引入傳感器模塊 提高實(shí)驗(yàn)有效性

孫仙偉

摘 要 在探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效收集直接影響著后期分析和正確實(shí)驗(yàn)結(jié)論的得出。蘇教版小學(xué)《科學(xué)》四年級(jí)下冊(cè)“小車的運(yùn)動(dòng)”一課在教材提供實(shí)驗(yàn)中存在較多問題，直接影響數(shù)據(jù)分析和正確結(jié)論得出。通過實(shí)驗(yàn)小車和軌道改裝，使實(shí)驗(yàn)裝置具備準(zhǔn)確性、多樣性、高效性、生活性、延伸性等優(yōu)點(diǎn)，為開展科學(xué)、開放的探究式教學(xué)提供幫助。

關(guān)鍵詞 科學(xué)；探究式教學(xué)；實(shí)驗(yàn)裝置；傳感器；機(jī)器人

中圖分類號(hào)：G623.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2018）09-0033-03

1 引言

探究式教學(xué)是在教師和學(xué)生共同組成的學(xué)習(xí)環(huán)境中，讓學(xué)生親歷科學(xué)探究的學(xué)習(xí)過程。它大致包括：根據(jù)實(shí)際情景、觀察到的現(xiàn)象和可以獲得的信息，從學(xué)生已有的知識(shí)、對(duì)問題的了解和已經(jīng)具有的科學(xué)概念（想法）出發(fā)，提出問題；對(duì)問題的解答進(jìn)行推測(cè)；為證實(shí)推測(cè)而設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)或進(jìn)行觀察；收集和整理數(shù)據(jù)；得出結(jié)論和進(jìn)行交流；提出新的問題……在有些探究課題中，還鼓勵(lì)學(xué)生將學(xué)到的科學(xué)知識(shí)和日常生活相聯(lián)系[1]。

小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)在探究能力主要表現(xiàn)中提到：能否利用觀察、測(cè)量或其他手段獲得有效可靠的數(shù)據(jù)資料；能否通過對(duì)數(shù)據(jù)資料的分析判斷獲得科學(xué)的結(jié)論[2]。

從韋鈺院士的闡述和學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)要求不難發(fā)現(xiàn)，在探究教學(xué)中，學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效收集直接影響后期分析和正確實(shí)驗(yàn)結(jié)論的得出。那么，提高實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)收集的有效性、實(shí)驗(yàn)有效設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)裝置精確度、實(shí)驗(yàn)的規(guī)范操作等因素都至關(guān)重要。本文以蘇教版《科學(xué)》小學(xué)四年級(jí)下冊(cè)第三單元第四課“小車的運(yùn)動(dòng)”為例，就實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和操作、實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行論述。

2 實(shí)驗(yàn)問題思考

“小車的運(yùn)動(dòng)”是蘇教版《科學(xué)》小學(xué)四年級(jí)下冊(cè)第三單元第四課的內(nèi)容。通過本單元的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生經(jīng)歷“設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)—驗(yàn)證假設(shè)”的過程，了解物體的運(yùn)動(dòng)方式，探究物體的運(yùn)動(dòng)快慢。該課以學(xué)生喜愛的小車為話題，按照“問題—假設(shè)—實(shí)驗(yàn)—結(jié)論”的探究過程，對(duì)影響小車運(yùn)動(dòng)快慢的因素進(jìn)行探究。這是采用控制變量的方法來收集數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)分析法進(jìn)行分析，從而驗(yàn)證假設(shè)的具有典型意義的一節(jié)課。因此，收集到的數(shù)據(jù)的精確性顯得尤為重要。然而在組織實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)存在以下三個(gè)問題。

器材缺陷多 小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)工具箱內(nèi)基本提供的實(shí)驗(yàn)器材有車運(yùn)動(dòng)軌道裝置、小車、鉤碼、秒表和墊片等。在操作過程中發(fā)現(xiàn)，軌道裝置比較簡陋，就簡單一塊木塊，前方裝有一個(gè)定滑輪，并沒有防護(hù)措施，當(dāng)拉力較大時(shí)，小車撞擊軌道容易出現(xiàn)“翻車”事故。因?yàn)檐壍姥b置過于簡單，功能單一，不利于學(xué)生使用。

平時(shí)教學(xué)中，其實(shí)許多學(xué)生對(duì)輪子大小和輪子多少對(duì)小車運(yùn)動(dòng)快慢究竟有沒有影響還是比較感興趣的，然而套材中的小車，只能用于研究拉力大小、載重量多少對(duì)小車運(yùn)動(dòng)快慢的影響，其可研究的內(nèi)容簡單，實(shí)驗(yàn)開放性較差。

準(zhǔn)確計(jì)時(shí)難

1）軌道短，導(dǎo)致學(xué)生計(jì)時(shí)困難。大部分分組實(shí)驗(yàn)中都讓學(xué)生操作秒表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)，在這一過程中仍存在這樣的情況：不管是套材中小車運(yùn)動(dòng)軌道裝置，還是讓學(xué)生在桌面上直接進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，都有距離過短的問題。在這么短的距離讓學(xué)生采用秒表計(jì)時(shí)，實(shí)則為難學(xué)生，學(xué)生即便在注意力高度集中的情況下，仍有可能出現(xiàn)較大誤差。

2）多人配合導(dǎo)致計(jì)時(shí)誤差大。分組實(shí)驗(yàn)時(shí)，小組內(nèi)部會(huì)進(jìn)行分工，至少一位學(xué)生控制秒表計(jì)時(shí)，有學(xué)生負(fù)責(zé)啟動(dòng)小車，這要求學(xué)生之間默契配合。但在每次操作中總是出現(xiàn)提前按表或反應(yīng)“慢半拍”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致誤差過大。

數(shù)據(jù)處理繁 在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)為兩位小數(shù)，如1.34秒。為了提高實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，平時(shí)都會(huì)要求學(xué)生反復(fù)實(shí)驗(yàn)后求平均值，在此計(jì)算過程中涉及兩位小數(shù)除以整數(shù)的數(shù)學(xué)知識(shí)。然而，該知識(shí)在小學(xué)數(shù)學(xué)學(xué)科中為五年級(jí)知識(shí)點(diǎn)，對(duì)于四年級(jí)學(xué)生而言有點(diǎn)兒困難。因此，學(xué)生把大部分時(shí)間用于數(shù)據(jù)處理，對(duì)于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析草草收兵，甚至有些學(xué)生根本來不及進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，無法得出結(jié)論，這無形中打擊了學(xué)生實(shí)驗(yàn)的積極性。計(jì)算難度大，花費(fèi)的時(shí)間長，教學(xué)進(jìn)度勢(shì)必受到影響，實(shí)驗(yàn)效率也將大大降低。

3 實(shí)驗(yàn)裝置改進(jìn)

針對(duì)上述問題，經(jīng)研究，認(rèn)為可以從小車、軌道上進(jìn)行改裝：讓小車和軌道的功能多樣化，滿足學(xué)生研究需求；在軌道上組裝傳感器模塊，讓數(shù)據(jù)收集更加精確。具體改進(jìn)如下。

功能多樣的小車（圖1） 把原來的小車進(jìn)行改裝，在車身上鉆孔，讓學(xué)生可以根據(jù)需要隨時(shí)增加或減少車輪數(shù)量以及改變車輪大小。如此一來，學(xué)生既可以研究拉力大小對(duì)小車運(yùn)動(dòng)快慢的影響，也可以通過改變車身上鉤碼數(shù)量，研究載重量對(duì)小車運(yùn)動(dòng)快慢的影響，還可以通過裝卸輪子來改變輪子大小或輪子數(shù)量，研究輪子對(duì)小車運(yùn)動(dòng)的影響，小車的研究功能多樣化。

易于變換的軌道（圖2） 通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在增加軌道長度情況下，可以大大降低實(shí)驗(yàn)計(jì)時(shí)誤差，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確性。為此，將原來60厘米的軌道變?yōu)?20厘米，讓小車可以充分地“跑”起來。用木尺作為側(cè)面擋板，避免小車沖出軌道；設(shè)計(jì)橡皮筋防護(hù)裝置，避免小車碰撞軌道出現(xiàn)“翻車”現(xiàn)象，從而有效提高實(shí)驗(yàn)的安全性，并保證實(shí)驗(yàn)得以順利進(jìn)行。為增加路面研究功能，利用魔術(shù)貼和砂紙?jiān)谲壍婪疵孳壍涝黾哟植诔潭炔煌谋砻妫捎糜谘芯柯访娲植诔潭葘?duì)小車運(yùn)動(dòng)快慢的影響。

能精確測(cè)量的裝置（圖3） 傳統(tǒng)條件下，相當(dāng)一部分探究過程中學(xué)生探究需求受到限制，可進(jìn)行科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容相對(duì)較少，而且定性模糊的研究居多。隨著數(shù)字技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其與科學(xué)實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)度較大的數(shù)字技術(shù)——傳感器，給解決這些問題帶來契機(jī)。傳感器以其精確、智能、易于操作等優(yōu)勢(shì)，可大大提高這種探究過程的實(shí)效[3]。

針對(duì)學(xué)生計(jì)時(shí)和計(jì)算困難的問題，改進(jìn)的實(shí)驗(yàn)裝置末端裝上超聲波傳感器，同時(shí)結(jié)合中鳴機(jī)器人快車中的RCU配合使用。

其主要工作原理為：打開RCU，檢查裝置是否處于工作狀態(tài)；小車放在起跑線上，此時(shí)超聲波測(cè)得小車處于未啟動(dòng)距離范圍內(nèi)（如3厘米），計(jì)時(shí)器未啟動(dòng)；當(dāng)小車啟動(dòng)時(shí)，超聲波測(cè)得小車與超聲波距離大于3厘米，此時(shí)，RCU啟動(dòng)計(jì)時(shí)；當(dāng)小車到達(dá)終點(diǎn)時(shí)，也就是超聲波測(cè)得小車與超聲波距離大于100厘米（100厘米處設(shè)為終點(diǎn)線），此時(shí)RCU結(jié)束計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)果在RCU顯示視頻上進(jìn)行顯示；多次測(cè)試后，在顯示屏上顯示多次測(cè)量平均值。

傳感器裝置的使用具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1）操作簡單：簡單地觸摸屏幕就可啟動(dòng)計(jì)時(shí)模式，當(dāng)小車啟動(dòng)時(shí)，自動(dòng)開始計(jì)時(shí)；當(dāng)小車到達(dá)所設(shè)定的距離時(shí)，自動(dòng)停止計(jì)時(shí)，操作簡單。

2）誤差較?。涸撗b置能自動(dòng)感應(yīng)計(jì)時(shí)，避免學(xué)生配合不默契、反應(yīng)速度慢而產(chǎn)生的計(jì)時(shí)誤差，誤差較小。

3）方便數(shù)據(jù)處理：該裝置可以設(shè)定多次數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并且自動(dòng)求出平均值，顯示于屏幕右下方，省去求平均值這一費(fèi)時(shí)而且煩瑣的計(jì)算過程，為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析節(jié)約時(shí)間，提高課堂效率。

4 實(shí)驗(yàn)裝置創(chuàng)新的意義和作用

實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面

1）科學(xué)性：改進(jìn)后的裝置用于實(shí)驗(yàn)中，讓學(xué)生按照科學(xué)探究過程進(jìn)行探究，符合科學(xué)探究原理，實(shí)驗(yàn)具有科學(xué)性。

2）開放性：學(xué)生利用改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)時(shí)可以自主選擇喜歡的因素進(jìn)行研究，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，自主進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，讓研究更具開放性。

實(shí)驗(yàn)教具方面

1）準(zhǔn)確性：利用本實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，在收集數(shù)據(jù)方面，能大大減小實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差，有助于準(zhǔn)確分析，得出準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

2）多樣性：利用本實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，可以對(duì)影響小車運(yùn)動(dòng)快慢的多種因素進(jìn)行研究，研究方向更具多樣性。

3）高效性：利用本實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，讓學(xué)生省去費(fèi)時(shí)而又煩瑣的數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)，可節(jié)約大量時(shí)間用于數(shù)據(jù)分析，讓實(shí)驗(yàn)更具高效性。

4）生活性：本實(shí)驗(yàn)裝置器材來自現(xiàn)在熱門的機(jī)器人套裝，其他實(shí)驗(yàn)器材也能從生活中獲得，實(shí)驗(yàn)器材具有生活性。

5）延伸性：本實(shí)驗(yàn)裝置中的軌道裝置還可以用在“摩擦力的秘密”一課的教學(xué)，實(shí)驗(yàn)器材具有延伸性。

5 結(jié)語

利用本套創(chuàng)新的裝置結(jié)合改進(jìn)后的教學(xué)設(shè)計(jì)，可以保障教學(xué)順利進(jìn)行，高效達(dá)成實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)。學(xué)生在充滿樂趣的科學(xué)課堂中合作探究，對(duì)所探究的內(nèi)容獲得最直接、最具體的認(rèn)識(shí)；在分析和處理數(shù)據(jù)的過程中，從感性認(rèn)識(shí)升華到理性認(rèn)識(shí)，對(duì)影響小車運(yùn)動(dòng)快慢的因素有了深刻的認(rèn)識(shí)。

參考文獻(xiàn)

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[3]徐春明.傳感器在小學(xué)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].中國教育技術(shù)裝備，2014（9）：47-48.