數(shù)字化技術(shù)賦能《材料的導(dǎo)熱性》實(shí)驗(yàn)教學(xué)

〔摘" "要〕" 數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用在教育領(lǐng)域日益廣泛。以計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，集教育和信息技術(shù)為一體的數(shù)字化技術(shù)在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)方面具有重要意義和作用。本文以青島版科學(xué)五四制五年級上冊第五單元第二課《材料的導(dǎo)熱性》為例，通過使用數(shù)字化設(shè)備及傳感器，對不同材料的導(dǎo)熱性能進(jìn)行精確測量和分析，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程的動態(tài)呈現(xiàn)，學(xué)生直觀感受數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)和便捷，幫助學(xué)生更好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。

〔關(guān)鍵詞〕" 小學(xué)科學(xué)；數(shù)字化技術(shù)；核心素養(yǎng)

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）20" " 0085-03

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確指出，“教師應(yīng)利用信息技術(shù)輔助手段，如數(shù)字化實(shí)驗(yàn)等，讓學(xué)生比較直觀便捷地學(xué)習(xí)相關(guān)知識”。傳統(tǒng)的導(dǎo)熱性實(shí)驗(yàn)方法存在一定的局限性，而數(shù)字化技術(shù)的引入為這一領(lǐng)域帶來了新的機(jī)遇。運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（傳感器替代傳統(tǒng)測量工具、專用軟件與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理）開展的實(shí)驗(yàn)，統(tǒng)稱為數(shù)字化實(shí)驗(yàn)。采用“實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視化”“實(shí)驗(yàn)證據(jù)的可視化”和“信息處理的可視化”三種基本形式，應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將“不可見”的現(xiàn)象“可視化”?？梢暬膶?shí)驗(yàn)，為教師和學(xué)生提供更多反饋、反思和修改的機(jī)會，使學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)變得更為有效。

一、數(shù)字化技術(shù)在科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的誤區(qū)

（一）功能認(rèn)知局限

在科學(xué)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，傳感器作為獲取數(shù)據(jù)的關(guān)鍵工具，其功能的充分發(fā)揮對實(shí)驗(yàn)的深度與廣度拓展至關(guān)重要。然而，目前普遍存在對傳感器功能認(rèn)知不足的現(xiàn)象，這在很大程度上限制了實(shí)驗(yàn)的拓展。對傳感器功能的認(rèn)知局限主要體現(xiàn)在僅了解其基本測量功能。例如在熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中，只把溫度傳感器用于測水溫，忽略其在探究熱傳遞動態(tài)過程等方面的應(yīng)用。磁學(xué)實(shí)驗(yàn)中，磁傳感器也多被用于檢測磁場的有無和強(qiáng)弱，而忽視了其在測量磁場梯度、磁矩等方面的潛力。在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，知道用力學(xué)傳感器測量物體所受的力的大小，探究力的相互作用關(guān)系，忽略了可以利用力學(xué)傳感器搭建簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，如杠桿、滑輪等，測量在不同負(fù)載下結(jié)構(gòu)的受力情況，分析機(jī)械效率和省力原理等應(yīng)用知之甚少。

（二）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)欠佳

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，由于對傳感器功能了解不足，傳感器使用與實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)不契合。實(shí)驗(yàn)人員只按照既定的實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行操作，難以設(shè)計(jì)出具有創(chuàng)新性和深度的實(shí)驗(yàn)方案，只能重復(fù)進(jìn)行一些常規(guī)的實(shí)驗(yàn)，無法開展對復(fù)雜科學(xué)現(xiàn)象的研究，限制了學(xué)生自主探索和創(chuàng)新的空間。

（三）過度依賴數(shù)據(jù)

在科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，傳感器的廣泛應(yīng)用為獲取精確數(shù)據(jù)提供了便利。然而，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，教師和學(xué)生往往將重點(diǎn)放在傳感器輸出的數(shù)字結(jié)果上。例如在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生使用力傳感器測量物體所受拉力，只關(guān)注顯示屏上的數(shù)值變化，而忽略了物體在受力過程中的形變、運(yùn)動狀態(tài)改變等直觀現(xiàn)象?？茖W(xué)觀察是科學(xué)研究的基礎(chǔ)，通過對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的細(xì)致觀察，能發(fā)現(xiàn)問題、提出假設(shè)。而只關(guān)注數(shù)據(jù)，會影響學(xué)生對科學(xué)概念的理解。

二、數(shù)字化技術(shù)賦能科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的策略

（一）激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣

在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，利用數(shù)字化技術(shù)可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的興趣，讓學(xué)生在輕松愉快的氛圍中了解更多關(guān)于自然、生命、科學(xué)知識。數(shù)字化技術(shù)為科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)注入活力，在一定程度上改變了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，變被動為主動，讓學(xué)生在趣味學(xué)習(xí)中探索科學(xué)知識，提高科學(xué)素養(yǎng)。

（二）優(yōu)化學(xué)習(xí)內(nèi)容與效果

科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力和科學(xué)思維的重要環(huán)節(jié)。數(shù)字化技術(shù)的融入為教學(xué)內(nèi)容的豐富和教學(xué)效果的提升提供了新的途徑。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可將抽象的、可視性差的實(shí)驗(yàn)通過相應(yīng)的傳感器直觀地、連續(xù)地呈現(xiàn)在計(jì)算機(jī)上，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果放大，將實(shí)驗(yàn)定量化。

教師可以借助動畫、模擬軟件等，將抽象的科學(xué)概念和實(shí)驗(yàn)原理動態(tài)呈現(xiàn)；借助數(shù)字化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對實(shí)驗(yàn)過程的動態(tài)呈現(xiàn)，讓學(xué)生可直接觀察和體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。例如，在力學(xué)、電學(xué)實(shí)驗(yàn)中，可以捕捉一些瞬間變化的物理量，如微小的力、快速變化的電流等；在聲學(xué)實(shí)驗(yàn)中，可以通過觀察波形進(jìn)行比較，來準(zhǔn)確判斷音調(diào)的高低。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)很難精確捕捉和展示，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的傳感器卻能敏銳地感知，并將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋到計(jì)算機(jī)上，學(xué)生可以清晰地看到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)變化過程，促進(jìn)學(xué)生創(chuàng)造性思維的發(fā)展。

（三）提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及探究能力

提升學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與探究能力是科學(xué)教育的重要目標(biāo)，數(shù)字化技術(shù)能提供多元化工具與資源，助力完成這一目標(biāo)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要特別注重培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和科學(xué)探究能力。通過數(shù)字化教育技術(shù)，可以幫助學(xué)生更好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，有利于提升學(xué)生的探究能力。

三、數(shù)字化技術(shù)賦能科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)例

溫度傳感器可精確測量不同材料在受熱過程中的溫度變化，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄下來，避免了傳統(tǒng)溫度計(jì)讀數(shù)不準(zhǔn)確、不及時(shí)的問題，為后續(xù)分析材料導(dǎo)熱性提供準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)支持。通過溫度傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，可將不同材料的溫度變化以曲線等直觀的圖表形式呈現(xiàn)出來，讓學(xué)生更清晰地觀察到不同材料在相同時(shí)間內(nèi)溫度上升的快慢及幅度差異，從而更直觀地理解不同材料導(dǎo)熱性的不同，如金屬材料溫度上升快，塑料、木材等材料溫度上升慢。

（一）學(xué)情分析

知識儲備方面：學(xué)生在四年級已經(jīng)學(xué)習(xí)了熱傳導(dǎo)的知識，知道熱可以沿著物體從溫度高的部分傳到溫度低的部分，從溫度高的物體傳到溫度低的物體。

認(rèn)知特點(diǎn)方面：學(xué)生知道很多生活用品是由不同的材料制作的，它們的用途也是不同的。本節(jié)課依據(jù)學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，選取生活中常見的金屬材料與非金屬材料進(jìn)行觀察、探究，讓學(xué)生知道不同材料的導(dǎo)熱性不同這一特點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)學(xué)以致用的目的。

（二）教學(xué)準(zhǔn)備

六根不同材料的小棒、燒杯、熱水、數(shù)顯溫度計(jì)、泡沫板、計(jì)算機(jī)、數(shù)字化設(shè)備及DIS軟件。

（三）教學(xué)過程

1.創(chuàng)設(shè)情境，導(dǎo)入新課

視頻出示場景：課件播放視頻，視頻內(nèi)容為教師用鐵鍋?zhàn)鲲垥r(shí)不小心燙著手的情景，視頻最后出示問題——老師為什么會燙著手呢？

設(shè)計(jì)意圖：本節(jié)課的知識目標(biāo)是掌握不同材料的導(dǎo)熱性不同，學(xué)生根據(jù)知識經(jīng)驗(yàn)回答出由于鍋被加熱所以燙手。進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生探究“為什么握鍋柄的手不燙”這一問題。將知識目標(biāo)融合到場景中，明確了本課探究活動的主題。在激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的同時(shí)，也成功喚起學(xué)生已有的生活經(jīng)驗(yàn)，為課堂探究做好準(zhǔn)備。

2.引發(fā)猜想，探究實(shí)踐

（1）借助數(shù)顯溫度計(jì)探究兩種材料

學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模擬實(shí)驗(yàn)，用鐵棒模擬鍋身，木棒模擬鍋柄，熱水作為熱源。學(xué)生分小組討論實(shí)驗(yàn)方案。教師要巡視各小組，觀察學(xué)生的討論過程。

設(shè)計(jì)意圖：對于設(shè)計(jì)方案困難的小組，教師通過提問引導(dǎo)學(xué)生思考，了解學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路上的障礙點(diǎn)，關(guān)注學(xué)生是否明確這個(gè)實(shí)驗(yàn)除材料不同外，其他條件必須相同；讓學(xué)生認(rèn)識到只有通過嚴(yán)謹(jǐn)規(guī)范的操作，才能獲得科學(xué)準(zhǔn)確的結(jié)論。

學(xué)生匯報(bào)實(shí)驗(yàn)方案：往燒杯中加入熱水；用泡沫板固定鐵棒和木棒，同時(shí)放入熱水中；利用數(shù)顯溫度計(jì)測量溫度，通過計(jì)算加熱后與加熱前的溫度差的方法來比較導(dǎo)熱性強(qiáng)弱。

學(xué)生依據(jù)加熱相同的時(shí)間，鐵棒的溫度變化得快，得出鐵棒的導(dǎo)熱性強(qiáng)、木棒的導(dǎo)熱性弱這一結(jié)論。教師介紹鐵棒屬于金屬材料，木棒屬于非金屬材料，引導(dǎo)學(xué)生猜想金屬材料與非金屬材料的導(dǎo)熱性強(qiáng)弱。由于不能依據(jù)鐵這一種金屬、木棒這一種非金屬就來判斷這兩類材料的導(dǎo)熱性，所以借助多種材料進(jìn)行進(jìn)一步探究。

（2）借助數(shù)字化技術(shù)探究兩類材料

學(xué)生在實(shí)驗(yàn)的過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理較為煩瑣。于是，借助數(shù)字化設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。將溫度傳感器的探針用小圓環(huán)固定在小棒相同高度的位置上；通過連接線將兩個(gè)“三合一”的傳感器接入數(shù)據(jù)采集器；通過通信線接入計(jì)算機(jī)，顯示6組材料的溫度后，點(diǎn)擊自動記錄數(shù)據(jù)按鈕；將數(shù)據(jù)形成一個(gè)表格，點(diǎn)擊繪制圖表，形成溫度隨時(shí)間變化的折線圖。通過分析數(shù)據(jù)，可以直觀地看到加熱相同的時(shí)間，金屬材料的溫度變化得快。學(xué)生得出金屬材料的導(dǎo)熱性強(qiáng)、非金屬材料的導(dǎo)熱性弱的結(jié)論，并發(fā)現(xiàn)在金屬材料中，不同金屬材料的導(dǎo)熱性也是不一樣的。

在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)中，我們通常用手摸小棒感受溫度變化，但存在不安全性；或者用凡士林將火柴粘在小棒上，通過觀察火柴掉落情況判斷導(dǎo)熱性強(qiáng)弱。由于加熱前物體的溫度是不同的，而比較導(dǎo)熱性強(qiáng)弱應(yīng)該比較加熱相同的時(shí)間，物體的溫度變化大小。所以，本節(jié)課運(yùn)用了數(shù)字化設(shè)備，將實(shí)驗(yàn)過程形成溫度隨時(shí)間變化的折線圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)論也更為準(zhǔn)確。

四、數(shù)字化技術(shù)賦能科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的感悟

（一）以數(shù)字化之趣，點(diǎn)燃學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)熱情

小學(xué)階段學(xué)生好奇心強(qiáng)，數(shù)字化技術(shù)能將抽象知識轉(zhuǎn)化為生動有趣的形式。如用折線圖展示熱的傳遞過程、用聲波展示聲音的高低變化等，色彩鮮艷的畫面和動態(tài)演示，瞬間抓住學(xué)生注意力，讓他們對科學(xué)課充滿期待，主動參與課堂討論與探索。

（二）借數(shù)字化之力，突破小學(xué)科學(xué)教學(xué)難點(diǎn)

小學(xué)科學(xué)有些概念抽象，學(xué)生理解困難。“數(shù)字化”的出現(xiàn)是對傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與補(bǔ)充，一定程度上排除了實(shí)驗(yàn)誤差的干擾，采集數(shù)據(jù)更加精確、高效，有利于培養(yǎng)學(xué)生分析數(shù)據(jù)的能力，讓學(xué)生更直觀、科學(xué)、準(zhǔn)確地感知到不同材料的導(dǎo)熱性不同這一概念。對科學(xué)概念化繁為簡、化抽象為具象、化隱為顯，為學(xué)生認(rèn)識科學(xué)核心概念搭建“腳手架?！?/p>

（三）憑數(shù)字化之能，支持小學(xué)科學(xué)個(gè)性化學(xué)習(xí)

每個(gè)學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度和方式不同。數(shù)字化學(xué)習(xí)平臺為學(xué)生提供了個(gè)性化學(xué)習(xí)空間。學(xué)生可根據(jù)自身情況選擇學(xué)習(xí)內(nèi)容和進(jìn)度，如基礎(chǔ)薄弱的學(xué)生可掌握本堂課的內(nèi)容，學(xué)有余力的學(xué)生可利用溫度傳感器在課外繼續(xù)探究不同材料或不同環(huán)境下材料的導(dǎo)熱性，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)的興趣和探索欲望，培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維，如探究不同金屬合金的導(dǎo)熱性、不同厚度材料的導(dǎo)熱性等。

數(shù)字化技術(shù)作為現(xiàn)代教育的重要手段，正逐漸融入小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。數(shù)字化技術(shù)的使用不僅能夠提升實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量，還在拓展實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、促進(jìn)合作學(xué)習(xí)和個(gè)性化教學(xué)等方面發(fā)揮著重要作用，為教學(xué)模式創(chuàng)新與學(xué)生素養(yǎng)提升帶來新契機(jī)。教師應(yīng)積極探索數(shù)字化技術(shù)與小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合方式，充分利用數(shù)字化技術(shù)優(yōu)勢，不斷創(chuàng)新教學(xué)方法，為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)提供有力支持，推動小學(xué)科學(xué)教育高質(zhì)量發(fā)展。

【本文系煙臺市教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2023年度課題“指向核心素養(yǎng)培育的小學(xué)科學(xué)數(shù)字化探究性實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與開發(fā)實(shí)踐研究”的階段性研究成果，課題編號：145-2023GH079】

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