應(yīng)用數(shù)字技術(shù)優(yōu)化實驗教學(xué)

談梅芬

隨著高新科技的不斷研發(fā)，全球大數(shù)據(jù)云計算的信息時代已經(jīng)到來，學(xué)校教育也從數(shù)字土著融入以數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)的大環(huán)境中。我校順應(yīng)教育趨勢，開展了“數(shù)字化實驗技術(shù)在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用研究”的課題研究活動，通過給學(xué)生提供一種操作性能強大的數(shù)字技術(shù)，鼓勵學(xué)生更有效地進(jìn)行實驗探究。

數(shù)字化實驗系統(tǒng)裝置由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、軟件、計算機四部分組成。傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)化成可用輸出信號的器件或裝置。小學(xué)科學(xué)實驗室中常用的傳感器有溫度傳感器、二氧化碳傳感器、pH傳感器、電流傳感器、聲音傳感器等。數(shù)據(jù)采集器能將實驗過程中的物理信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號、模擬信號輸出，全程跟蹤實驗過程中的數(shù)據(jù)變化，并以多種形式顯示實驗結(jié)果的裝置。我校使用的“TriE iLab”是一款功能強大的教學(xué)用實驗數(shù)據(jù)處理軟件，支持實驗設(shè)計、數(shù)據(jù)采集和保存、數(shù)據(jù)分析計算等。其次，TriE iLab還增設(shè)了CCD光強分布模式和聲音測量模式，同時支持無線通訊，并設(shè)有數(shù)據(jù)導(dǎo)入向?qū)В梢詫riE Smarta等具備存儲功能的數(shù)據(jù)采集器上存儲的數(shù)據(jù)導(dǎo)入并進(jìn)行計算，也就是說可以單獨攜帶、輕巧方便地進(jìn)行戶外探究。

在傳統(tǒng)小學(xué)科學(xué)實驗過程中，雖能同樣關(guān)注實驗的設(shè)計，實驗的過程，以及最終的實驗數(shù)據(jù)，但由于受到現(xiàn)實實驗器材的制約，很多時候只能做定性分析。即便是定量，比如力的大小，溫度的高低，容積的多少，時間的快慢，“差不多是”“接近是”是師生進(jìn)行實驗結(jié)果分析時的專用名詞。但在實驗現(xiàn)象較接近且難以分辨時，比如音強的大小，酸堿的強弱等，數(shù)字化實驗定量化處理的優(yōu)勢就很好體現(xiàn)出來了。同時，使用傳感技術(shù)，可以采集實驗過程的完整數(shù)據(jù)，并通過數(shù)據(jù)的分析，直觀地感受到實驗全程的變化，從而得出更加準(zhǔn)確、科學(xué)的結(jié)論。

一、精準(zhǔn)，用優(yōu)于手工采集的技術(shù)，確保實驗探究的成功

結(jié)合溫度傳感器為主的數(shù)字化實驗技術(shù)與傳統(tǒng)手工采集數(shù)據(jù)實驗相對比，我校使用的溫度傳感器量程-50℃至150℃，分辨率0.1℃，精度+0.5℃，便捷的操作，精準(zhǔn)的讀數(shù)在蘇教版小學(xué)科學(xué)四年級《冷熱和溫度》一課得以很好的體現(xiàn)。本課的教學(xué)目標(biāo)是建立溫度的概念，學(xué)會使用溫度計測量水溫，能夠收集數(shù)據(jù)并發(fā)現(xiàn)熱水變涼的溫度變化規(guī)律。連續(xù)測量一杯50mL熱水溫度的變化是本課的主要探究活動，在傳統(tǒng)教學(xué)中，這個實驗的操作除了需要正確讀取數(shù)據(jù)外，另一個最至關(guān)重要的問題是計時員的選定，每隔一分鐘進(jìn)行一次測量讀數(shù)，計時提前或落后會直接錯失實時數(shù)據(jù)的獲取；而如果忽視人員工作的責(zé)任心與實驗的嚴(yán)謹(jǐn)性，將會出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的無效數(shù)據(jù)，以至于最終無法發(fā)現(xiàn)其中的科學(xué)規(guī)律。而溫度傳感器的使用則有效攻克了實驗中準(zhǔn)確讀數(shù)的難點， TriE iLab實驗數(shù)據(jù)處理軟件又很好地排除了實驗中計時的困惑，甚至不存在人腦神經(jīng)的反應(yīng)速率，時間能精準(zhǔn)到秒，實時進(jìn)行測量并自動記錄，體現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的智能高效，科學(xué)客觀地測量了每一時間點的數(shù)據(jù)值。

二、優(yōu)化，用明了的現(xiàn)象分析比較，提高實驗的可操作性

科學(xué)學(xué)習(xí)決不能只是別人做給他們看的過程，學(xué)生更需要參與真實的動手過程，把科學(xué)知識應(yīng)用于新問題的解決中去。例《導(dǎo)體與絕緣體》一課，學(xué)生在對導(dǎo)體和絕緣體有了初步認(rèn)知后，能夠輕松快速地檢測銅、鐵、鋁是導(dǎo)體，橡膠、塑料等是絕緣體，但由于鹽水、肥皂水、果皮、人體等電阻很大，學(xué)生無法用普通驗電裝置通過點亮小燈泡的方式進(jìn)行檢測。因此，教師往往會對這一環(huán)節(jié)的處理轉(zhuǎn)變?yōu)檠菔緦嶒灒萌梭w驗電器進(jìn)行檢測人體是導(dǎo)體，用紐扣電池和LED小燈組裝新的實驗裝置測定其他液體也是導(dǎo)體。在此期間學(xué)生始終處于觀眾席位，沒能親手動手實驗。而微電流傳感器恰到好處地使用，方便學(xué)生人人參與到科學(xué)探究中去，用數(shù)據(jù)說明現(xiàn)象，用事實解釋分析，使學(xué)生在開放性、情景性的氛圍中進(jìn)行多維度、廣角度的實驗探究，由此獲得思維力的提高。

三、個性，用便捷的數(shù)據(jù)采集方式，打造開放的實踐活動

科學(xué)學(xué)習(xí)決不只是四十分鐘課堂內(nèi)的事，也不僅是能讀懂幾本與科學(xué)相關(guān)的書籍，實踐運用才是孩子們學(xué)科學(xué)用科學(xué)的廣闊舞臺。師生通過設(shè)計個性化的實踐活動，有效彌補課堂教學(xué)的狹隘，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)在動力，以及科學(xué)運用實際生活的應(yīng)用能力。結(jié)合《測定教室中的CO2和O2》實踐活動案例介紹。學(xué)生通過以往課堂的學(xué)習(xí)、書本的閱讀，知道二氧化碳是空氣中的一種氣體，占空氣比例的0.03%左右，比空氣重，不能供給動植物呼吸，是一種窒息性氣體，但面對寒冷的冬季學(xué)生又習(xí)慣緊閉教室的門窗，而這污濁的空氣使人精神不振。學(xué)生通過資料的查閱，可以知道上課疲倦是因為教室中的二氧化碳含量過高導(dǎo)致的，可是怎么解決通風(fēng)換氣與保暖御寒之間的矛盾呢，這就需要了解教室空氣中二氧化碳含量的變化與哪些因素有關(guān)。學(xué)生利用傳感器以及TriE Smarta具備存儲功能的數(shù)據(jù)采集器，通過測量人數(shù)一定的情況下，把教室封閉不同的時間及開窗通風(fēng)不同的時間來測量二氧化碳和氧氣含量的變化量，以及人數(shù)不同的情況下，把教室封閉相同時間后的二氧化碳和氧氣含量的變化量，最終獲得空氣中各氣體比例的差異對人體健康的影響。整個活動歷時整天，這也是傳統(tǒng)課堂無法企及的，學(xué)生用數(shù)據(jù)分析更容易得出科學(xué)客觀的結(jié)論。

對比傳統(tǒng)教學(xué)，數(shù)字化實驗更關(guān)注對結(jié)果進(jìn)行定量分析，從具體數(shù)據(jù)的分析歸納中得出實驗結(jié)論，側(cè)重于學(xué)生探究技能和思維能力的培養(yǎng)。但我們不能摒棄傳統(tǒng)，更不能為技術(shù)而技術(shù)，應(yīng)始終保持現(xiàn)代與傳統(tǒng)的有效整合，充分挖掘兩者的教學(xué)價值，讓探究因數(shù)字化技術(shù)的引入，使學(xué)生對科學(xué)概念的理解和科學(xué)本質(zhì)的認(rèn)知更透徹！

【作者單位：宜興市湖濱實驗學(xué)校 江蘇】