傳感器在小學(xué)科學(xué)探究實(shí)驗中的應(yīng)用

◆徐春明

在科學(xué)教學(xué)中，教師要注重通過探究實(shí)驗再現(xiàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程，從而讓學(xué)生體驗到“猜想—驗證—?dú)w納”的科學(xué)探究過程。傳統(tǒng)條件下，相當(dāng)一部分探究過程中學(xué)生探究需求受到限制，可進(jìn)行科學(xué)探究實(shí)驗的內(nèi)容相對較少，而且定性、模糊的研究居多。隨著數(shù)字技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其與科學(xué)實(shí)驗關(guān)聯(lián)度較大數(shù)字技術(shù)——傳感器，給解決這些問題帶來了契機(jī)。傳感器以其精確、智能、易于操作等優(yōu)勢，可大大提高這種探究過程的實(shí)效。

將數(shù)字傳感器技術(shù)引入科學(xué)探究實(shí)驗，不僅是讓學(xué)生親歷探究活動更有保證，而且可以拓展研究內(nèi)容，更好地滿足學(xué)生的好奇心和求知欲；降低實(shí)驗難度，提高實(shí)驗效率，讓學(xué)生有更多的時間和精力反思、交流自己和同伴的探究過程，整理、分析實(shí)驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，完成對新知的自主建構(gòu)；創(chuàng)新實(shí)驗方法，擁有更多定量實(shí)驗的機(jī)會，讓學(xué)生探究活動更接近科學(xué)本質(zhì)。筆者結(jié)合課堂實(shí)踐，對傳感器在小學(xué)科學(xué)探究實(shí)驗中的應(yīng)用談幾點(diǎn)自己的心得。

1 精確測量，拓展實(shí)驗內(nèi)容

探究式科學(xué)教育的第一步就是“提出問題”，教師將學(xué)生引入情境，讓他們觀察和獲得有關(guān)的信息，逐步聚焦話題。從學(xué)生原有的概念和實(shí)際理解出發(fā)，由教師或在教師幫助下由學(xué)生歸結(jié)出將要進(jìn)行探究的問題[1]。學(xué)生對原有概念和實(shí)際理解各異，產(chǎn)生的研究需求也是多樣化的，在需求和條件之間往往會產(chǎn)生矛盾，只有積極創(chuàng)造條件，才能進(jìn)一步拓展研究內(nèi)容，盡可能滿足學(xué)生多樣化的探究需求。

蘇教版小學(xué)科學(xué)四上，安排了研究內(nèi)容——“熱水變涼”。但熱水變化不僅僅只有“溫度變化”這一方面，還包括“重量變化”。在傳統(tǒng)的教學(xué)中，受制于工具的限制（天秤的精度不夠，操作難度又非常大，容易出錯），我們通?？桃饣乇軐W(xué)生所關(guān)注的“重量變化”內(nèi)容。

針對類似于以上的情況，重力傳感器技術(shù)很自然地成為了探究活動的重要工具。我們可以采用量程為200 g，精度為0.01 g的數(shù)字電子秤。利用其中的重力傳感器測量重量變化并通過數(shù)字屏顯示出來，實(shí)驗既容易操作，數(shù)據(jù)也能很直觀方便地讀取，使學(xué)生能很方便地搜集數(shù)據(jù)，分析、歸納和研究熱水重量的變化規(guī)律，拓展了探究內(nèi)容。

2 智能控制，降低實(shí)驗難度

“小車下山的速度”傳統(tǒng)的做法是學(xué)生分工合作：一位學(xué)生手動放小車，一位學(xué)生用秒表計時，然后再對測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與比較。實(shí)驗的弊端主要有兩個環(huán)節(jié)：一是手動放小車因為人的原因不能做到小車完全自然下滑；二是手動秒表計時易犯錯、數(shù)據(jù)誤差大。技術(shù)限制導(dǎo)致的測量不準(zhǔn)確，可能引起學(xué)生對實(shí)驗設(shè)計和初始判斷的否定，對學(xué)生探究未知形成障礙。

解決的方案理論上有兩種：一種加長斜坡，使運(yùn)動時間增加，從而相對減小數(shù)據(jù)誤差；第二種是改進(jìn)實(shí)驗設(shè)計，獲得更精確的數(shù)據(jù)。其中第一種方法在實(shí)驗室中較難實(shí)現(xiàn)；第二種方案可采用“傳感器”技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，比較可行。如引導(dǎo)學(xué)生利用“光電門傳感器”對“小車下山的速度”進(jìn)行精確測量，效果很好。但“光電門傳感器”整套設(shè)備比較昂貴，普及相對困難。我們可以利用這一原理，制作“土傳感器”，來幫助學(xué)生開展科學(xué)探究：一是利用電磁鐵來控制小車的下滑；二是在斜坡的上、下端制作兩個動觸點(diǎn)開關(guān)，將兩個開關(guān)并聯(lián)并與秒表控制鍵中接出的兩根線相連。這樣電磁鐵斷電后磁性消失，小車失去吸引后在重力牽引下自動下滑，接觸上端開關(guān)，秒表開始計時，小車下滑至下端開關(guān)，秒表自動停止計時。實(shí)驗中利用傳感器原理進(jìn)行智能控制，排除了兩個主要引起誤差的因素，降低了實(shí)驗難度，提高了實(shí)驗準(zhǔn)確性，一組組精確的實(shí)驗數(shù)據(jù)，為學(xué)生進(jìn)一步的思考、討論、各抒己見提供了科學(xué)的依據(jù)，學(xué)生歸納獲得的探究結(jié)果更真實(shí)更準(zhǔn)確。

3 即時測量，提高實(shí)驗效率

郁波老師曾在題為“科學(xué)探究與人是如何學(xué)習(xí)的”講座中提到：如果僅僅讓學(xué)生經(jīng)歷探究活動，這還不能幫助他們學(xué)會如何學(xué)習(xí)。讓學(xué)生運(yùn)用批判性的眼光對自己和同伴的探究過程和結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控和評價，可以使他們不斷明白自己在做什么，以及為什么這么做[2]。這就要求老師在組織科學(xué)探究實(shí)驗過程中，既要保證親歷、體驗的過程，又要確保學(xué)生有足夠的時間“思考”“交流”。

在學(xué)習(xí)蘇教版科學(xué)五上“測量呼吸和心跳”一課時，學(xué)生進(jìn)行心跳的測量實(shí)驗費(fèi)時費(fèi)力。原因有三：一是用手摸心臟部位測量心跳，既費(fèi)時也易錯；二是運(yùn)動后，學(xué)生注意力不能馬上集中，測量準(zhǔn)確性不高；三是要測多個“一分鐘”。整個一節(jié)課時間，被測量、糾錯活動占去了大半，探究的重心完全放在了“做”，而學(xué)生的“想”和“交流”的時間和機(jī)會被迫減少甚至忽略。

應(yīng)用數(shù)字技術(shù)——心率傳感器，也可以利用智能手機(jī)中的心率傳感器軟件。學(xué)生就可以利用這些數(shù)字化的工具，即時測得不同狀態(tài)下的精確心率數(shù)值，既節(jié)約的時間，又排除了其他因素的干擾提高了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。讓學(xué)生的注意力從“摸心跳”“數(shù)數(shù)”等轉(zhuǎn)向?qū)Α昂粑托奶标P(guān)系的深層分析與探究，有更多的時間交流、分析、概括實(shí)驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)“思”“做”“說”等各個環(huán)節(jié)時間的靈活分配，提高探究實(shí)驗效率。

4 定量研究，創(chuàng)新實(shí)驗方法

當(dāng)前小學(xué)科學(xué)教材上的科學(xué)實(shí)驗大多是以簡陋、不精確、定性為特征的，很少有定量研究[3]。其中主要的原因是小學(xué)科學(xué)實(shí)驗儀器配備標(biāo)準(zhǔn)已有近十年未更新，老舊的實(shí)驗器材依然是主流。傳感器的引入，并不僅僅是實(shí)驗工具的更新，更重要是它為定性實(shí)驗轉(zhuǎn)變?yōu)槎繉?shí)驗提供了現(xiàn)實(shí)的可能，必然帶來實(shí)驗方法的新變化。探究活動中，定性的描述與推理減少，以某種數(shù)值或數(shù)量間關(guān)系為證據(jù)揭示現(xiàn)象背后的奧秘增多。

如研究“不同物體的反光能力”，傳統(tǒng)的方法靠眼睛感覺做出主觀的定性描述，在反光能力相差較大的物體之間學(xué)生能形成共識，而對反光能力相差不大的物體往往容易產(chǎn)生分歧。如果用智能手機(jī)中的光線傳感器，反光能力細(xì)微的變化都會被傳感器捕捉到，通過數(shù)值反映出來，在這個過程中，學(xué)生需要做的不再是仔細(xì)分辨，而是創(chuàng)新性地設(shè)計各種合理的實(shí)驗方法，嚴(yán)格控制實(shí)驗中的變量，大膽實(shí)驗，小心求證，用證據(jù)揭示物體反光能力的強(qiáng)弱規(guī)律。

數(shù)字傳感器的優(yōu)勢，使科學(xué)探究實(shí)驗更豐富、更規(guī)范、更科學(xué)、更有效。但我們同時也應(yīng)該認(rèn)識到，“技術(shù)”是一把雙刃劍，傳感器的應(yīng)用也有些不足，如雖然使數(shù)據(jù)的獲得更加直接和直觀，卻弱化了計算、作圖、操作等重要能力的培養(yǎng)；傳感器的原理復(fù)雜，增加了學(xué)生對儀器原理的認(rèn)知難度等。因此，傳感器帶來的實(shí)驗條件改變的背后，是更加深層次的科學(xué)教育目標(biāo)的改變，目標(biāo)的改變最終會帶來教與學(xué)的方式的變革[3]。需要根據(jù)實(shí)際情況，作出相應(yīng)的改變。

[1]韋鈺,Rowell P.探究式科學(xué)教育教學(xué)指導(dǎo)[M].北京:教育科學(xué)出版社,2005.

[2]郁波.科學(xué)探究與人是如何學(xué)習(xí)的[EB/OL].http://www.zjxxkx.com/bbs/dispbbs.asp?boardid=4&id=12331.

[3]吳向東.數(shù)字時代的科學(xué)教育[M].廣州:華南理工大學(xué)出版社,2012(8).