引入數(shù)字化實(shí)驗(yàn)優(yōu)化課堂教學(xué)

胡超

對于小學(xué)生來說，通過親歷實(shí)驗(yàn)過程獲得直觀體驗(yàn)是其認(rèn)識和理解科學(xué)的最佳方式。在小學(xué)科學(xué)與技術(shù)教學(xué)中，有一些科學(xué)概念和原理通過傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不容易讓學(xué)生理解，尤其是一些實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯的（如比較固體物質(zhì)的熱脹冷縮能力實(shí)驗(yàn)）、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象變化難以分辨的（如探究水的導(dǎo)電能力實(shí)驗(yàn)）、需要大量樣本進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的（如使用不同方法的散熱能力實(shí)驗(yàn)），更容易變成不能做、講不清、效率低的實(shí)驗(yàn)，致使課堂教學(xué)效果大打折扣。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)（Digital Information System，下文簡稱DIS）主要由傳感器和配套軟件等組成，能和計(jì)算機(jī)連接并進(jìn)行定量采集和處理數(shù)據(jù)，它具有直觀、精確、顯示方式多樣等特點(diǎn)。教學(xué)中運(yùn)用DIS，能使學(xué)生置身于數(shù)字化的學(xué)習(xí)環(huán)境中，親歷實(shí)驗(yàn)探究的過程，優(yōu)化課堂教學(xué)。

在《熱輻射》一課教學(xué)中，我們在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)多次實(shí)踐的基礎(chǔ)上，借助DIS迅速直觀的實(shí)時演示、準(zhǔn)確多樣的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)探究，解決原有教學(xué)中受時間、工具和環(huán)境等因素制約的問題，改進(jìn)無法實(shí)現(xiàn)的、實(shí)驗(yàn)效果不明顯的、實(shí)驗(yàn)效率低下的部分實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化教學(xué)過程并提高教學(xué)效率。

教學(xué)分析

《熱輻射》是上海教育出版社出版的《科學(xué)與技術(shù)》第七冊《加熱與保溫》單元第五課的內(nèi)容，隸屬于“能與能源”模塊。

本單元是繼三年級第二學(xué)期《熱脹冷縮》單元以后又一個與“熱”有關(guān)的學(xué)習(xí)內(nèi)容，在后續(xù)五年級第二學(xué)期的《能源》單元中也有熱能的相關(guān)知識。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面，本單元在三年級學(xué)習(xí)圖表繪制的基礎(chǔ)上有很好的延續(xù)，為學(xué)生實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的收集、分析、統(tǒng)計(jì)提供了較好的學(xué)習(xí)途徑。

本課教學(xué)內(nèi)容上承熱傳導(dǎo)與熱對流內(nèi)容，通過實(shí)驗(yàn)認(rèn)識熱傳遞的第三種形式——熱輻射，了解物體表面顏色的深淺與物體吸收輻射熱的本領(lǐng)的關(guān)系，下啟保溫技術(shù)和散熱技術(shù)相關(guān)應(yīng)用的內(nèi)容。本節(jié)課，學(xué)生主要通過比較熱輻射與熱傳導(dǎo)、熱對流特點(diǎn)的區(qū)別，認(rèn)識熱輻射;通過簡單設(shè)計(jì)、完成對比實(shí)驗(yàn)、分析圖表，知道物體吸收輻射熱的本領(lǐng)大小與表面顏色深淺有關(guān);通過運(yùn)用所學(xué)的熱輻射知識解釋一些生活中的現(xiàn)象，為之后的學(xué)習(xí)運(yùn)用做好準(zhǔn)備。

實(shí)驗(yàn)主要突破點(diǎn)

本課引入DIS后，教師主要幫助學(xué)生推理熱輻射沿直線傳遞的特點(diǎn)，并探究物體吸收輻射熱本領(lǐng)與物體表面顏色深淺的關(guān)系。

1.推理熱輻射的基本特點(diǎn)

實(shí)驗(yàn)以浴霸燈作為熱源，下方放置熱傳感器（如圖1），以檢測溫度的變化，觀察發(fā)現(xiàn)傳感器受熱溫度上升，分析傳熱方向可推理得出這種熱傳遞方式不是熱對流。如果認(rèn)為熱傳遞方式為熱傳導(dǎo)，則主要介質(zhì)只能是空氣，但用木片遮擋傳感器后發(fā)現(xiàn)傳感器溫度基本不再上升，而空氣這一介質(zhì)依然存在，且與熱源和傳感器都直接接觸，可推理這種熱傳遞方式不是熱傳導(dǎo)，進(jìn)而認(rèn)識其熱傳遞主要方式為熱輻射。

實(shí)驗(yàn)中，通過反復(fù)比較沒有遮擋、遮擋單只傳感器、遮擋兩只傳感器時實(shí)時數(shù)據(jù)的變化，就能直觀地推導(dǎo)出熱輻射沿直線傳遞。

2.探究熱輻射與物體表面顏色深淺的關(guān)系

通過上一輪實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對裝置的使用和注意事項(xiàng)已經(jīng)有所了解，這里教師提供黑白兩種金屬螺母，利用之前演示過的實(shí)驗(yàn)裝置，由學(xué)生設(shè)計(jì)對比實(shí)驗(yàn)。學(xué)生先開展熱輻射與物體表面顏色深淺關(guān)系的第一輪實(shí)驗(yàn)（如圖2-1），每隔2秒自動采集一次數(shù)據(jù)，1分鐘后將所得數(shù)據(jù)自動繪制成圖表（如圖2-2），學(xué)生很容易發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的不同，教師不必急于得出結(jié)論。

接著，引入第二組實(shí)驗(yàn)，教師提供深淺不同的紅、黃、藍(lán)、綠（分別對應(yīng)光的三原色和色彩的三原色）共四組材料，再進(jìn)行第二輪實(shí)驗(yàn)。根據(jù)第二輪實(shí)驗(yàn)所獲數(shù)據(jù)繪制的圖表（如圖3），結(jié)合第一輪實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖表，有力地證明了：物體吸收輻射熱的本領(lǐng)大小與物體表面顏色的深淺有關(guān)，且物體表面顏色越深，吸收熱輻射能力越強(qiáng)，反之越弱。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)對教與學(xué)的優(yōu)化

1.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)改變著學(xué)生的探究習(xí)慣

分析案例可以發(fā)現(xiàn)，由于DIS有著快速、直觀（直接顯示數(shù)值）、精確（最小刻度為0.1攝氏度）、顯示方式多樣（可直接將數(shù)據(jù)整理成表格、圖表）的特點(diǎn)，利用DIS開展實(shí)驗(yàn)探究，正在悄悄地改變著學(xué)生的探究習(xí)慣。

從觀察習(xí)慣上講，在需要數(shù)據(jù)記錄的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生從原有的主要觀察點(diǎn)與點(diǎn)、割裂的、缺少過程性觀察的實(shí)驗(yàn)方式，轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾晫?shí)驗(yàn)過程與過程中數(shù)據(jù)變化的觀察方式，實(shí)驗(yàn)中的每一個變化都是進(jìn)行邏輯推理的佐證，包括傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的操作誤差，也可以通過觀察實(shí)驗(yàn)中實(shí)時的數(shù)據(jù)變化及時發(fā)現(xiàn)和調(diào)整，實(shí)驗(yàn)中的每個數(shù)據(jù)都值得去觀察與思考。

從數(shù)據(jù)分析習(xí)慣上講，DIS能將實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成表格、圖表等形式以呈現(xiàn)數(shù)據(jù)變化的趨勢，更符合小學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，學(xué)生不再把時間花在數(shù)據(jù)整理、繪制圖表上，而是用節(jié)省下來的時間進(jìn)行數(shù)據(jù)和圖表的對比、分析，課堂教學(xué)中更側(cè)重學(xué)生對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和處理能力的提高。

從探究設(shè)計(jì)習(xí)慣上講，由于DIS的引入使實(shí)驗(yàn)效率大大提高，學(xué)生探究活動的有效時長大大增加，實(shí)際耗時反而有所減少。學(xué)生會有更多的課堂生成，催生出更多的探究問題，而高效的實(shí)驗(yàn)過程和因此留出的更多的課堂時間，恰好能滿足學(xué)生的探究需求，讓學(xué)生在更短的時間內(nèi)可以進(jìn)行更多的對比實(shí)驗(yàn)，獲得更多的數(shù)據(jù)和圖表，深化探究過程，由教師主導(dǎo)的單一探究活動逐漸轉(zhuǎn)化成學(xué)生課堂生成的自主探究活動。

2.數(shù)字化實(shí)驗(yàn)促進(jìn)教師更多的思考

案例比較直觀地體現(xiàn)了運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)后課堂實(shí)驗(yàn)方法的改變，但改變實(shí)驗(yàn)方法并非一朝一夕之功，實(shí)驗(yàn)中工具和材料是一對重要的“伙伴”，只有兩者相輔相成，才能發(fā)揮最大的效用，滿足實(shí)驗(yàn)的需求。

DIS在工具上跨出了突破性的一步，但還需教師在設(shè)計(jì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)時發(fā)揮聰明才智，找到或改進(jìn)能與之匹配進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究的材料和相關(guān)器材，才能有效發(fā)揮作用。在本案例中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)材料方面存在兩個主要問題：

第一，實(shí)驗(yàn)時塑料袋包裹很難做到統(tǒng)一，精度比較低。

第二，實(shí)驗(yàn)中的熱源是陽光，很大程度上受天氣、溫度、太陽照射角度等因素影響，課堂實(shí)驗(yàn)完成率比較低。

課前，教師要在熱源和對比材料兩方面進(jìn)行多次匹配（見右表），找到最佳的匹配效果。

在熱源方面，先嘗試用實(shí)驗(yàn)室常用的熱源——酒精燈替代太陽，實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)酒精燈雖然比陽光要穩(wěn)定，但是輻射量少，必須在較近的距離內(nèi)使用，這樣在操作中就容易引發(fā)安全隱患。隨后又嘗試從學(xué)生熟悉的生活中去尋找其他熱源，最終確定了使用小號浴霸燈這一穩(wěn)定、安全、可控制的熱源作為實(shí)驗(yàn)器材，并在器材設(shè)計(jì)上加上燈罩來保護(hù)學(xué)生的眼睛（如圖4）。

在感溫材料方面，要滿足能夠與溫度傳感器探頭契合的、有不同種顏色的選擇，基于這兩點(diǎn)，教師最先嘗試的是彩色紙卷，但是在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，不同彩色紙的顏色存在色差，除此以外，因?yàn)槭鞘止ぷ龅模庸さ倪^程中難免在厚度、間隙等方面有差異，對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的影響。之后教師又改用了標(biāo)準(zhǔn)化的樂高塊，但樂高塊本身是熱的不良導(dǎo)體，存在傳熱慢的問題，因此最終將材料鎖定在了金屬螺母，效果雖然比前兩種材料好，但是輻射面比較小，也不能將溫度傳感器敏感的探針前段完全遮擋，幾經(jīng)嘗試后才改用了特殊的長金屬螺帽作為感溫材料。