讓數(shù)字化實驗更好地為教學服務

◇耿健敏 柏 毅（通訊作者） 高 偉

（東南大學兒童發(fā)展與教育研究所、兒童發(fā)展與學習科學教育部重點實驗室南京市棲霞區(qū)科學教研員）

一、小學科學傳統(tǒng)實驗教學中存在的問題

2022年版《義務教育科學課程標準》指出：探究和實踐是科學學習的主要方式，要加強對探究和實踐活動的研究與指導，整合啟發(fā)式、探究式、互動式、體驗式和項目式等各種教與學方式的基本要求，設計并實施能夠促進學生深度學習的思維型探究和實踐。在義務教育階段，通過科學探究實驗可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、實踐能力，提高學生的科學學習能力。然而，長期以來，小學科學的探究實驗由于實驗器材的局限性，往往很難得到精確的數(shù)據(jù)，實驗結果以模糊、定性為主，定量研究的開展較為困難。這在一定程度上影響了學生對科學本質的理解，不利于培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W思維。除此之外，傳統(tǒng)實驗還存在實驗操作時間較長、數(shù)據(jù)處理過程煩瑣、效率低等問題。

二、小學科學數(shù)字化實驗概述

教育部印發(fā)的《教育信息化2.0 行動計劃》強調，一個國家的教育信息化要發(fā)揮全球引領作用、達到世界領先水平，先進的軟硬件基礎設施、豐富的優(yōu)質教育資源、數(shù)字化（乃至智慧化）校園環(huán)境、師生較高的信息技術應用能力與信息素養(yǎng)……這些都是必須具備的基礎與條件。數(shù)字化實驗作為信息技術與小學科學課程結合的平臺，為小學科學教學內容的呈現(xiàn)、教學方式的轉化，提供了變革的契機。本文中的數(shù)字化實驗，特指運用數(shù)字化實驗系統(tǒng)開展的小學科學實驗。

數(shù)字化實驗系統(tǒng)（Digital Information System，即DIS）由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機、配套軟件包（通用軟件和專業(yè)軟件）、配套實驗材料等構成。從基于傳感器的數(shù)字化實驗模式來看，該模式是通過數(shù)字傳感器采集實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生的信息，通過數(shù)據(jù)采集器轉化信息并輸入計算機進行信息處理，通過軟件系統(tǒng)以數(shù)據(jù)表、圖像等形式輸出處理后的實驗數(shù)據(jù)。數(shù)字化實驗通常有以下特點。

（一）實驗數(shù)據(jù)更精準

國家標準GB7665-87 對傳感器的定義是：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器中的敏感元件以電學方式采集數(shù)據(jù)，因而傳感器具有精度高、速度快，輸出信號便于傳輸、轉換、處理、顯示的特點。例如，力、電流、pH 酸堿度等實驗變量的測量，分別使用力傳感器、電流傳感器、pH 傳感器，將其轉化成電信號，輸入數(shù)據(jù)采集器。這是傳統(tǒng)的科學實驗儀器彈簧測力計、電流表和pH 試紙等無法比擬的。有些傳感器則填補了傳統(tǒng)實驗測量的空白，如，電磁傳感器能夠測量磁感應強度，因此較大程度地擴展了實驗變量的測量范圍。

（二）實驗結果更直觀清晰

傳統(tǒng)的實驗設備，幾乎很難展現(xiàn)各個實驗變量之間的因果關系，需要學生進行數(shù)據(jù)記錄和計算，占用了課堂大部分的時間和精力，而數(shù)字化實驗系統(tǒng)則實現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)的采集、記錄、分析同步，實驗結果可以曲線、圖表等多種方式直觀地呈現(xiàn)出來。因此為學生分析實驗結果、得出結論爭取了更多的時間。由于數(shù)據(jù)采集器可以同時連接多個傳感器，實現(xiàn)多種實驗數(shù)據(jù)并行處理與顯示，幫助學生對科學規(guī)律有更清晰的認知，大大提高了實驗教學的效果。

（三）實驗過程更有趣

行為主義學習理論認為，學習是刺激與反應的聯(lián)結。利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)可以將實驗的數(shù)據(jù)實時地展現(xiàn)在電腦或者平板的屏幕上，學生能得到更快、更精確的實驗反饋，能夠更迅速地做出響應，充分調動積極性。數(shù)字化實驗相對于傳統(tǒng)實驗，形式更加新穎，使復雜的認知活動變得簡單又輕松，能充分發(fā)揮學生在教學中的主體地位，激發(fā)學生學習科學知識和進行科學探究的興趣，有效地提升學生的課堂參與度。

三、數(shù)字化實驗在小學科學課堂中的實踐

本文以蘇教版小學科學六年級下冊《做個生態(tài)瓶》一課為例，分析如何將數(shù)字化實驗運用于小學科學課堂教學實踐。

（一）課例研究背景

《做個生態(tài)瓶》是蘇教版六年級下冊第二單元“生物和棲息地”的第三課。本課圍繞“做個生態(tài)瓶”這一主題層層展開，通過觀察、實驗、交流等學習方式，進一步理解生態(tài)瓶中生物與生物之間、生物與非生物之間的相互作用和依存關系，建立生態(tài)系統(tǒng)的概念，理解生態(tài)平衡的重要意義。

本節(jié)課借助數(shù)字化實驗系統(tǒng)進行定量探究，代替了通過觀察生態(tài)瓶中生物的生存情況，模糊定性得出結論的傳統(tǒng)實驗教學方式。課程研發(fā)團隊通過反復修改，最終呈現(xiàn)如下教學設計。

（二）課例實施過程

1.創(chuàng)設情境，關聯(lián)學生日常生活

播放電影《狼圖騰》片段：人們趕到大雪湖去尋找狼貯備的食物，發(fā)現(xiàn)一只活著的小黃羊，比利格阿爸卻要求把那只黃羊放了。教師拋出疑問：當時食物那么匱乏，為什么還要把那只黃羊放了呢？

設計意圖：小學六年級的學生處于具體運算階段，抽象思維尚不完善，因此需要從學生熟悉的場景或者感興趣的事物引入。通過《狼圖騰》電影片段這一教學情境的創(chuàng)設，利用影片中相關情節(jié)設計問題：“為什么要放走黃羊？”“草原中的生物之間有一條怎樣的食物鏈？”進而引入“生態(tài)系統(tǒng)”和“生態(tài)平衡”兩個核心概念。

2.開展數(shù)字化實驗，打破探究局限

通過梳理電影《狼圖騰》食物鏈的關系，分析生態(tài)系統(tǒng)所具備的要素。小型池塘生態(tài)瓶的設計環(huán)節(jié)分為兩步，引導學生循序漸進地探究。

生態(tài)瓶的初步設計。在教師的指導下，引導學生以小組為單位自主設計池塘生態(tài)瓶草圖，并進行分組匯報。通過這一環(huán)節(jié)，學生了解到一個池塘生態(tài)瓶里需要哪些基本要素：環(huán)境（陽光、溫度等）、植物、動物等。教師出示并介紹本實驗提供的材料：塑料瓶若干個、水藻若干棵、魚若干條、沙子若干、泥土若干、自然水域的水。

生態(tài)瓶的優(yōu)化設計。通過教師提問、學生交流回答的方式，一步一步引出數(shù)字化傳感器。

教師提問：為了使生態(tài)瓶實現(xiàn)相對平衡狀態(tài)，植物數(shù)量和動物數(shù)量應該如何控制？該探究實驗應該如何設計？

學生交流：可以通過控制植物的數(shù)量，探究不同動物數(shù)量的變化對生態(tài)瓶穩(wěn)定性的影響；通過控制動物的數(shù)量，探究不同植物數(shù)量的變化對生態(tài)瓶穩(wěn)定性的影響。

教師提問：我們設計好的生態(tài)瓶，如何判斷是否實現(xiàn)相對平衡的狀態(tài)？

學生交流：可以通過觀察生態(tài)瓶中的水是否渾濁、魚是否還活著以及水藻是否枯黃。

教師提問：如果要檢測生態(tài)瓶中水的狀態(tài)、水中魚的狀態(tài)，可以通過哪些指標檢測？

學生交流：檢測水的pH 酸堿度、氧氣含量、二氧化碳含量。

教師提問：如何檢測？

學生回答：可以利用工具測量生態(tài)瓶中的氧氣和二氧化碳的變化、水的pH酸堿度情況，觀察生態(tài)瓶中的生物是否處于健康狀態(tài)及水質的狀態(tài)。

教師出示二氧化碳傳感器、溶解氧傳感器、pH傳感器，指導學生分小組實驗。每個小組做出四個生態(tài)瓶，分別是草多魚少、草多魚多、草少魚多以及無草魚多。在每個生態(tài)瓶中均接入二氧化碳傳感器、溶解氧傳感器、pH傳感器。

設計意圖：傳統(tǒng)實驗評價一個生態(tài)瓶的微型生態(tài)系統(tǒng)是否達到平衡的標準，通常是觀察生態(tài)瓶中生物的存活狀態(tài)以及水的渾濁度。該評價標準有一定局限性：首先，學生會疑惑生態(tài)瓶中水渾濁與否是否就可以代表生態(tài)瓶的平衡狀態(tài)；其次，若魚死亡，死亡因素是什么，學生無從得知；最后，學生不希望看到死亡，如果一個實驗以生物的死亡為評判標準，就不利于樹立學生良好的生命觀，同時有悖實驗倫理。因此，“做個生態(tài)瓶”這一實驗利用傳統(tǒng)的實驗教學方式的弊端就此凸顯。

將數(shù)字化傳感器技術融入實驗有以下優(yōu)勢：一是可以不依靠“死亡”讓學生判斷生態(tài)瓶是否實現(xiàn)生態(tài)平衡；二是影響生態(tài)瓶平衡的因素更容易顯現(xiàn)，不需要學生通過感覺來猜想；三是可以觀察生態(tài)瓶24 小時的數(shù)據(jù)，保證實驗數(shù)據(jù)的完整性，有利于培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W觀。

3.分析數(shù)據(jù)結果，提升能力

根據(jù)數(shù)字化實驗系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)結果以及溶解氧含量、二氧化碳含量、pH 酸堿度的動態(tài)曲線，分析生態(tài)瓶的狀態(tài)。

總結遷移：回顧“生態(tài)平衡”的概念，通過列舉身邊大量生態(tài)系統(tǒng)被破壞的案例，引導學生從實際出發(fā)，從切實的行動中落實生態(tài)保護行動。

設計意圖：科學探究最終是要進行實證研究，為驗證之前的假設開展具有真實性的科學探究，歸整學生零散的科學思維，達到完整縝密的狀態(tài)?！蹲鰝€生態(tài)瓶》一課的教學方式有很多種，教材給出的教學流程更多是停留在學生動手操作上，但對于六年級的學生而言，不應該僅僅局限于此。本節(jié)課的重點應該放在生態(tài)瓶制作之后的數(shù)據(jù)分析上，以鍛煉學生的高階思維。

四、數(shù)字化實驗在小學科學實驗教學中運用的反思與建議

在數(shù)字化實驗的教學過程中，應注意以下幾點。

（一）提前做好數(shù)字化實驗系統(tǒng)的培訓工作

在第一次上數(shù)字化實驗課之前，全班學生均要先熟悉數(shù)字化實驗系統(tǒng)的操作，對每個小組的組長重點培訓，防止正式上課時因學生出現(xiàn)手忙腳亂的現(xiàn)象而降低教學效率。在課前調試好數(shù)字化實驗系統(tǒng)并且提前分發(fā)實驗材料，讓學生提前預熱，節(jié)約課堂上的寶貴時間。

（二）做好教學設計

在實驗教學實踐中，我們發(fā)現(xiàn)，學生往往看到教師準備好的傳感器，便清楚該節(jié)課將要使用傳感器做實驗，并不會深入思考為什么該實驗需要用傳感器。因此，教師在教學過程中應該設計好教學環(huán)節(jié)，首先引導學生發(fā)現(xiàn)該實驗采用傳統(tǒng)的實驗裝置存在弊端，因而需要一些工具解決，這時數(shù)字化實驗系統(tǒng)再隆重登場。

（三）正確認識實驗誤差

數(shù)字化傳感器可以精確測量人的感官無法感知的物質世界，或是人感知了但無法給出精確量化的數(shù)據(jù)世界。但是由于傳感器過于精確，使得學生過于關注數(shù)據(jù)的一致性，要獲得標準答案，而忽略誤差問題。因此，教師在教學過程中，需要和學生強調正視實驗誤差。

（四）正確認識數(shù)字化實驗的地位

數(shù)字化實驗雖然有明顯優(yōu)勢，但是也有一些不足之處，如，傳感器技術的使用提高了數(shù)據(jù)處理的效率，但是也弱化了學生的動手操作能力、計算能力以及作圖能力。因此應該將傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗優(yōu)勢互補，同時并重，不要陷入“既然有了數(shù)字化實驗系統(tǒng)，所有科學實驗都必須使用數(shù)字化展開教學”的誤區(qū)?？茖W實驗教學手段選擇的核心是實現(xiàn)實驗目的、培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。因此，實驗手段的選取必須從實驗教學的目的出發(fā)，遵循科學探究的底層邏輯，即課程標準的要求。

在教育信息化的浪潮下，數(shù)字技術深刻地改變了人們的生活方式，也改變了教育的形態(tài)和內涵?；跀?shù)字化實驗的小學科學實驗教學，不僅對學生的探究能力提出了更高的要求，也對教師的教學能力提出了更高的要求。因此教師應該緊跟信息化的腳步，與時俱進，不斷學習，終身學習。數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗的整合是當前科學教學重要的研究方向，需要每一位科學教育工作者及一線教師，通過各種途徑開發(fā)數(shù)字化實驗教學案例，改進數(shù)字化實驗方法，在科學教學過程中發(fā)展學生的思維，提高學生的科學素養(yǎng)，讓數(shù)字化實驗更好地為教學服務。