數字化實驗研析

王思緒

〔摘? ? 要〕? 數字化實驗與小學科學實驗教學的關系越來越緊密，數字化實驗器材在小學科學實驗教學中的應用，彌補了傳統(tǒng)實驗在培養(yǎng)學生創(chuàng)造能力和核心素養(yǎng)時的不足，使實驗更直觀、精確的同時，也拓寬了學生的視野與思考問題的角度。本文以《光的反射》為例，具體說明數字傳感器在小學科學教學中的作用，并對傳感器的使用做出思考。

〔關鍵詞〕? 小學科學；數字化實驗；研析

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻標識碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號〕? 1674-6317? ? （2024）? 10? ? 067-069

隨著教育數字化戰(zhàn)略的推進，數字化實驗與小學科學實驗教學的關系越來越緊密。數字化實驗就是在數字化探究實驗系統(tǒng)的幫助下完成科學探究實驗，例如傳感器等。在業(yè)內，數字化探究實驗系統(tǒng)也被稱作“數字化信息實驗系統(tǒng)”，簡稱DIS。其在教育部頒布的裝備標準中被稱為“計算機數據采集處理系統(tǒng)”或“理科綜合／生物／理科綜合實驗微機接口及輔助教學系統(tǒng)”，它是計算機信息技術應用到理科實驗中的一種現代化實驗平臺。《義務教育科學課程標準》（2022年版）旨在培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，為學生的終身發(fā)展奠定基礎，引導學生掌握基本的科學方法，具有初步的探究實踐能力和初步的技術與工程實踐能力。而探究實踐作為科學學習的主要方式，對于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力、思維能力、探究能力有很重要的作用，教師如何根據課程標準和教學內容，利用傳感器等數字化實驗器材更好地引導學生進行實驗探究，就顯得尤為重要。傳感器等數字化實驗器材的使用有利于教師突破教學重難點、提高學生的學習興趣、開闊學生的視野。傳感器能提高實驗測量的精度和速度，使實驗現象更加形象，是常規(guī)實驗儀器所做不到的，也是一種深層次的信息技術與傳統(tǒng)實驗的整合。這在教學中，不僅增強了學生的學習興趣和對科學的喜愛，還能使學生比較牢靠地掌握所要學習的知識，并進一步領略到現代科學實驗的技術和手段。

一、數字化實驗在小學科學實驗探究中應用的優(yōu)點

科學實驗對學生科學思維的培養(yǎng)與創(chuàng)新、從科學角度分析事物之間存在的聯(lián)系與規(guī)律、用科學方法解決問題等方面有重要作用。小學科學課堂教學以探究實踐為核心，學生在自主探究實踐中收獲相應的科學知識，得到科學思維能力的提升與核心素養(yǎng)的發(fā)展。數字化實驗與科學實驗教學相結合，對提高學生科學探究能力有很大的幫助。

（一）培養(yǎng)學生自主學習能力

相較于傳統(tǒng)實驗，數字化實驗可以最大程度地發(fā)揮學生的主觀能動性，讓學生在自己動手操作的過程中，自己分析數據、觀察現象，理解其中蘊含的實驗原理，得出結論。學生利用實驗得出結論，應用于實際并自主解決問題，充分發(fā)揮自主性，培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)造能力，其思維認識發(fā)展能力也可以得到提升。

（二）實驗結果更準確

數字化實驗以計算機信息系統(tǒng)運行，傳感器和采集器使實驗獲取的數據更精確。由機器替代人工讀取，在一定程度上避免了學生人手不足、讀取時間錯誤導致數據出錯等等原因所帶來的實驗誤差。同時，數字化實驗根據數據自動生成圖像，學生可以更直觀地實時觀察到數據的變化，增加實驗數據的精確度和實驗結果的準確性。

二、傳統(tǒng)實驗的不足

小學科學課堂教學基本圍繞探究實踐展開，在大多數的教學中都需要學生完成實驗活動。在傳統(tǒng)的科學實驗教學中，學生通過自己動手參與實驗的過程，獲得科學知識，解決實驗問題，提高學習能力和自主學習能力，促進核心素養(yǎng)的發(fā)展。同時，傳統(tǒng)實驗也培養(yǎng)了學生了解、正確使用實驗器材的能力，但在此過程中，也存在一些不足。

（一）部分實驗數據不夠精確

在小學科學教學中，“物質與能量”部分對于實驗數據的精確度要求較高，失之毫厘，差之千里。而在現實的科學教學中，實驗操作、實驗數據的記錄與分析基本都要依靠學生自己手動完成，受人為因素的影響大，在觀察記錄的過程中往往會出現數據偏差，導致實驗結果不準確。同時，實驗器材的精確度也會影響實驗結果，器材的分度值范圍具有局限性，數據精確度也會降低。

（二）部分實驗效率較低

小學科學實驗中的瞬發(fā)性實驗對學生的注意力以及操作有所要求，人為因素影響很容易造成學生錯過重要的實驗現象，導致從頭再來。一些需時較長的實驗，其操作時間也會相應拉長，造成實驗現象觀察以及數據分析部分會被操作過程的時長所占，導致實驗重心偏移。

三、數字化實驗在小學科學實驗探究中應用的實踐

本文在小學科學課堂《光的反射》一課中，運用傳感器進行進一步的實驗探究。

（一）創(chuàng)設任務情境，引發(fā)學生興趣

直接出示已經制作完成的光的反射現象玩具，將激光筆從入口射入，猜測光線會從A、B哪個孔出現？觀察現象并思考：為什么光線會從玩具A孔出現？由此引出光的反射現象。通過直接出示制作玩具的任務，使學生意識到可通過改變光的行進路徑改變方向，引導學生思考怎么樣或者利用什么改變光的行進路線。學生知道了光的反射現象，卻不清楚具體概念，這為后面明確光的反射定義并選擇制作玩具的材料打下了基礎。

教學片段一：

師出示玩具盒：老師今天帶來了一個玩具，上面有3個孔，分別是入口與對面的A孔以及側邊的B孔，激光筆的光線從入口進入，會從哪個孔出來呢？

思考A與B孔哪一處的光屏上會出現光斑。

師展示玩具：光線從B孔出來了，為什么？

活動一：

過渡：光線為什么會從B孔出來？

學生說一說自己的猜測。（里面有鏡片）

過渡：那接下來我們就利用鏡子嘗試使光線從B孔出來，做一做這個玩具。

實驗：小組合作畫出設計圖并利用激光筆與光屏進行實驗。

交流展示：學生交流自己的設計并展示最終結果。

提問：我們通過擺放鏡片改變了什么？

明確光的反射概念：通過改變光的行進路線完成要求，光線照射到物體表面后會折返，這種現象叫作光的反射。

（二）明確任務，展開數字化實驗

學生在親歷光的反射玩具之后，發(fā)現問題并需想辦法解決問題：如何改進玩具以減弱光線強度，保證用眼安全？傳感器的出現可以很好地解決問題，利用光強傳感器，測試反射出的光線的強度大小，對比數據分析選擇出最適合制作玩具的材料。

教學片段二：

活動二：

過渡：在嘗試使光線從B孔出來的過程中你有什么感受？人眼可接受的光強度應＜2000Lux，介紹光強傳感器，測試鏡片反射出的光線強度是多少。

談話：55000Lux遠超出安全范圍，怎么改進玩具，減弱光線強度，保證用眼安全？

學生思考如何改變光線的強弱（反射次數、顏色、材料……）。

談話：今天這節(jié)課我們就先來研究材料。你能想到什么材料？為什么用這些材料來替換？（出示材料）這些材料可以幫助你們研究嗎？你覺得哪個材料最符合要求？怎么設計實驗？

學生小組討論并分享交流。

實驗：學生利用光強傳感器，測試各材料從B孔反射出來后的光線強度數值，分析數據，選擇最符合要求的材料。制作最終玩具。

匯報交流：總結我的發(fā)現，表面越光滑的物體，反射效果越好。

通過制作玩具，學生自己動手測試，認識到鏡片可以改變光的行進路線，初步認識光的反射。在匯報交流之后明確光的反射定義，在做中學，體會科學研究的過程，激發(fā)科學探究的興趣，符合學生的發(fā)展水平和認知特性，學生的學習熱情被激發(fā)，能順利完成操作。

課本上強調材料表面的光滑與粗糙，至于究竟有多大的區(qū)別，學生經常使用最直觀的方式——用眼睛去觀察。但在這個實驗中，需要對比不同材料反射光的效果，那么，如何對比？用眼睛觀察能否保證實驗的精準？這時，可利用傳感器測量不同材料反射光的效果，將感官轉化為更直觀的數據，提高實驗的精確性。并且，直觀地使用眼睛觀察光線強弱以判斷物體反射光線的強度往往具有主觀性，因而就會出現各種不同的卻又無法得到解決的問題。而利用數字傳感器，在一節(jié)課的時間內將問題通過直接的數據得到解決，實驗效率也大大地得到了提高，學生在做實驗上的時間減少，就有足夠多的自主思考和交流的時間。

數字傳感技術因其具備很高的靈敏度，可用于捕捉實驗中的微弱變化，同時，它能夠連續(xù)采樣，具有很強的數據收集和處理能力，能以數據或圖形形式實時呈現實驗結果。利用光敏傳感器，將光線反射在不同材料表面，通過感應端，將光的反射效果數字化，學生讀取顯示屏上的數據，很容易就能得出結果，通過整理、分析數據得出結論。

（三）分析數據，層層遞進

學生對比分析數據，得到最適合用于改進玩具的材料，認識到物體表面光滑程度會影響光的反射效果。學生在實驗過程中，想辦法改變光線強度，進一步對比觀察幾組反射物材料，發(fā)現物體表面越光滑，反射效果越好，在自主學習中歸納光的反射規(guī)律。最后，他們互相評價了解還有很多其他原因會影響光的反射，加深了對光的反射概念和規(guī)律的理解，課后，讓學生繼續(xù)尋找生活中的光的反射，提出“光污染”等現實生活中的問題，延續(xù)學習。

教學片段三：

活動三：

過渡：我們成功改進了玩具，做得怎么樣呢？有沒有達標呢？請按照這份評價表對你們的玩具進行公正評價，并根據今天這節(jié)課上自己的表現，完成小組合作評價表。

為什么大家都是按要求制作的，評價結果卻有不同呢？在分析數據時，學生發(fā)現，黑色塑料片與白色塑料片雖然都是塑料片，但它們反射光的效果的數據卻有差別，這時就又引出了另外一個影響光的反射效果的因素：相同材料不同顏色的物體，反射光的效果如何？由不同材料轉向相同材料不同顏色，實驗探究不斷深入，提高了學生的思維水平與科學探究能力。

利用數字化實驗優(yōu)化科學實驗教學，將實驗生動化、形象化、直觀化，激發(fā)學生的好奇心，學生能夠更好地掌握科學知識，并將科學知識與實際生活聯(lián)系起來，完成知識的內化。同時，可讓科學學習更簡便，學生在實驗過程中不斷發(fā)現新問題，強化自主學習能力，培養(yǎng)自己的科學思維能力。

四、結語

數字傳感器的使用讓科學課堂更精彩，實驗操作更便捷，實驗過程更規(guī)范，實驗結果更直觀，有效培養(yǎng)了學生科學、嚴謹的態(tài)度。但是，完全放棄傳統(tǒng)實驗教學的確定性，過度依賴傳感器等數字化實驗器材，會減弱學生自主思考的能力，弱化學生的操作、記錄等重要能力的培養(yǎng)，學生會跳過更加重要的實驗設計過程，摒棄更加重要的實驗原理。所以，教師應根據教學內容與教學目標，合理、恰當地采用數字化實驗，才能將數字化教學的益處最大化。

參考文獻

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