聚焦數字力量 催化教學變革

李艷

隨著現代科學技術的進步，數字化實驗不斷發展，在小學科學教學中的應用也愈加廣泛。在傳統條件已無法滿足師生探究需求的數字化社會背景下，如何利用數字化設備幫助學生掌握獲取科學知識的方法、提升科學素養是當代科學教師亟須解決的一個重要問題。因此，本文聚焦數字化實驗，將其引入傳統實驗中去，以理論結合實際的方式對其應用效果進行具體的分析研究。在此基礎上，本文將歸納總結數字化實驗對師生的教與學帶來的一系列影響和改變，從而為如何更好地服務于師生的教與學提供新思路。

何為數字化實驗

所謂數字化實驗，簡單地說就是將小學科學課程中涉及的一些理化生實驗引入傳感器等數字化設備來完成。小學的數字化實驗中主要配備的傳感器有：溫度傳感器、力傳感器、氣中氧傳感器、二氧化碳傳感器、光電門傳感器、心電圖傳感器等。通過數據采集器和USB連接線將傳感器數據傳入電腦，結合相應的軟件可以實時顯示出實驗所得的數據。數字化設備獲取的數據精確度較高，并且能將數據的大小以及變化趨勢以曲線的形式呈現出來。數字化實驗設備具有實驗數據自動采集的功能，可以輕松解決許多傳統實驗無法解決的涉及連續快速變化的量的各種實驗。

除傳感器外，數字化實驗中還有一個有力的工具——交互式電子白板。它是由硬件電子感應白板和軟件白板操作系統集結形成。交互式電子白板本身就相當于一個投影幕，當投影機照到白板上時，由于白板內部的特殊構造，此時白板就相當于電腦的觸摸顯示屏，可用一支專用筆代替鼠標在白板上進行操作，可以運行任何應用程序，可以像在計算機上利用鍵盤及鼠標那樣實現對文件進行編輯、注釋、保存等任何操作。

數字化設備的這一系列優點對傳統實驗方式是一個非常好的補充，在實驗的過程中能發揮出巨大作用。在傳統實驗中，一些只能定性、無法定量的實驗以及一些微小或瞬間數據的測量上，數字化實驗能發揮出巨大作用。

解析數字化實驗應用于學生的“學”

在教學中，新工具的發明和改進，對學生的認知和思維發展具有十分重要的作用。數字化實驗可以引導科學探究，使科學探究進入了一個新的發展高度，并且因為其特有的教學功能而具有廣闊的發展前景。

為更好地服務于科學課堂，數字傳感器的應用要立足于小學科學實驗的學科特點。因此可以先從小學科學教材入手，進行全面、深入、具體、系統的了解，找準數字傳感器所適用的實驗類型，充分應用數字傳感器的超強數據信息化處理功能，使實驗由定性分析上升到定量分析，增強實驗結果的精確度和可信度，提高實驗效率。

1.數字化實驗改變學生的學習模式

在探究過程中，運用科學的方法對問題進行研究，設計調查研究方案是一個非常重要的環節，這個環節設計得好與壞將直接影響到探究過程中能否觀察到正確的科學現象。因此，在教學環節中，教師遵循探究是以學習者為主體，自主構建知識體系為原則。教師利用白板下發學習任務后，學生以四人小組為單位，通過手中的白板接受任務，可以自由討論，并著手進行解決。學生在白板上完成解決方案后，可以利用無線網絡發送至教師機。在此基礎上，教師利用無線網絡可將學生的反饋投射在白板上，讓全班同學共同參與，完成實驗方案的呈現、展示、交流。在生生互動、師生互動的過程中，優化了教學過程，提升了教學效率，為建立以學生學習為中心的課堂教學奠定了基礎。

從單一的接受性學習方式轉變為體驗、研究、發現相結合的學習方式，這是課程改革的要點之一。數字化實驗的使用，不僅拓寬了學生的求知領域與視野，而且為每一個學生提供了觀察和體驗的機會，鼓勵學生積極參與數字化實驗的設計，激發了他們的主觀能動性，提升了他們的學習積極性，培養了他們的探究精神。

2.數字化實驗讓科學探究的結論更加真實有效

實驗是探究的重要途徑，能否通過實驗獲得正確的科學結論，關鍵在于獲取的實驗數據是否精確。在數字化實驗中，由于傳感器和計算機的引入，實驗的過程中能夠更加快速、準確地連續監測、采集和處理實驗數據，并能夠通過相應的軟件系統，將實驗數據實時直觀地顯示出來，能夠將實驗過程更客觀、更真實地展現出來，提高了實驗的準確性。

執教“摩擦力的影響因素”內容時，學生須重點掌握的是影響摩擦力大小的因素，如何確定影響因素，學生須利用實驗探究的方法獲得相應數據，在對每一組數據進行分析的基礎上進行總結，探究摩擦力的大小與哪些因素有關。為保證實驗的效率和精確程度，在本次實驗過程中，可用數字實驗中的力傳感器代替彈簧測力計完成實驗，一方面降低了實驗操作難度，在保證物體勻速運動的情況下，物體所受的摩擦力的大小能夠直觀地實時顯示在電腦屏幕上，學生通過每次測量的摩擦力的大小，確定摩擦力的大小與物體的重量及接觸面光滑程度有關，與物體的運動速度、接觸面大小無關。傳感器的使用不僅使得測量效率大大提高，而且使得測量結果更加精確，再微小的差異也可以被及時捕捉到。同時投影技術的支持使得實驗的過程和結果能夠實時、直觀地呈現在全班同學面前，使得結論的得出更具有說服力。

3.數字化實驗可將實驗由定性分析提升到定量分析

定性分析和定量分析是人們認識事物時用到的兩種分析方式。所謂定性分析，就是對研究對象進行“質”的方面的分析，主要是解決研究對象“有沒有”“是不是”的問題，需要用文字語言對實驗結果進行相關描述。定量分析，是對研究對象進行數量特征、數量關系和數量變化的分析，需要用數學語言對實驗結果進行說明。

執教“空氣的組成”內容時，原本課堂上安排了蠟燭燃燒和澄清石灰水變渾濁兩個實驗，幫助學生了解空氣中有支持燃燒的氧氣以及能使澄清石灰水變渾濁的二氧化碳氣體存在，這是通過實驗定性分析的結果。但是氧氣和二氧化碳在空氣中所占的體積比例是多少？定性分析的結果并不能為學生提供答案。

傳感器的使用則能有效地解決這一問題。具體的操作過程也很簡便，只需連接計算機、數據采集器、氧氣傳感器和二氧化碳傳感器。進入實驗軟件系統，點擊“通用軟件”，系統會自動識別所接入的傳感器，并實時顯示當前環境空氣中氧氣和二氧化碳的濃度。

數字化實驗中的氣中氧傳感器和二氧化碳傳感器的應用不僅能幫助學生了解空氣的組成，還能對其含量做出精準測定，將定性實驗升華為定量實驗。這些都將推動科學探究進一步深入下去，讓學生的科學探究更具價值和意義。

4.數字化實驗將“不可能”變為“可能”

隨著信息時代的發展，教學星球系統是比較先進的教學儀器之一，是實現三維立體動態展示的單體數字化教學儀器。它通過國際先進的三維圖像處理平臺，方便教師將圖片、視頻、動畫等多媒體資源轉變為球面圖像，結合精密光學技術，瞬間展示在數字化球形投影屏幕上，動態立體地再現自然科學的現象和過程。

“探索宇宙”內容旨在通過一系列的觀察、記錄、實驗、討論、資料閱讀等方式，引領學生走近天文殿堂，揭開宇宙的神秘面紗。但是對于小學生而言，囿于觀察能力、觀察空間及污染問題等一系列影響因素的限制，觀察未必能取得較好的結果，更多的則是依靠課堂上教師提供的較為單一的圖片、視頻及文字資料，在想象力的加工下探索宇宙，認識星空，教學效果一般。數字化實驗則可改善傳統課堂的弊端，通過數字星球的模擬，將學生帶入了觸手可及的太空世界。

數字星球系統除了有投影機、魚眼透鏡組、球形投影屏幕、底座、遙控器等硬件材料外，還包含了一系列的配套新課標課程資源、專題資源以及拓展資源等軟件材料。在教學過程中，只需啟動“Storyteller”這一系統軟件，教師可根據自己的教學設計選擇相應的內容進行講解，當講到某個具體的知識點時，數字星球的球形屏幕就會實時呈現出與本知識點相關的球面圖像或動畫，時而是“噴火”的太陽，時而變身為轉動的地球，時而又成為太陽系大家族的其他成員。取下球形屏幕，利用投影機和配套課程資源，結合實驗室里的“穹頂”造型，我們還能在教室里看到漫天的“繁星”。

數字星球系統通過球形屏幕進行的一系列動態演示，突破傳統教學模式和顯示模式，使原本平面、靜態、單調的天文知識瞬間變得立體而生動，幫助學生構建起空間的概念，化抽象為具體。這種多角度、多層次、多形式的學習更易于被學生接受，更易激發他們的學習興趣，促進學習方式的變革。

數字化實驗服務于教師的“教”

1.數字化實驗縮減實驗準備的工作量

對于剛剛接觸數字化實驗的教師而言，面對一些精密的現代化儀器設備，教師對其性能不是非常熟悉，在缺少技術支持的情況下，會將數字化實驗等同于傳統實驗進行使用，如力傳感器等同于彈簧測力計，酸堿傳感器等同于pH試紙，溫度傳感器等同于溫度計……與傳統實驗設備需要搭建裝置不一樣的是，數字化實驗只需要選擇相應的傳感器裝置和配套的軟件即可，教師實驗前期準備的工作量大大縮減。

2.數字化實驗拓展教學功能

在能夠比較熟練使用數字化實驗設備的前提下，教師可在課堂教學的過程中發揮數字化實驗所特有的教學功能，來解決傳統實驗無法解決的問題。比如，有的實驗方法陳舊、數據難以收集、誤差大，在實驗的過程中不能精密地捕捉到一些細微的變化，精確性有待提高;而數字化實驗利用其精密度高、可操作性強、數據容易收集、處理的優點，給課堂教學帶來便捷性、精確性的體驗。

執教“力在哪里”內容時，學生須認識力的大小，教師組織學生利用彈簧測力計對力的大小進行測量，出現了問題：測量的物體較輕，彈簧測力計的指針不會發生變化，無法讀數;測量的物體較重，超過彈簧測力計的最大測量值，無法讀數。為解決測量難題，教師適時引入力傳感器，它可以將測量結果精確至0.01牛，測量的范圍與彈簧測力計相比，得到了非常大的提高。

3.數字化實驗簡化教學過程

交互式電子白板的出現真正實現了人機交互，建立起白板、計算機、教師、學生之間的信息交換、雙向互動的通道。數字化實驗中交互式電子白板的使用，不僅替代了傳統的黑板與粉筆，還能讓教師將制作好的課件和整個教學過程結合在一起，除可直接在白板上對課件進行編輯、注釋、保存等一系列常規操作外，還能針對學生的回答，在屏上進行批注，實現及時反饋。其自帶的拖放、放大、組合等功能，讓師生、生生間的互動更加靈活，也更利于突出教學重點。除此以外，交互式電子白板還具有強大的資源庫功能，在教學過程中教師可隨意調用各種素材資源，更好地為課堂教學服務，提高了課堂效率，保證了教學任務的完成。

應用數字化實驗輔助科學探究，實現了科學探究與信息技術的整合，滿足了信息時代發展的需求。數字化實驗充分發揮了傳感器和計算機的優勢，利用傳感器對實驗數據實行了自動化的采集、記錄、分析，不僅快速、準確，而且極大地節省了實驗時間，提高了課堂效率。數字化實驗對于每一個動態的數據都能夠實時地記錄下來，真實地再現實驗的每一個瞬間，使得一些原本受實驗測量儀器的限制，無法在課堂上呈現的實驗得以開展，有效地解決了教學難題。

總之，數字化實驗在小學科學教學中的有效應用，滿足了學習者在科學探究中的多種需要，從手段上、觀念上和教學模式上都引起了深層次的變革，體現了教育思想觀念的進步。因此，數字化實驗的使用必將成為科學探究改革的重要突破口。