利用信息技術創新教具提升科學探究活動的有效性

【摘要】本文基于小學科學部分教具存在操作煩瑣、現象不明顯或難以被觀察等問題，建議教師借鑒教材實驗的原理、借助一定的信息技術手段對教具進行改進，從而有效提升科學探究活動的有效性，更好地達成教學目標。

【關鍵詞】科學 信息技術創新教具 探究活動 有效性

【中圖分類號】G62 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2022）13-0093-04

小學科學是一門實踐性課程，探究活動是學生學習科學的重要方式。在探究活動的八大環節中，收集證據和處理信息是否科學、高效直接影響該實驗乃至該節課的有效性。影響學生在探究活動中收集證據、處理信息的因素有很多，其中實驗方法及教具的選用是關鍵之一。部分現有教具因需要兼顧成本和通用性而存在一定的局限性，導致一些探究活動的操作過程設計繁雜低效，現象不明顯，學生難以運用感官直接觀察、感受，阻礙了教學目標的達成。

“磁的認識”這一板塊的探究活動便存在這樣的情況。由于磁無法被人體的視覺、觸覺、聽覺、嗅覺等感官直接感知，因此在具體教學中，教師往往需要通過轉換法將磁信息轉換為其他形式呈現。以教科版科學六年級上冊《電磁鐵的磁力》為例，在比較不同電池數量組成的電磁鐵磁力大小的實驗中，為了測量和比較磁力，學生需要將電磁鐵產生的磁力轉換為吸引大頭針的個數進行比較，這樣的操作較為繁雜低效。同時，每變更一種影響電磁鐵磁力的因素，就要重新安裝一次電磁鐵，這無形中會消耗大量的課堂時間。為了讓探究活動更高效，讓現象和數據更明顯和直觀，更便于學生分析比較、發現規律，在準確把握這一課的探究活動目的及重難點的情況下，筆者借鑒教材實驗的原理，借助一定的信息技術手段，嘗試對教具進行改進，以創新的測量方式和直觀的現象、數據呈現形式改進課堂教學。

一、以學定教，明確改進目標

發展學生科學素養是小學科學課的重要目標，因此該課程一切有關教與學的行為都應該圍繞該目標展開。對于教具的改進創新也是這樣，一切教具的改進與創新都是為了更好地達成教學目標和發展學生的科學素養。這就要求教師明確科學課堂中每一個探究活動的目標，充分把握每一個探究活動的編排意圖。否則，很容易出現改進后的教具不僅不能提高探究活動效率，還會出現干擾因素多、誤差大等情況。

在《電磁鐵的磁力》一課中，第一個探究活動——驗證電磁鐵的磁力大小與哪些因素有關是本節課的重點，這一活動的有效開展有助于學生對電磁鐵全面的認知。因此，改進的目的需要明確，即提升學生探究電池數量、鐵芯粗細長短等因素與電磁鐵磁力大小關系的活動效率，減少不必要的干擾因素，讓學生運用高效、直觀的數據分析方式比較、發現電磁鐵磁力大小與多個因素的關系。改進教具、優化數據采集方式，提升學生測量各種變量因素下電磁鐵的磁力大小操作效率便可確定為改進的一個方向;另一個方向可以聚焦到探究活動的數據分析環節，通過改進教具讓數據呈現更明顯直觀，排除不必要的干擾項，讓學生能專注于數據的分析和比較。

二、分析原因，確定改進方向

教具的改進必須有針對性，針對的是導致探究活動效率降低的操作環節、容易出現誤差的測量方式、繁雜的不直觀的數據呈現形式。要發現這些問題，需要科學教師在課堂中時刻關注學生探究活動的開展，敏銳地洞悉學生在探究活動中出現的每一個問題，分析其背后的原因，從教學實踐中發現問題，進而針對這些問題做出改進方案。

為了檢驗電磁鐵磁力大小與電池數量、鐵芯粗細、鐵芯長短等因素是否有關，學生在這一課中需要依次測量不同變量下的電磁鐵磁力大小。采用的操作方式是在鐵芯上纏繞導線制作電磁鐵，以吸引大頭針數量的形式反映和比較磁力，同時為了減小誤差、確保實驗嚴謹性，每個變量都要重復測量三次，取三次測量的平均值進行比較分析。這樣的實驗編排，要想讓學生在有限的課堂中都能完成，對教師和學生來說都有挑戰性。通過教學反思，以及對多個班級的學生訪談，筆者發現導致探究活動低效、無效的原因主要有以下四個。一是學生反復纏繞線圈消耗了大量的時間與精力，導致每個小組只能在課堂上驗證一至兩種因素。在測量不同粗細、長短鐵芯的電磁鐵磁力時，學生需要反復解開導線更換鐵芯，再繞回導線，并且每次都要高度集中注意力數線圈圈數，消耗了大量的課堂時間和注意力，導致在驗證實驗的操作中每個變量的控制均有可能發生偏差，同時學生也只能在課堂上驗證一至兩種因素，與高效課堂理念不符。二是大頭針難數且易數錯。教材實驗設計采用了轉換法的思維，將難以被觀察的電磁鐵磁力大小轉換為更容易被觀察測量的大頭針重力大小，以吸引大頭針數量的形式反映磁力大小。而在測量三顆電池等較大磁力的電磁鐵時，電磁鐵往往吸引起數十枚大頭針，學生需要在有限的時間內數清大量的大頭針，不但耗費時間，不便于數清數量，而且容易出現數錯的情況。三是大電量的電池鐵發熱快，存在安全隱患。在測量大電量電磁鐵磁力時，接通電源后電磁鐵線圈發熱很快，學生手拿電磁鐵3次吸引大頭針的操作稍慢，就極易燙傷手，存在安全隱患。四是表格式呈現數據不夠直觀，不利于發現規律。以數字表格的形式呈現數據，表格內數據繁多，呈現形式不夠直觀，不利于學生從中尋找各變量因素與電磁鐵磁力大小的關系。從學生的實驗記錄表也可以發現，一些小組最多只能在課堂中完成兩個影響因素的驗證實驗。有的小組同一變量的3次數值相差很大，阻礙了本課教學目標的達成。

進一步分析以上四點可以發現，制約整個探究活動有效性根本原因在于該實驗零散的實驗儀器、煩瑣的操作方法和抽象的實驗現象。因此，解決好這三個問題便是改進的方向所在。

三、精準施策，制訂改進方案

小學科學實驗教學的改進角度主要有改進實驗方法、改進實驗儀器兩個方面。實驗方法改進指的是在不改變實驗原理和實驗器材的基礎上，調整和優化實驗操作方法，以達到規范實驗操作、提升實驗效率、減少實驗誤差，讓實驗現象更明顯、更容易被觀察和感知的目的。改進實驗儀器是指對實驗儀器或材料的優化改進。它可以是用低成本、易取得的實驗材料替換高成本或當地難以取得的實驗材料，可以是用更適應當地資源環境或氣候條件的實驗材料替代不適合當地使用的實驗材料，也可以是用能產生更明顯的實驗現象或更容易被學生觀察和感知的儀器材料替代原有實驗使用的材料，還可以是用模塊化的、集成度高的實驗套材替代零散的功能單一的實驗材料，以降低學生的操作難度，提升實驗的效率。實驗儀器的改進往往也伴隨著實驗方法的改進隨之變化。

為了讓探究活動更高效，讓電磁鐵磁力大小對比的現象和數據更明顯、更直觀，結合教學實踐中發現的四點影響探究活動有效性的因素，筆者借鑒教材實驗原理，遵循控制變量法，自制了信息化創新教具電磁鐵磁力實驗盒，以創新的測量方式和直觀的呈現形式助推高效課堂的形成。

針對課堂中出現的為了測量和對比不同電池數量、不同粗細、長短鐵芯的電磁鐵磁力大小，學生被迫完成反復纏繞導線、連接電路等煩瑣耗時實驗操作的問題，同時為了減少師生難以管理零散實驗材料的困擾，筆者以優化實驗方法為目標，從改進實驗儀器入手，將電磁鐵磁力與電池數量、鐵芯粗細、長短關系等多個實驗材料集中在一起，巧妙布局電路，封裝在一個用亞克力材料制作的實驗盒中，在改變實驗儀器的同時，實驗方法也得到了優化。實驗時學生僅需連接對應不同數量電池的開關便可完成不同電池數量電磁鐵的磁力大小測量。測量和對比電磁鐵磁力時，由于電池已經被安裝在電池盒內，且被固定在實驗盒上并通過導線連接好，電磁鐵也被安裝在實驗盒的固定位置，學生實驗時無須再用手一直拿著電池和電磁鐵，有效避免了因電磁鐵發熱產生的安全隱患。改進后的實驗盒采用可更換鐵芯的電磁鐵，在測量不同粗細、長短鐵芯的電磁鐵磁力時，學生只需拔出電磁鐵原有的鐵芯，依次換入不同粗細、不同長短的鐵芯即可開展電磁鐵的磁力大小與鐵芯粗細長短關系的實驗，避免了每更換一次鐵芯就要重新纏繞一次導線的煩瑣操作，省去了反復纏繞導線的麻煩，大大提升了實驗的時效性。

為了解決實驗中現象觀察和數據記錄環節學生需要反復數大頭針耗時、易操作錯的問題，實驗盒還在距離電磁鐵一厘米處安裝了一枚線性霍爾傳感器，通過電子信息技術化手段采集電磁鐵產生的磁信號，通過單片機將磁信號轉換為電流信號輸入計算機，再通過計算機軟件生成的數據柱狀圖（如圖1），將不同變量下電磁鐵的磁力大小轉化為柱狀的長短，以更為直觀的信息化方式呈現多組數據，更利于學生比較和分析數據，進而發現規律。同時，電磁鐵和磁信號傳感器被固定在實驗盒上，它們之間的距離數據也一同被固定了下來，不會因為其他變量的改變而發生變化，從而使實驗更為嚴謹，有效減少了誤差的出現。采用電子信息化傳感器取代傳統的手動測量采集磁信號數據，學生在課堂中得以親身體驗新技術的出現和應用對人類生產生活的影響，感受到了科學技術進步給人類帶來的便利，達成了信息技術課程標準中工程與技術板塊關于“知道重大的發明和技術會給人類社會發展帶來深遠影響和變化”的重要教學目標。

改進后的教具在研發設計時充分考慮到課堂教學需要，同時結合小學科學儀器配備情況，制成本教具的主要零部件電池盒、開關、導線等均為小學科學實驗室配備的材料，可更換鐵芯的電磁鐵、線性霍爾傳感器和單片機在許多電商平臺均有銷售，易獲取且成本較低。本教具將這些材料整合起來使用，學生操作簡便快捷，數據呈現快速直觀，大大提升了小學科學課堂教學的有效性。

此外，本教具中的線性霍爾傳感器、單片機等電子信息化磁數據采集組件還可用于比較磁鐵的磁力大小的實驗教學中，既能在電磁鐵模塊中使用，又適用于磁鐵模塊的實驗教學，具備較強的通用性和實用性。該教具具有操作簡單高效、數據呈現直觀的特點，通過信息化手段減輕學生在課堂中機械性、重復性操作的負擔，將實驗過程合理化，更好地幫助教師和學生突破教學重難點，能讓學生在課堂中擁有充足的時間驗證更多影響電磁鐵磁力大小的因素，幫助學生對電磁鐵建立起更為深入、全面的認知，同時讓學生真切地體驗到了科學技術替代傳統操作所帶來的便捷性。

四、合理使用，提升探究活動的有效性

任何教學改進都是從課堂中來，再回到課堂中去。針對課堂探究活動出現的問題進行改進創新的教具，也要回到課堂中進行檢驗。創新教具在課堂教學中的使用要以學生的學為主，因此，使用新教具后對探究活動的方式方法進行調整也要遵循科學嚴謹的原則。本著以上原則，筆者將新教具電磁鐵的磁力實驗盒帶回到課堂教學中，并對探究活動進行了重新設計。

探究電磁鐵磁力大小與電池個數的關系的實驗相對簡單，實驗教學活動中教師可圍繞“電磁鐵磁力大小與什么因素有關”這一問題，引導學生利用電磁鐵的磁力實驗盒展開驗證實驗，使學生在完成數據測量的同時熟悉電磁鐵磁力實驗盒的使用方法。有了電磁鐵磁力實驗盒的使用經驗后，學生便可以借助該實驗盒自主設計實驗步驟，探究電磁鐵磁力大小與鐵芯粗細、鐵芯長短甚至其他更多因素的關系。這樣的探究活動過程設計，既能幫助學生快速接受并掌握新教學儀器的使用方法，又能為學生留下充足的自主探究空間，學生的科學素養和創新思維在課堂中均得到了有效發展。

筆者將使用原有教具與使用改進教具的兩個班級進行對比后發現，課堂中驗證電磁鐵磁力大小與電池數量、鐵芯長短、鐵芯粗細關系的三個實驗全部都能夠完成的小組占比提升了33.4%，在三個實驗中能夠得出正確結論的小組占比均有不同程度的提升（如表1）。由此可見，使用該信息技術創新教具后，探究活動的有效性得到了明顯提升。與之前相比，簡化的數據采集方式和直觀的數據呈現形式，極大地提升了探究活動的實效性。使用可更換鐵芯的電磁鐵省去了反復拆繞導線的煩瑣操作，使學生能在課堂中對更多影響電磁鐵磁力大小的因素展開驗證。與之前只能驗證一兩種假設相比，學生的課堂體驗大幅提升，親手驗證各個因素所帶來的成就感和直觀感受也是之前無法比擬的。

在科學課堂中運用信息技術手段對當今小學生來說既熟悉又陌生。熟悉是因為他們是在信息化社會成長起來的一代，陌生則是因為將信息化手段用于科學測量的機會并不多。信息化手段的使用固然能為學生帶來許多便捷與樂趣，但也要辯證看待，絕不可剝奪學生操作原始材料帶來的直觀感受。在電磁鐵這一單元的學習中，筆者并未全部放棄讓學生在鐵釘上纏繞導線的方式制作電磁鐵，在本單元的前幾課中，學生依然能夠有機會體驗制作電磁鐵和使用電磁鐵吸引大頭針來感受磁力的存在。在學生有了之前的直觀體驗后，再在研究電磁鐵磁力大小與電池數量、鐵芯粗細、鐵芯長短等因素關系的《電磁鐵的磁力》一課中使用傳感器采集數據，既提升了課堂教學效率，又減少了誤差和干擾因素，達到了激發學生學習興趣、提高實驗教學效率的目的。

參考文獻

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作者簡介：林凱（1987— ），廣西南寧人，一級教師，研究方向為小學科學教育、小學科普教育。

（責編 黎雪娟）