傳感器技術在小學科學實驗教學中的應用

孫梅芳

一、引言

隨著信息技術的發(fā)展，出生在數(shù)字時代的小學生們從小就接觸了豐富的數(shù)字產(chǎn)品，他們體驗到了這些先進設備帶來的便利和樂趣。相比之下，傳統(tǒng)科學實驗室里的一些瓶瓶罐罐們，有時很難滿足學生發(fā)展的需要。一方面，有的傳統(tǒng)實驗器材使用起來費時，導致實驗效率很低，有的傳統(tǒng)實驗器材操作過程復雜，導致學生的時間和精力都用在操作過程上，沒有了觀察實驗現(xiàn)象、思考問題和得出結論的時間。另一方面，小學科學實驗計劃中涉及力學、電磁學、聲學等領域，實驗數(shù)據(jù)較難獲取。因此在科學實驗教學中，往往實驗數(shù)據(jù)誤差較大，只能勉強得出一些所謂的科學結論。長此以往這樣的科學教學既限制了學生獲取數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)能力的提高，也阻礙了學生科學探究精神的培養(yǎng)。

在傳統(tǒng)小學科學實驗教學中往往只進行一些簡單的定性描述和推理實驗，定量實驗很難開展。隨著數(shù)字技術走進校園，傳感器測量技術為小學科學教學開展定量實驗創(chuàng)造了條件。它為學生提供了一個自主探索的平臺，給他們展示了更直觀、生動的教學內(nèi)容，優(yōu)化了小學科學課堂教學情境。從而也激發(fā)了學生的學習興趣，解決了我們傳統(tǒng)科學教學中所解決不了的問題，讓我們的科學課堂教學效率大大提升。

二、完善小學科學探究設計，突出傳感器技術的優(yōu)勢

1.巧用傳感器技術使科學過程具體化

戴爾指出“教育應從具體經(jīng)驗入手，逐步進入抽象，有效地學習之路必須是鋪滿著具體經(jīng)驗。”小學科學以實驗為基礎，由于實驗器材限制，有些實驗在傳統(tǒng)小學科學實驗室中無法完成。而數(shù)字化探究實驗室突破了這些限制，利用傳感器技術替代傳統(tǒng)的測量儀器完成力、熱、聲、光、電等多種數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器處理后上傳到計算機，由教學軟件進行實時的處理與分析。例如傳統(tǒng)的彈簧測力計在課堂中學生一般只關注最終的測量結果，很少關注彈簧測力計的讀數(shù)變化，不會進行數(shù)據(jù)的記錄，更談不上給學生提供有分析價值的數(shù)據(jù)。而傳感器技術把過程數(shù)據(jù)詳細記錄下來，并且繪制出了相關曲線，使科學過程變得具體化，讓學生親身經(jīng)歷了探究過程。

2.巧用傳感器技術使科學現(xiàn)象直觀化

聲音的大小和高低這兩個概念很容易混淆，小學生在學習這兩個概念前往往認為聲音越大音調(diào)也會越高。因此在教學《聲音》這一內(nèi)容時，怎樣讓學生了解并區(qū)分聲音大小和高低概念成為讓教師頭疼的事情。自從聲音傳感器走進了校園，問題一下子迎刃而解了，聲音傳感器可以直接檢測出整個聲音的衰減過程，并且在計算機上清晰地呈現(xiàn)出這一過程。傳感器技術將看不見的波變成了直觀化的曲線，用動態(tài)圖的形式減輕了學生的認知負擔。

3.巧用傳感器技術檢驗科學實驗成效

傳感器測量的數(shù)值精度較高，這是感官感受無法比擬的，因此將傳感器技術運用在檢驗實驗成效時可以減少感官的“誤判”。例如學生進行保溫裝置的設計時，為了弄清自己設計的保溫裝置的效果，可以讓學生打開溫度傳感器，將溫度傳感器放入保溫裝置中一段時間，通過觀察分析系統(tǒng)軟件中顯示的溫度變化值和曲線變化，檢驗學生設計的保溫裝置的成效。此外還可以將數(shù)據(jù)圖表生成為實驗報告，為學生進一步改進自己的裝置提供證據(jù)。同時也為教師評價學生的最終設計成效提供了精確的過程性資料和證據(jù)，避免傳統(tǒng)實驗條件下靠手摸一摸的不準確。

三、轉(zhuǎn)變小學科學探究形態(tài)，注重定量研究和分析

1.轉(zhuǎn)變當前重定性輕定量研究的現(xiàn)狀。傳感器的技術的運用為定量研究創(chuàng)造了條件，一方面教會學生將觀察的結果用物理量、動態(tài)曲線來表示，另一方面還引導學生學會將無法直接觀察到的物理量轉(zhuǎn)化為可見的物理量，從而間接觀察。比如聲音看不見摸不著，我們可以通過聲音傳感器進行定量測量，并將測量數(shù)據(jù)用波的變化曲線表示出來。定量分析是科學研究的重要思想，我們很多實驗發(fā)現(xiàn)并不是直接觀察的結果，而是對轉(zhuǎn)變后的物理量進行觀察統(tǒng)計，從而間接得出科學結論。

2.正確認識定量統(tǒng)計分析的意義。學生運用傳感器技術進行測量之后，更為重要的是必須對這些物理量進行有效的統(tǒng)計分析，教師應指導學生如何正確理解實驗誤差，很多時候?qū)W生只知道要多次測量取平均值，但不知道為什么要這樣做，不知道平均值的意義，這也造成了學生難以真正理解誤差。因此建議教師在指導學生測量前，一要提醒嚴格控制實驗條件，減少誤差；如果測量的數(shù)值相差較大，可能是實驗控制出現(xiàn)了問題，應重新改進實驗；在正式測量前要多練習幾次，等熟練之后再取測量值，確保測量值的信度。

3.應用統(tǒng)計分析建立科學模型。心率傳感器可以測量人的心跳，課堂上指導學生分組測量自己的心率，讓學生先安靜下來，然后用心率傳感器技術結合軟件應用來進行測量，并在大屏幕上進行全班數(shù)據(jù)匯總繪制成條形圖，統(tǒng)計分析實驗數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，人在安靜狀態(tài)下心跳頻率集中在一個什么樣的范圍內(nèi)。根據(jù)這個范圍我們可以建立清晰的模型。科學模型往往離不開數(shù)學統(tǒng)計，這也是我們強調(diào)定量研究分析的意義所在。

四、豐富小學科學探究內(nèi)容，超越傳統(tǒng)教材設計

一些傳統(tǒng)實驗器材無法完成的實驗，我們的教材就作為課后拓展或者直接忽略。我們將傳感器技術引入課堂，就需要對教材進行重新設計，首先得讓學生懂得傳感器的原理以及相關的軟件是如何利用傳感器來采集分析數(shù)據(jù)的。教師和學生只有都對傳感器的知識有一定的了解，知道該軟件應用的大致設計原理后，才能有效地利用它。此外，一些新的物理量也要列入小學科學教學內(nèi)容。例如引導學生認識噪音的單位分貝（dB），不同環(huán)境的噪音大致的范圍是多少，噪音會對人體健康產(chǎn)生影響嗎。

傳感器技術在小學科學實驗教學中的應用，使教學方法上實現(xiàn)了多樣化；在教學模式上使交互式教學成為可能；在教育理念上為教育的發(fā)展提供了新思路，體現(xiàn)了信息技術與小學科學的整合。

【作者單位：太倉市港城小學 江蘇】