數字化實驗設備在小學科學探究中的應用解析

【摘 要】現代信息技術的發展，推動了數字化設備在探究實驗中的應用，有效解決了部分傳統實驗教學的難點。本文簡要討論了數字實驗具有的獨特優勢，通過具體案例探討了數字化設備在小學科學教育中的融合應用。

【關鍵詞】數字化；實驗設備；傳感器；科學探究

【中圖分類號】G434" "【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2022）011-073-02

科學探究是小學科學教學重要的學習方式，它滿足了學生的好奇心、動手欲，為培養學生的科學素養奠定了基礎。2021年6月，國務院印發《全民科學素質行動規劃綱要（2021-2035年）》，強調“引導變革教學方式，保護學生好奇心，激發求知欲和想象力。推進信息技術與科學技術的深度融合”。近年來，信息社會發展催生的數字化實驗技術，為探究教學帶來了變革，也為促進學生科學素質的提升帶來了新的契機。

數字化實驗設備的涵義

數字化實驗設備主要指利用傳感器、數據采集器、實驗軟件、計算機共同組成的系統，它能將實驗中測得的數據傳輸至計算機，分析處理后形成圖表，清晰直觀地顯示出結果，是一種數字時代的新型實驗手段。

傳感器：通常由敏感元件和轉換元件組成，用于小學實驗教學中的一般有氧氣、二氧化碳、力、溫度、電流、磁場、pH 值、心率等傳感器，能夠涵蓋小學科學幾乎所有探究活動涉及的數據測量工具。

數據采集器：數據采集器能采集在特定時間內傳感器獲得的溫度、濕度、力等數據，并將數據傳輸給計算機，在與之對應的軟件中分析并顯示。

數據分析軟件：處理數據采集器傳輸來的數據，可以通過圖形化、可視化的方式，使數據以曲線、柱形圖、表格等形式呈現，增強數據的直觀性，幫助學生發現數據中隱藏的規律。

數字化實驗對探究教學的意義

在國內，教育信息化穩步發展，政府對教育投入不斷增大，加上技術發展使得數字化設備成本降低，越來越多的學校開始創建數字化實驗室，傳感器在科學教育中的使用愈加普遍，而它的優越性也更加凸顯。

1.有助于提高科技素養

作為一個現代人，能不斷學習和運用科技新設備已成為一項科技素養。在學校資金有能力支持的前提下，課堂中出現的這些數字化實驗設備，能培養學生接受運用科技新事物的能力。同時，新技術的應用與科學課程緊密相連，能有效提高學生的探究能力、獲取信息的能力以及交流表達能力等。

2.有助于促進科學認知

數字設備能替代許多傳統儀表，如計時器、彈簧秤、溫度計、壓強計等，最大優點是精確、智能、易操作。尤其值得注意的是，它們不僅能連續測量實驗數據、捕捉瞬時數據，還能直接測量傳統儀表沒法實現的諸如速度、磁感應強度等數據。這些先進性使得實驗結論的得出能建立在充分的數據基礎上，不但提高了實驗精度，還讓實驗分析從定性變成定量，拓展了探究范圍，這些都能促進學生科學認知的發展。

3.有助于提高課堂效率

在傳統探究實驗中，學生往往要花費相當多的時間和精力去學習掌握儀器的操作方法，這不僅對學生是個小小的挑戰，而且為采集到可靠的數據，往往要重復多次實驗，占用大量時間，在有限時長的課堂里，就會弱化對數據的分析與討論。而數字設備的運用，讓師生能夠準確地獲取數據，進而有充分的時間去分析研究，再加上計算機的參與，讓數據處理變得更快捷，極大地提高了課堂教學的效率。

數字化設備在小學科學教學中的應用簡析

數字化實驗設備的運用能有效突破課堂教學重難點，減輕師生負擔，提高課堂教學效率。以下以蘇教版小學科學教材為例，簡析數字實驗設備的應用探索。

1.以定量研究和統計分析為主

溫度傳感器：五年級“物體的傳熱本領”一課，比較不同材料傳熱的快慢，涉及塑料、木材、銅、鋁、鋼五種不同的材料，實驗采用不同材料制作的勺子，把勺子一頭同時放入熱水中，相同時長后，用手摸各勺子的勺柄，感覺冷熱，從而判斷各材料的傳熱本領。然而，用手去感知冷熱很主觀，往往不同的人有不同的感覺，難以準確判斷。借助溫度傳感器，就能有效獲得溫度數據，而且本活動的設計也可以更優化，準備不同材料制作的大小粗細一樣的小棒，一端放在同樣的熱環境中加熱，另一端分別連接熱傳感器進行測量，獲取數據，即能反映材料導熱性能的差異。

力學傳感器：四年級“研究摩擦力的大小”一課，手持彈簧測力計拉動小木塊在桌面上勻速運動，測力計讀數即表示桌面與小木塊間摩擦力的大小。實際操作中木塊的勻速運動難以操控，由于速度變化導致測力計示數變化，讀數困難，無法判斷力的大小。引入力傳感器，能快捷準確地獲得力的大小數據，而且是連續的數據，經過軟件分析處理能獲得比較客觀的數值，這為學生研究摩擦力大小提供了數據支持。

2.以明晰概念和改善方案為主

微電流傳感器：四年級“導體和絕緣體”一課，需要讓學生認識人體、水也是導體，還要探究不同液體（自來水、純凈水、鹽水）的導電性能。水和人體電阻大，接入由干電池組成的電路中會因為電流過于微小而難以觀察到實驗現象。采用微電流傳感器，就能方便地讓學生觀察到電路中微弱電流的存在，讓學生對人體和水的導體屬性有準確清晰地認識。用電流傳感器檢測各種不同液體的導電性，能很明顯看到差異所在，電流傳感器也可以用來檢測不同的水果電池，比較導電性能的差異。

聲音傳感器：聲音傳感器的作用相當于一個話筒（麥克風），它用來接收聲波，顯示聲音的振動圖像。“不同的聲音”這一課，需要帶領學生認識聲音音強、音調、音色的不同，音調高低的探究是其中的重難點，探究音調高低的實驗一般采用不同長短的金屬片、粗細不同的金屬管，敲擊使其發聲，識別音調的高低，發現與材料的長短、粗細的關系。這是課堂的一個難點，因為這幾個有限的實驗材料發出的聲音短暫而單薄，它們不能夠像樂器一樣發出豐富的、連續的、有明顯音階變化的聲音，這就不能很好地幫助學生理解音調概念。采用聲音傳感器，可以讓不同音調的聲波呈現出直觀的波形，找到物體形態與音調高低的關聯，抓住探究思維，幫助學生理解概念。

3.以開發教材拓展學習為主

教學用的傳感器是新近出現的測量儀器，它們預設的功能和用途是為科學教材服務，但我們完全可以借助傳感器，開發設計出新的探究活動，豐富學生的科學學習。

英國學者Frank Fearn 設計了基于傳感器技術的課外探究活動以促進學生的探究能力。探究內容包括：池塘溫度 （ 溫度傳感器 ）、哺乳動物活動 （ 聲音和光傳感器 ）、肥堆微環境 （ 溫度和濕度傳感器 ）、植物生長條件（光傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、pH 傳感器）[1]。筆者曾經利用光電傳感器設計了“誰先落地”的一個教學活動，探究物體下落的快慢，通過在一個透明通道的上下兩端分別安裝光電門傳感器，監測各種材料不同輕重的小球從通道上端自由落體到下端所用的時間，從而發現物體下落快慢的奧秘。光電門傳感器以其精準的時間測量，顯示出不同輕重、不同大小的小球均能呈現出相同的下落速度，從而幫助學生用實證的態度和思維來理解自由落體運動。

總之，將數字傳感器的應用與探究教學相結合，融合應用，不僅能更大程度激發學生的學習興趣，也能夠改變學生的探究習慣，讓實驗教學更多元。數字技術變革課堂教學，助力高效學習，讓科學課展現出更大的魅力。

參考文獻

雷曉暉. 基于數字化探究的小學科學教育研究[J]. 教育信息技術，2013（9）.

作者單位：江蘇無錫市港下實驗小學