信息化環境下傳統實驗與數字化實驗的利弊分析

◇章玲玲（江蘇：南京河西外國語學校小學部）

小學科學是一門以實驗探究為基礎的學科，實驗探究是培養學生科學精神的重要手段。但由于教材內容的綜合性、開放性和靈活性，加上科學探究儀器設備的不足，以及人為的操作失誤引起精確程度不高，因而存在實驗效果不明顯的弊端。針對這種情況，小學科學引入了數字化實驗，以彌補傳統實驗的不足。但在使用數字化儀器進行實驗的過程中，我們發現并不是所有的實驗都適合使用數字化儀器，有部分實驗仍要運用傳統的實驗方法，才能取得最佳的實驗效果。不管是傳統實驗還是數字化實驗，它們都有各自的優缺點。

一、傳統實驗的優勢

傳統實驗能讓學生親自讀出數據、記錄數據、觀察現象并分析數據，可以培養學生觀察思考的能力，讓學生充分理解實驗的意義。

例如，實驗“測量三杯水的溫度”，學生可以親自使用傳統的溫度計測量水溫，觀察溫度的變化過程，親自記錄下實驗數據，并比較出三杯水的溫度高低。學生還可以發現組內不同的同學在測量同一杯水的溫度時，往往讀到的溫度有偏差，從而明白，實驗過程中由于人為原因而存在的誤差問題。而在數字化實驗過程中，學生使用溫度傳感器測量直接讀取數據，大家測得的同一杯水的溫度都是一樣的，也不會發現實驗會存在誤差，缺少了很多重要的環節，這些都是數字化實驗過程中無法體會到的。

傳統實驗能讓學生親自準備實驗材料、組裝并動手操作，能看出直觀的實驗現象，更好地理解科學原理，鍛煉學生的動手能力。

例如，實驗“固體的熱脹冷縮”，數字化實驗是通過加熱金屬棒，金屬棒膨脹后力傳感器受到擠壓，此時，數據采集器顯示壓力變大的現象，從而感知金屬棒加熱后膨脹了。移開酒精燈，讓金屬棒慢慢冷卻，壓力會變小，從而感知金屬棒收縮了。雖然數字化實驗中所用的原理并不存在錯誤，但其忽略了此年齡段學生的認知水平。對四年級的學生來說，這樣的實驗方式，反而讓他們更難理解熱脹冷縮的現象了。而在傳統實驗中，我們先將銅球放入鐵圈，發現剛好能通過；然后用酒精燈給銅球加熱一段時間，再將銅球放入鐵圈，發現銅球不能通過鐵圈了；最后將銅球放入冷水中冷卻后，再嘗試讓其通過鐵圈，發現銅球又可以通過鐵圈了。此實驗現象極其明顯，采用銅球能否通過鐵圈的方式，學生一目了然，銅球不能通過鐵圈，是因為銅球變大，也就是受熱后膨脹了，冷卻后能通過，是因為銅球又變小，也就是收縮了。學生通過這樣直觀的現象很容易理解固體熱脹冷縮的現象。而且，在傳統實驗中，學生還可以親自動手操作，親自感受明顯的實驗現象。相比之下，數字化實驗就顯得沒有必要了。

二、傳統實驗的弊端

部分傳統實驗在儀器的選擇上存在弊端，無法克服外界條件的干擾，導致實驗耗時長、誤差大，很難達到理想的實驗效果。

例如在“比較不同顏色物質的吸熱性能”實驗中，傳統實驗是選擇一深一淺兩種顏色的氣球進行實驗，將其放在太陽光下，用傳統溫度計來測量溫度，然后每隔一段時間分別記錄兩種顏色氣球的溫度，最后分析這些數據，得出結論。就學生日常實驗來看，幾乎未成功過。這是因為實驗數據記錄涉及秒表的使用，學生難以準確地在同一時間記錄兩個溫度計的示數；氣球的選擇也是導致實驗失敗的主要原因，什么樣的形狀、什么樣的顏色，甚至是大小都可能會影響實驗結果?；蛘呤菗Q一種實驗材料，又會帶來不同的問題。眾多的實驗干擾因素會讓這個傳統實驗很難取得成功。

而數字化實驗就解決了傳統實驗中遇到的種種無法解決的問題，大大提高了實驗的成功率。數字化實驗用溫度傳感器代替普通溫度計，所測得的溫度更加精確。實驗采用了數據采集器實時采集數據的方法，將所測得的溫度通過軟件平臺傳輸到電腦或是平板上，就可以輕松自由地搜集各個時間段的溫度數據。在數字化實驗中，我們用同一材質不同顏色的三根金屬棒代替傳統實驗中屢次失敗的各類材料，讓我們不再為選擇何種材料發愁，而且三根金屬棒同時進行實驗相比于傳統實驗中使用的兩種顏色的材料，所得實驗結果更具說服力。在熱源問題上，傳統實驗采用的是太陽光照射，耗時長、效果差，而在數字化實驗中，采用的是燈光照射，短短幾分鐘，金屬棒就能迅速吸熱升溫，效果明顯。為了解決照射不均勻的問題，數字化實驗裝置也是別出心裁，將金屬棒置于以熱源為中心的圓弧上，以保證每根金屬棒被燈光均勻照射。

就數字化實驗軟件來說，卡通畫的界面符合此年齡段學生的心理特點，能吸引學生的注意力。每根金屬棒的溫度實時顯示在界面上，吸熱性能一目了然。同時軟件能將采集到的溫度數據繪制成圖像，這樣更容易分析出不同顏色物質吸熱性能的強弱。相比于傳統實驗，數字化實驗在此實驗中可行性高、數據精確、耗時短，且實驗結果更可靠。

部分傳統實驗存在操作技術問題，觀察實驗現象受到限制，導致實驗結果分析錯誤。

例如，在“探究擺的運動快慢與哪些因素有關”實驗中，傳統實驗是用秒表計時，改變一個條件，控制其他條件不變，數出同一時間內擺動的次數。這樣的方法固然可行，但是秒表的控制依舊是學生的難題，學生在數次數的時候，很難準確數出擺動的次數，稍不留神就會數錯，如果條件控制得不好，還會來不及數，最終導致錯誤的實驗結論。

本實驗的數字化實驗裝置，采用的是光電門傳感器記錄擺動的次數，比起學生自己數，要精確得多。改變實驗探究條件也比傳統實驗簡便得多。此軟件可以設置實驗時間，到了時間自動停止實驗，與人工計時相比，實驗結果更加準確。每個實驗進行三次，自動取平均值作為最終結果，減少實驗誤差。在此實驗中，數字化實驗彌補了傳統實驗的不足，讓實驗結果更加接近真實情況。

三、數字化實驗的優勢

在傳統的教學設備中逐漸融入數字化的模式，將成為今后教學的必然趨勢。數字化實驗設備在小學科學教學中的應用,將大大提升小學科學實驗教學的科學性,讓數字說話,或許會對學生的實驗觀和價值觀發生較大的改變。同時可以把學生從煩瑣的數據獲取和記錄、公式運用和圖線編輯中解放出來，使學生有更多的時間和更大的空間去思考和討論，從而培養創造性思維和科學素養。

在實驗過程中，學生使用傳統的測量工具時，通常會因為操作失誤而致使實驗數據的精確度很低，從而造成錯誤的實驗結論；而通過傳感器測得的數據會更加精確，提高實驗的成功率。有些實驗，比如磁鐵不同部位的磁性大小分析，傳統實驗不能很直觀地表現出磁性的大小，但我們通過磁場傳感器就能測得磁鐵某個部位的磁性的具體數值，化抽象為具體，使一些不易觀察到的現象能用數值或是圖像的形式呈現出來，更為直觀。傳統實驗主要是靠人工處理數據，而數字化實驗可以很方便地通過實驗軟件直接處理數據，如繪圖、制作表格、直線擬合等，省卻了傳統實驗中的紙筆和復雜計算，為學生提供更多思考的時間。培養學生利用新技術的科學素養，傳統實驗并不能很好地做到這一點。

四、數字化實驗的弊端

（一）為使用數字技術而使用

當前，在很多小學科學課堂教學過程中，教師僅為了迎合學生和領導的需要，以激發學生的學習興趣為由，過于追求教學形式的創新和新穎，在教學中有動感的表現，有更加美化的圖片還有更多更為強烈的色彩和動畫，這樣的課堂看起來非常熱鬧，但是學生所學習到的知識寥寥無幾，也基本是在形式上對學生有吸引的作用，事實上給學生造成了諸多的干擾和誤導。學生的注意力完全在花哨的多媒體上，忽視了真實的教學內容。這種華而不實的課堂，會讓學生的精力耗盡，影響最后的學習效果。

（二）容易忽視學生的主體地位

學生在整個認知活動中處于主體位置，課堂教學的整個過程也是學生和教師的交流過程，教師和學生能夠相互間產生影響，因而形成有助于學生學習的教學環境。在科學課堂上，使用數字資源，能給學生學習提供更多的多媒體資料，在信息的傳遞過程中比傳統方式更有效率。但缺失的是教師不能對學生進行情感方面的教育，也不能發揮出傳統教育的優勢，課堂上教師和學生的溝通變少，這樣就極大地阻礙了學生的發展和學生與教師之間的情感溝通。

五、客觀看待數字化實驗與傳統實驗的關系

數字化實驗裝備反映了當代最新科技成果。隨著小學科學數字化探究實驗室走進校園,教師借助信息技術給學生提供多樣化的學習活動和開放的學習環境,數字化探究成了學生科學思維和創新的工具。數字化實驗符合小學科學的學科特征，同時也成了學生獲取、理解和應用科學知識的重要途徑。

我們要以低年級小學生發展與認知特點作為出發點，結合小學生認知發展與教育特點，用新的數字化交互技術為他們構建一種趣味、娛教相結合的科學實驗軟件，促進和加快適合于低年級小學生學習類軟件的研發進程。要為小學生提供專門化、更有針對性的數字化學習環境，激發他們學習和探索的興趣，推動他們內在學習動力，提升數字化學習素養，最大限度消除數字化時代這把雙刃劍的負面效應，從而促進學生健康學習和成長。這對于學生的數字化學習具有重要意義。

傳統實驗能夠鍛煉學生的觀察能力、動手操作能力及分析思考能力，但同時也有著精度低、誤差大、浪費時間等不足，而數字化實驗正好彌補了傳統實驗的不足，但這并不意味數字化實驗完全取代傳統實驗，小學科學實驗并非全部適于數字化實驗。數字化實驗比較適合用在那些過程比較復雜，要采集的數據量比較多，數據處理中計算量比較大的實驗，同時數字化實驗系統對數據的采集、處理都是在幕后進行的，這在實際教學中可能會帶來很多便利，而在教學中卻是一個不足。因此，在實際的教學中，二者應互為補充，教師可根據教學的實際需要，將數字化實驗和傳統實驗相結合，提高課堂教學效率。

六、結語

在信息爆炸的年代，信息化已經深入到了人們的方方面面。衣：電子商城的流行，讓商品的流通更加扁平，讓人們的選擇更加廣闊；食：外賣軟件的普及，讓大家足不出戶便可享受到自己心儀的食品；住：各種租房購房App，讓居住變得更加便捷；行：打車軟件的流行、購票系統的普及，無論是打的還是乘坐高鐵飛機，都可以通過智能終端快速解決。

教育的信息化，也逐漸普及。隨著教育部發布《教育信息化2.0行動計劃》，我們相信，不久的將來，教育的信息化將會更加智能，將會搭建出非常強大的教育信息化平臺。教育信息化將帶來教育的終身化、社會化和生活化。在科學技術日新月異的今天，一切設想都可能成為現實，讓我們的教育能夠真正地寓教于樂，解放教師的時間，拓寬學生的視野，讓學生感受到知識的魅力。感謝科技的發展，讓許多的不可能變成了可能，感謝科技的力量，讓教育變得更加公平公正?！?/p>