小學(xué)科學(xué)實驗可視化探索與實踐

白德利

【摘要】基于數(shù)字化實驗系統(tǒng)的可視化教學(xué)是應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)進(jìn)行實驗教學(xué)的一種新技術(shù)手段和方法，它是利用傳感器技術(shù)的實驗系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)實驗?zāi)芨行У靥岣邔嶒炐剩鎸嵉厥占瘜嶒灁?shù)據(jù)，更準(zhǔn)確地分析實驗結(jié)果。如何運用可視化方法為小學(xué)科學(xué)的實驗教學(xué)錦上添花，是廣大科學(xué)教師一直在探索的問題。

【關(guān)鍵詞】小學(xué)科學(xué)實驗?數(shù)字化?可視化

一、實驗數(shù)據(jù)與過程形象可視化

在科學(xué)實驗教學(xué)中，看不見摸不著的物質(zhì)對小學(xué)生來說通常是教學(xué)的難點，因為學(xué)生對這些物質(zhì)沒有具象的思維。如何把看不見的物質(zhì)讓學(xué)生具體可視化？例如，在日常生活中，我們只能用耳朵來判別聲音的高低、輕響，但是可視化的實驗教學(xué)就突破傳統(tǒng)實驗的限制，讓學(xué)生不僅能聽到聲音，還能通過畫面看見聲音的形態(tài)，并且了解這種形態(tài)與振動的關(guān)系。

案例1：聲音輕響與振幅的關(guān)系以及音調(diào)高低與頻率的關(guān)系。

在數(shù)字化實驗中，學(xué)生運用數(shù)字化實驗設(shè)備傳感器、數(shù)據(jù)采集器，基于口風(fēng)琴、豎笛等進(jìn)行實驗。首先，通過演奏樂器或者唱歌，學(xué)生仔細(xì)聽聲音，知道聲音有響度和音調(diào)的不同。其次，通過利用傳感器相關(guān)軟件，截取適當(dāng)?shù)摹奥暡ā眻D片，能觀察到聲音在輕響和音調(diào)高低時聲波的圖形都各不相同。最后，開展兩組對比實驗，根據(jù)實驗?zāi)康恼{(diào)整并控制實驗變量，獲得真實有用的實驗教據(jù)，一是笛子吹同一音高的聲音，但是注意控制笛音的輕響不同，觀察波形的不同，開展聲音的輕響與聲波的振幅是否有關(guān)的實驗;二是注意控制笛音的輕響，吹出不同音高的笛音，觀察波形的不同，開展音調(diào)高低與聲波的振動頻率是否有關(guān)的實驗。

通過實驗可以看出聲音的輕響與聲波的振幅有關(guān);音調(diào)高低與聲波的振動頻率有關(guān)。

案例中有關(guān)“聲音”的內(nèi)容，在傳統(tǒng)實驗中因為缺乏有效的實驗工具，學(xué)生對聲音與振動的關(guān)系易產(chǎn)生認(rèn)知障礙。而可視化實驗就讓聲音以聲波的形式躍在學(xué)生的眼前。直觀的聲波圖形，較好地實現(xiàn)了聲學(xué)的可視化教學(xué)，學(xué)生在此基礎(chǔ)上還“玩”出了聲反射、聲傳播等實驗，擴展了實驗的內(nèi)容，提高了實驗的質(zhì)量。

二、豐富的實驗數(shù)據(jù)突破教學(xué)重難點

實驗是科學(xué)研究的基本方法，在教學(xué)過程中，教師要用豐富的實驗數(shù)據(jù)，突破教學(xué)的重點和難點。例如，在生活中，人們大多在夏季穿著淡顏色的衣服，在冬季穿著深顏色的衣服，這是因為物體吸收太陽輻射熱和物體表面的顏色深淺有關(guān)系，那么如何來證明呢？

案例2：在教學(xué)“熱輻射”時，學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中會混淆顏色和深淺這兩個不同的概念。

針對傳統(tǒng)實驗中的不足，教師選用數(shù)字化實驗設(shè)備，包括熱傳感器、數(shù)據(jù)采集器等，并自制了多組物體表面顏色深淺不同的實驗材料（深綠—淺綠、青藍(lán)—淡藍(lán)、酒紅—粉紅、深黃—淺黃），實驗器材可以進(jìn)行反復(fù)多次實驗后獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并從中找出規(guī)律。首先，在實驗中學(xué)生使用傳感器進(jìn)行黑白兩色吸收輻射熱的本領(lǐng)大小對比實驗，收集數(shù)據(jù)，分析并討論，黑色的物體表面吸收輻射熱的本領(lǐng)較大。其次，教師出示表面顏色深淺不同的四組實驗材料（深綠—淺綠、青藍(lán)—淡藍(lán)、酒紅—粉紅、深黃—淺黃），指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行吸收輻射熱的本領(lǐng)大小對比實驗，學(xué)生記錄數(shù)據(jù)，討論并分析結(jié)果。最后，學(xué)生把顏色深淺不同的五組實驗材料數(shù)據(jù)通過軟件轉(zhuǎn)化為統(tǒng)計圖形，再依據(jù)圖形分析結(jié)果。

在這個實驗中，學(xué)生通過高效的數(shù)字化實驗系統(tǒng)，采用實時記錄、處理數(shù)據(jù)的方式，在一分鐘內(nèi)可以獲取30組實驗數(shù)據(jù)。學(xué)生通過觀察數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化而來的圖形，很快就總結(jié)出了規(guī)律，教學(xué)的重難點也就迎刃而解了。

三、實驗結(jié)論的獲得清晰有效

在某些傳統(tǒng)實驗中，由于實驗器材的限制，實驗效果并不理想，學(xué)生無法直觀看見實驗的現(xiàn)象，更無法清晰地得出實驗結(jié)論。如在教學(xué)“純凈水和鹽水導(dǎo)電嗎”這個內(nèi)容時，傳統(tǒng)的實驗做法是在裝有液體的燒杯外連接一個電路，液體中有銅片和鋅片與電路相連，然后在純凈水中加入食鹽進(jìn)行攪拌。這個實驗所存在的客觀干擾因素有很多，如鹽量的多少、電流量的大小、電阻的大小都會影響到實驗現(xiàn)象。關(guān)鍵是在實驗過程中，低濃度的食鹽水是否導(dǎo)電，成為學(xué)生爭議的焦點。

案例3：鹽水導(dǎo)電嗎？

如何讓小學(xué)生能直觀地觀察到低濃度的食鹽水也是導(dǎo)電的呢？

為了讓學(xué)生們獲得正確的科學(xué)結(jié)論，教師采用了數(shù)字化實驗設(shè)備，包括電流傳感器、數(shù)據(jù)采集器、燒杯、食鹽、攪拌棒等，首先把數(shù)字化實驗設(shè)備電流傳感器和純凈水接入一個電路回路中，倒入純凈水，然后往純凈水中加入一勺食鹽，觀察電流傳感器軟件界面的數(shù)據(jù)變化。用數(shù)字化實驗設(shè)備后可以發(fā)現(xiàn)，加入1勺食鹽時，電流數(shù)據(jù)就已經(jīng)變化，說明有電通過這個回路，加入2勺、3勺食鹽時，數(shù)據(jù)的變化更加明顯，且統(tǒng)計圖也直觀顯示出數(shù)據(jù)的變化。

通過實驗及圖示可直觀地得出結(jié)論：加入食鹽的純凈水無論是低濃度的，還是高濃度的，都可以導(dǎo)電。

在“鹽水導(dǎo)電”這個實驗中，學(xué)生不僅清晰有效地看到低濃度的鹽水導(dǎo)電這個現(xiàn)象，而且對科學(xué)探究更加充滿興趣和好奇，減少了學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的畏難情緒。