淺談數字實驗儀器在科學課中的應用

江蘇南京師范大學附屬中學江寧分校（211102）

20世紀90年代，隨著信息技術的飛速發展，教育信息化的概念被提上日程。教育信息化教師只有在教育過程中較全面地運用現代化信息技術，促進教育改革，才能適應正在到來的信息化社會提出的新要求。因此，在小學科學課堂中，一種以傳感器和計算機為基礎的新型實驗模式——數字化實驗應運而生。所謂數字化實驗，是采用數字化實驗系統，通過傳感器采集數據，計算機實時顯示和分析數據，來完成定量實驗的方式。學生借助數字化實驗平臺，既可以理解科學的基本理論，又可以掌握有關數字化實驗的相關技術。下面，結合科學課堂中使用數字化實驗儀器的教學實踐，我對使用數字化實驗儀器進行了以下思考。

一、使用數字化實驗儀器的優勢

1.易于激發學生的興趣和培養學生的綜合素養

數字化實驗以信息化的硬件設施為前提。數字化實驗室，需配備數字實驗儀器箱和與之相連的臺式機或者平板電腦。學生在原有實驗的基礎上，還需掌握連接傳感器和使用軟件采集數據和分析數據的技能。在數字化實驗模式中，學生的學習內容更加豐富，更具有時代氣息，也更貼近現代科技前沿。學生置身于信息化的時代背景中，對科技新事物的好奇心，使他們的積極性更易被激發，學習的耐力更持久：一方面，他們忙于操作數字化實驗儀器；另一方面，他們樂于借助電腦進行精準的數據分析和形象的實驗對比。通過教學實踐，我體會到信息技術在科學課堂上的運用，確實給學生帶來了無限的樂趣，為學生創建了一個寬松的學習環境，既提高了學生的實驗操作能力，又提高了學生的信息素養。

2.易于轉化錯誤前概念，建立科學概念

在科學知識的四大領域——物質科學、生命科學、地球與宇宙科學和技術與工程科學領域中，有些科學知識對學生來說是比較抽象的。如空氣是一種混合氣體，其中氮氣的含量最多，其次是氧氣，其中還有一些稀有氣體。呼吸的過程中，肺是氧氣和二氧化碳交換的場所。這些知識通過傳統實驗是無法探究得到的，教師只能用“填鴨式”的方式告知學生，導致學生難以記憶。如果能通過實驗獲得具體的數據，通過分析數據找出規律，得出結論，學生的記憶會更加深刻。另外，利用實驗數據分析還能轉化學生已有的錯誤概念，使之建立科學概念。如教學《肺和呼吸》一課時，呼吸的過程是吸進氧氣和呼出二氧化碳，在常規實驗中，教師用吸管吹澄清的石灰水的實驗，讓學生明白呼出的氣體中有二氧化碳。調查顯示，大部分學生認為呼吸過程中，人體吸入了空氣中的氧氣，呼出的氣體絕大部分都是二氧化碳。而事實上，人體在呼吸過程中，只有4%左右的氧氣轉化成了二氧化碳，其他氣體的含量基本不變。教師引入數字實驗儀器中的氣體傳感器后，可以準確測量空氣和人體呼出氣體中二氧化碳和氧氣的量，從而用具體的數字推翻學生原有的錯誤前概念，建立人體呼出的氣體中二氧化碳仍是少量的科學概念。

3.降低實驗難度，提高實驗效率

數字化實驗可以通過傳感器和采集器把各種物理量，如力、聲、光、溫度、位移、磁場強度等轉化成模擬電信號，再通過I/O轉換成計算機能夠識別的數字信號，從而實現實驗數據的采集。計算機采集數據后，人們可以利用編制的軟件，快速、準確地處理采集到的實驗數據，如計算平均數、總和等。軟件還可以將收集到的數據轉換成直觀的圖表。運用各種傳感器替代傳統的實驗工具，簡化了學生的實驗操作，降低了實驗難度。實驗數據采集之后交由計算機分析處理，既提高了分析結果的準確率，又提高了分析實驗數據的效率。

以“探究熱水降溫規律”這一實驗為例，在常規實驗中，既需要學生固定煤油溫度計，還需要學生計算時間。而且，把煤油溫度計固定在鐵架臺上并不簡單：高度要適中，還要避免溫度計與其他硬物相碰。開始測量后，學生每隔一定的時間就要讀取溫度計上的讀數，對于初次接觸煤油溫度計的學生而言，讀數錯誤時有發生。改用數字化實驗儀器后，學生只需把溫度傳感器固定好，靜心觀察傳感器收集到的熱水在一段時間內溫度的變化即可。學生在觀察的同時，手動繪制溫度數值變化曲線，最后將繪制的數值曲線與軟件繪制的曲線進行比較，發現熱水降溫的規律。數字化實驗，既降低了學生的操作難度，縮短了做實驗和分析數據的時間，又鍛煉了學生的數據分析能力。另外，數字化實驗儀器在和力有關的實驗中的應用優勢更加明顯。在力學實驗中，測力計的使用是個老大難的問題。在有摩擦力和斜坡的實驗中，測力計指針抖動明顯，讀數誤差大，如果操作不規范，可能得到的就是錯誤數據。在這些實驗中，普遍存在實驗時間長、實驗數據誤差大的問題。改用數字實驗儀器后，實驗數據誤差小，對比實驗效果顯著，更易幫助學生得出實驗結論。

二、使用數字化實驗儀器的困惑和思考

1.小心被技術綁架的數字化實驗

在熟悉數字化實驗的硬件和軟件的基礎上使用數字化實驗儀器，能顯著提高實驗效率，但學生對數字化實驗比較陌生，教師要花費較多的時間教學生學習相關軟硬件的使用。學生對數字化實驗系統一知半解，不可避免削弱了實驗效果。教師就更分身乏術了，需要不斷奔忙在指導學生使用數字實驗儀器的過程中，因為學生在使用軟件收集到數據如果和分析數據的過程中，各種問題層出不窮。以和數據傳感器配套的軟件為例，收集到的數據如果有誤卻沒法刪除，只能重新采集數據；在對比實驗中，圖表區不會自動生成多組圖表，需要學生設置后才會出現；實驗數據不可以重命名，學生沒法快速準確地把數據和圖表聯系起來……這些操作要領，教師需一一告知，往往實驗還沒結束，一節課就結束了，導致教師沒有時間進行總結，學生也無法獲得思維能力的提升。數字化實驗儀器沒有優化課堂，反而成了實驗環節的累贅。教師如果能提前訓練學生使用數字化實驗儀器，學生會更專注于實驗設計和實驗操作，促進思維能力的提高。更為重要的是，教師要選擇易于學生操作和更符合學生認知水平的數字化實驗儀器。

2.合理使用數字化實驗

數字化實驗在數據采集和數據分析上的作用明顯優于傳統實驗，但我們也不可因此廢棄傳統實驗。傳統實驗是培養學生基本實驗能力和實驗素養的重要途徑，是不能省略的教學環節。同時，科學課程標準指出，“科學探究是學生獲取科學知識、領悟科學思想、學習科學方法最重要的學習方式，既是學習科學的途徑，又是學習科學課程的目標”。學生的科學探究能力與設計和操作實驗的能力密不可分，而傳統的實驗方法要求學生掌握更多的實驗技巧。為了獲取準確的數據，學生必須更細致地操作，與同學分工合作。所以，從某種程度上來說，傳統實驗對培養學生的手眼協調和合作能力更有利。傳統實驗要求學生具備基本的數據處理和分析能力，包括對有效數據的使用和實驗誤差的分析。而數字化實驗依靠計算機操作平臺，學生直接獲得數據和分析結果，這樣反而會弱化學生收集和分析信息的能力。傳統實驗中的誤差在所難免，有時因操作或其他原因導致的失誤，反而能幫助學生發現之前未考慮到的影響實驗的因素。數字化實驗儀器在探究方面表現出很強的技術優勢，但決不能把它應用到所有的科學實驗中。教師還需以教學目標為出發點，以學生的長足發展為依據，合理使用數字化實驗儀器。

在教育信息化的大背景下，教師應在科學課堂中用好數字化實驗這種新興的實驗模式，理智地看待數字化實驗的發展趨勢，將數字化實驗和傳統實驗結合起來，為學生提供多樣的實驗平臺，培養學生的探究能力和信息處理能力。