示，為學(xué)生的定量研究提供了平臺(tái)，有效地減小了實(shí)驗(yàn)誤差，使不少傳統(tǒng)的探究實(shí)驗(yàn)從定性分析上升到定量研究，拓寬了學(xué)生實(shí)驗(yàn)探究的深度與廣度。

二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在小學(xué)科學(xué)探究中的應(yīng)用策略

（一）前置訓(xùn)練，讓學(xué)生掌握數(shù)字化器材的使用方法

學(xué)生初次接觸數(shù)字化器材時(shí)，往往既興奮又茫然，即使教師已經(jīng)詳細(xì)介紹了數(shù)字化器材的使用方法和注意事項(xiàng)，但學(xué)生在實(shí)際操作的過程中還是會(huì)出現(xiàn)很多狀況。例如有學(xué)生由于第一次接觸數(shù)字化器材，出于好奇和濃厚興趣，就會(huì)常常把注意力放在擺弄器材上，全然忘了我們實(shí)驗(yàn)探究的目的；也有學(xué)生對(duì)數(shù)字化器材的陌生和使用方法的不熟練，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效率過低或者數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確等，打擊了學(xué)生使用數(shù)字化器材進(jìn)行科學(xué)探究的積極性。因此，教師在將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)融入科學(xué)探究前，要先帶領(lǐng)學(xué)生認(rèn)識(shí)數(shù)字化器材并進(jìn)行體驗(yàn)學(xué)習(xí)，只有學(xué)生對(duì)數(shù)字化器材有了深入的了解和掌握其使用方法后，才能在科學(xué)探究中靈活應(yīng)用。

例如，在學(xué)期開始之初，我們可以利用2～3節(jié)課的時(shí)間帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，教師先對(duì)數(shù)字化設(shè)備進(jìn)行一個(gè)整體的介紹，包括連接方法和軟件的使用等，再向?qū)W生逐一介紹小學(xué)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中主要配備的傳感器：光照度傳感器、溫度傳感器、力傳感器、聲波傳感器等，并設(shè)置一些小活動(dòng)讓學(xué)生進(jìn)行充分體驗(yàn)。例如，在介紹完光照度傳感器后，教師可以讓學(xué)生嘗試測(cè)量教室內(nèi)和戶外的光照度分別是多少；在介紹完溫度傳感器后，教師可以讓學(xué)生嘗試測(cè)量一杯熱水在三分鐘內(nèi)的溫度變化；在介紹完力傳感器后，教師可以讓學(xué)生嘗試測(cè)量提起教室中或者學(xué)生身邊的一些物體用了多大的力；在介紹完聲波傳感器后，教師可以讓學(xué)生分別播放一段嘈雜的聲音和一段輕音樂，觀察不同的聲音的波形。當(dāng)學(xué)生充分體驗(yàn)并熟練掌握數(shù)字化器材的使用方法后，就能更好地激發(fā)學(xué)生使用數(shù)字化器材進(jìn)行科學(xué)探究的興趣，實(shí)驗(yàn)探究的效率也會(huì)大大提高，為后續(xù)運(yùn)用數(shù)字化設(shè)備進(jìn)行科學(xué)探究打下基礎(chǔ)。

（二）雙軌實(shí)驗(yàn)，讓傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)并行開展

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)軐?duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)起到輔助和優(yōu)化的作用，兩者具有不同的特點(diǎn)。我們?cè)诳茖W(xué)探究的過程中，應(yīng)該理性對(duì)待兩種實(shí)驗(yàn)方式，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)目標(biāo)、實(shí)際學(xué)情等，讓傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)并行開展、有機(jī)融合，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力。

例如，我們?cè)诮虒W(xué)蘇教版科學(xué)三年級(jí)下冊(cè)“聲音的奧秘”這一單元時(shí)，我們可以先進(jìn)行一系列傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)：一手壓住尺子，另一手彈撥；把氣球掛在正在發(fā)聲的音箱前方；摸著喉嚨，發(fā)出“啊——”的聲音；試管里放些泡沫屑，吹試管口；敲擊音鈸，然后輕輕按住等。這樣，讓學(xué)生可以直觀地看到聲音的產(chǎn)生與“振動(dòng)”有關(guān)，幫助學(xué)生探究聲音產(chǎn)生的原因，然后引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，運(yùn)用聲波傳感器探究聲音的強(qiáng)弱、聲音的高低、不同樂器的聲音、不同物質(zhì)對(duì)聲音傳播的影響等特性。

再如，蘇教版科學(xué)三年級(jí)下冊(cè)《人的呼吸》一課，教學(xué)目標(biāo)之一是通過探究活動(dòng)，了解人體吸進(jìn)和呼出氣體的不同。我們可以先運(yùn)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，在兩種氣體中倒入澄清石灰水，初步比較吸進(jìn)的和呼出的氣體有什么不同，進(jìn)行定性分析，再引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用二氧化碳傳感器和氧氣傳感器具體測(cè)量吸進(jìn)和呼出氣體中氧氣和二氧化碳的含量，完成定量研究。

在科學(xué)探究中，靈活選用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，有利于兩種實(shí)驗(yàn)的教學(xué)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，使學(xué)生在獲取知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)，又能獲取直觀體驗(yàn)，進(jìn)一步提升科學(xué)探究的效果和質(zhì)量，從而有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

（三）指導(dǎo)分析，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成能夠理解的科學(xué)解釋

學(xué)生在運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)探究時(shí)，不需要對(duì)繁雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，只需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，但由于學(xué)生數(shù)據(jù)意識(shí)的薄弱，所以不容易得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論，失去了對(duì)事物現(xiàn)象本質(zhì)的求解。因此，教師要引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注在數(shù)字化實(shí)驗(yàn)中測(cè)量到的數(shù)據(jù)，指導(dǎo)學(xué)生對(duì)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律進(jìn)行分析，探究數(shù)據(jù)背后的科學(xué)規(guī)律，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成能夠理解的科學(xué)解釋，加深學(xué)生的理解。

以蘇教版科學(xué)五年級(jí)上冊(cè)第二單元“熱傳遞”中《物體的傳熱本領(lǐng)》一課為例。本課的教學(xué)重點(diǎn)為通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，了解不同材料傳熱的快慢。由于在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中我們無法保證每根材料棒上凡士林的用量都完全一致，因而實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在偶然性，并且有時(shí)候幾個(gè)材料棒上的珠子差不多時(shí)間脫落，我們用肉眼無法辨別究竟是哪個(gè)材料棒上的珠子更快脫落。于是我引入溫度傳感器，將其夾在材料棒的同一位置，放入熱水中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)就會(huì)及時(shí)、動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)出來。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，教師要引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)，讓學(xué)生說說通過數(shù)據(jù)你發(fā)現(xiàn)不同材料棒的溫度變化是怎樣的？你是怎么看出它們的變化的？從中又能得出什么結(jié)論呢？通過分析，學(xué)生不難發(fā)現(xiàn)銅棒溫度變化最快，然后依次是鋁棒、鋼棒、塑料棒和木棒，從而很容易得出這幾種材料傳熱快慢的順序由快到慢分別是銅、鋁、鋼、塑料、木。

再如，蘇教版科學(xué)五年級(jí)上冊(cè)《光的反射》一課中，其中一個(gè)教學(xué)活動(dòng)是觀察光照射到不同物體表面時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象，了解不同物體表面反光效果不同，歸納出反光效果好的物體表面的特點(diǎn)。于是，在這個(gè)活動(dòng)中，我創(chuàng)設(shè)了激光打靶的任務(wù)情境，此時(shí)激光筆和靶子都是固定的，激光筆無法直接照射到靶子，想要擊中靶子，必須借助物體，我提供一組有結(jié)構(gòu)的材料：相同顏色的塑料板、紙、布供學(xué)生進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)這些物體都能反射光到靶子上，但效果有所不同，究竟誰的反光效果更好呢，學(xué)生用肉眼無法辨別，這時(shí)我給提供學(xué)生光照度傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，接著引導(dǎo)學(xué)生對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，說說通過數(shù)據(jù)你發(fā)現(xiàn)它們的反光效果有什么不同？學(xué)生將測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，并將數(shù)據(jù)與反光效果建立起聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)塑料板的反光效果最好，然后依次是紙、布。繼續(xù)對(duì)比觀察這三種材料，得出物體表面越光滑，反射效果越好的結(jié)論。

在運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行科學(xué)探究時(shí)，教師通過指導(dǎo)分析，幫助學(xué)生將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成能夠理解的科學(xué)解釋，有利于學(xué)生更好地理解科學(xué)概念、掌握科學(xué)規(guī)律。

（四）拓展研究，將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)引入廣闊的科學(xué)實(shí)踐

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在學(xué)生的科學(xué)探究中，不僅可以運(yùn)用于課堂知識(shí)的學(xué)習(xí)，還可用于學(xué)生的研究性學(xué)習(xí)、項(xiàng)目式學(xué)習(xí)等多種形式的學(xué)習(xí)活動(dòng)，拓展了學(xué)生的探究范圍和學(xué)習(xí)空間，讓科學(xué)探究更貼近學(xué)生的生活，有利于學(xué)生核心素養(yǎng)的提升。

例如，我校開展了無土栽培的項(xiàng)目式學(xué)習(xí)——水培青菜大比拼，要求學(xué)生在班級(jí)里利用環(huán)保材料，設(shè)計(jì)制作一個(gè)無土栽培的裝置，每班50顆青菜種子，利用這個(gè)裝置種植青菜，在收獲日，每個(gè)班選擇10 棵生長(zhǎng)最好的青菜，現(xiàn)場(chǎng)收割，進(jìn)行稱重，最終評(píng)選出最佳設(shè)計(jì)獎(jiǎng)、最佳紀(jì)錄獎(jiǎng)、最佳成果獎(jiǎng)若干。青菜的生長(zhǎng)需要適宜的溫度，當(dāng)溫度降低的時(shí)候，青菜的長(zhǎng)勢(shì)會(huì)慢下來，我們可以利用溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度，必要時(shí)做個(gè)小溫室進(jìn)行保溫，保證青菜更好地生長(zhǎng)。另外，營(yíng)養(yǎng)液中的含氧量對(duì)青菜的生長(zhǎng)也有影響，我們可以使用溶解氧傳感器，了解營(yíng)養(yǎng)液中的含氧量，及時(shí)調(diào)節(jié)，以便維持最佳的生長(zhǎng)條件。

再如，我們學(xué)校的操場(chǎng)有一個(gè)音樂臺(tái)，每次學(xué)習(xí)完聲音這個(gè)單元時(shí)，學(xué)生總是會(huì)向我提出這樣的疑惑：“老師，為什么音樂臺(tái)能放大聲音呢？”于是，我決定帶學(xué)生去音樂臺(tái)一探究竟。在了解了回聲的作用后，學(xué)生又通過聲波傳感器測(cè)量發(fā)現(xiàn)音樂臺(tái)圓心處聲音會(huì)放大，偏離了聲音就不會(huì)放大了，我讓學(xué)生仔細(xì)觀察一下音樂臺(tái)的結(jié)構(gòu)，學(xué)生很快發(fā)現(xiàn)音樂臺(tái)的臺(tái)階是圓弧形的，而音樂臺(tái)中央恰巧是圓心，聲波從臺(tái)階反射回來在圓心會(huì)聚。

學(xué)生進(jìn)行科學(xué)探究的過程是一個(gè)連續(xù)發(fā)展的過程。教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生的需求，拓展研究，將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)引入廣闊的科學(xué)實(shí)踐，解決生活中的實(shí)際問題，提升學(xué)生的科學(xué)探究能力。

三、結(jié)語

在小學(xué)科學(xué)探究中應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)具有數(shù)據(jù)測(cè)量“精準(zhǔn)”，實(shí)驗(yàn)過程“可視”，實(shí)驗(yàn)結(jié)果“定量”等優(yōu)勢(shì)，但在具體應(yīng)用的過程中也要注意策略的使用。總之，教師應(yīng)該厘清思路、靈活應(yīng)用，發(fā)揮數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在科學(xué)探究中更大的作用，提高科學(xué)探究的效率，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的形成與發(fā)展?！?/p>