開展傳感器實驗提高學生數據素養(yǎng)的探索

席學榮

摘要： 信息時代，教師開展傳感器實驗提高學生數據素養(yǎng)非常必要且具有可行性。與傳統實驗相比，傳感器實驗優(yōu)勢明顯：數據統計結果更直觀，數據搜集更精準，實驗的可信度更高，更有利于定量分析。為提高學生數據素養(yǎng)，教師在傳感器教學中，以數據的可視化實現學生直觀認知，以數據的精準化助力學生定量分析，以數據的功能化指引學生揭示問題本質，以數據的智能化激發(fā)學生創(chuàng)新意識，能有效提高學生的數據知識、數據技能、數據思維等數據素養(yǎng)，進而促進學生核心素養(yǎng)發(fā)展。

關鍵詞：科學教學；傳感器；數據素養(yǎng)

具備良好的數據素養(yǎng)是科學家潛質之一。在科學課程的學習中，收集數據是重要的探究環(huán)節(jié)。數據是分析推理、得出結論的基礎，是學生觀察、探究并對事物性質作出合理解釋的依據。

一、開展傳感器實驗對于發(fā)展學生核心素養(yǎng)意義重大

科學課程重視對學生統計與分析能力的培養(yǎng)，特別是數據分析能力。教師應指導學生進行有效的數據分析，讓他們在探究的過程中觀察現象，建構科學概念，形成科學觀念。這樣才能彰顯數據的價值。傳感器作為科學實驗的新型測量儀器，它是采集實驗數據的利器，可用于精準測量溫度、濃度、色度、酸堿度等。教師合理利用傳感器等數字化裝置開展科學實驗教學，有利于改進傳統實驗，讓學生憑借可視化的數據，認識科學問題的本質，借此培養(yǎng)學生多視角收集證據解決問題的能力。這是“技術為教學賦能，技術為實驗教學服務”的體現。傳感器的應用使科學探索變得簡便、高效。新技術的應用正在引發(fā)教學方式變革，推動教學儀器的更新與升級。

科學研究的起點是觀察，觀察的目的是獲得關于現象的數據。數據不僅是現象存在的“證據”，而且是顯示其存在的形式。科學的理論或觀點都是研究者在掌握充分的事實和數據并對其認真分析后提出的。同時，每個理論或觀點都需要人們用翔實的事實和數據去驗證。用事實和數據說話是一種科學思維，也是評判觀點或理論是否科學的重要標準。正如科普作家劉光裕所言，現代科學實質是研究記錄數據之間的關系，分析數據間的相關性和出現的可能性，進而發(fā)現規(guī)律。

《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）指出教師應注重培養(yǎng)學生的推理論證能力，即基于證據與邏輯、運用分析與綜合、比較與分類，建立證據與解釋之間的關系，以及科學探究的能力。數據是科學實驗最直接的表現形式，也是學生參與實驗的直觀證據。要激發(fā)青少年的科學家潛質，教師應大力提高學生的數據素養(yǎng)，讓學生學會搜集數據、分析數據，從數據中發(fā)現問題、發(fā)現規(guī)律。

二、傳感器實驗在提高學生數據素養(yǎng)中的作用

（一）直觀呈現數據統計結果

學生借助傳感器對實驗現象進行定量探究，可以增強探究的科學性，激發(fā)創(chuàng)新思維，提高實踐與創(chuàng)新能力，彌補傳統實驗在測量方面的不足：用傳感器配合數據采集器和計算機將數據以圖形形式顯示，實現數據的數字化采集與傳輸和可視化呈現。傳感器的應用使實驗從定性轉向定量，可增強學生的數據意識。教師利用計算機處理實驗數據，在實驗的基礎上將信息技術與實驗教學有機結合，初步實現了數據測量的數字化。

例如，對于“電磁鐵”的教學，在傳統實驗條件下探究影響電磁鐵磁力的因素，會出現以下問題：一是在相同條件下，每次用磁鐵吸的大頭針數量不一，記錄煩瑣；二是用電池作為電源，電流不恒定，電池使用時間越長，電流越小，影響實驗數據的準確性；三是電磁鐵實驗裝置不能直觀地顯示磁力值，數據支持不夠。為更有效、直觀地探究電磁鐵磁力與哪些因素有關，教師借助直讀式電磁力實驗儀器和磁感應強度傳感器開展實驗，改進后實驗數據更準確、更直觀，便于學生探究磁力與什么因素有關。

又如，對于“水的浮力——沉在水中的物體是否受到浮力”“鹽水導電嗎——鹽水濃度低就不能導電嗎”“溶液的酸堿性——果汁的酸堿性”“水果電池——不同水果導電時的電流”等實驗，學生都可以借助傳統實驗器材開展實驗，從中體驗與感悟。在學生實驗的基礎上，教師利用傳感器演示實驗，將“看不見的數據”或無法用傳統實驗器材收集到的數據，變成可以形象感知的圖表，排除學生在學習過程中的疑問和障礙，幫助學生理解科學概念和科學原理，使學生知其然并知其所以然。

（二）提高數據采集精準度

師生可以借助傳感器對數據進行實時采集和檢測，減小手工測量可能出現的誤差。傳感器靈敏度高，可用于檢測實驗過程中微小量的變化，支持操作者對實驗變量進行定量檢測。另外，傳感器具備“實時實驗”的功能，能夠實時展示數據的變化，支持數字化測量，采集的數據精準度高。教師將傳感器與計算機結合應用于實驗，能實現數據顯示、分析和智能化處理，使動態(tài)受力實時測量、動態(tài)位移實時測量、磁感應強度測量等實驗的精準度顯著提高。

例如，在“力與運動”教學中，教師指導學生用數字化手段探究“拉力與小車前進快慢是否有關”，實驗效果良好。小車行駛距離較短，而速度較快，實驗過程中，學生用秒表測定行駛時間，常常手忙腳亂，收集數據很困難。教師讓學生借助傳感器測定行駛時間，通過顯示屏精準顯示小車行駛時間。在傳感器的支持下，學生收集數據從容不迫，理解與建構概念也就水到渠成。

（三）增強實驗可信度

教師借助傳感器和計算機，將不可見的實驗變化過程通過信號轉化，變成可視化的曲線圖，有利于學生對實驗過程進行監(jiān)控，給學生以直觀的印象，同時有利于增強實驗的可信度，彌補常規(guī)測量的不足^[1]。例如，教師用常規(guī)方法開展“人呼吸的氣體變化”實驗，即借助澄清石灰水進行對比，間接證明人體呼出的二氧化碳氣體增多，如此實驗學生難以理解。如果教師引入氣體檢測傳感器開展實驗，學生能清晰觀察氧氣和二氧化碳量的變化，這樣實驗的可信度得以提高。

（四）發(fā)揮“量”變功能

傳感器定時記錄數據是保障信息有效的關鍵。在傳感器的支持下，教師可將實驗過程中相關量的變化情況以曲線形式呈現，結合宏觀變化與微觀本質，讓學生參與推理、論證等高階思維活動，深入理解科學概念。例如，教師借助傳感器開展液體熱脹冷縮實驗，將定性實驗變成定量實驗，讓學生精準觀測溫度變化量、體積變化量，深入理解物體體積會隨溫度升降而變化。

又如，在探究“不同溫度的物體相互接觸”的過程中，學生需要同時觀察、測量、記錄冷水浸入熱水中后二者的溫度變化情況。教師開展該實驗旨在讓學生建構科學的認知，即熱量可以從一個物體轉移到另一個物體，兩個系統在發(fā)生傳熱的條件下趨于熱平衡。其實，獲取證據環(huán)節(jié)，重點不在于溫度計的正確使用和如何讀數，而在于獲取有效數據，根據數據制作折線圖，分析、比較、概括得出探究實驗的結論。也就是說，學生要學會運用探究實驗的證據進行信息加工，科學地表述變化規(guī)律。教師借助溫度傳感器開展實驗，能實時精確測量冷熱水的溫度變化，并將溫度變化曲線圖呈現在學生面前，直觀演示熱交換過程中冷熱水溫度的變化情況。

三、應用傳感器教學促進學生數據素養(yǎng)提高的路徑與方法

（一）利用可視化工具呈現實驗過程，助力學生直觀認知

在使用傳感器開展科學實驗時，教師應讓學生深入了解實驗原理、方法和過程，實時采集實驗過程中的數據，實時監(jiān)測和觀察數據的變化情況，可利用數據可視化工具將觀察到的實驗現象、數據變化，以圖表或曲線的形式展示，幫助學生直觀地了解數據變化規(guī)律和趨勢。

例如，在“不同的聲音”實驗中，教師要求學生用身邊的材料制造音調不同的聲音。對于該實驗，傳統方法是用耳朵聽，“相同長短粗細的材料，長的音調低，短的音調高；相同長短的材料，粗的音調低，細的音調高”。這種方法存在缺點：用耳朵聽帶有強烈的主觀性，區(qū)分度不明顯，不易判斷。教師借助傳感器開展實驗可彌補上述不足：先讓學生明確實驗原理、方法和過程，再開展聲音的高低實驗。教師將實驗過程以數值和圖像呈現，讓學生先用耳朵聽，再看數據和圖像變化，提升學生的感性與理性認知能力。

小學生容易混淆“聲音的大小”和“聲音的高低”這兩個概念。他們在學習這兩個概念前，往往認為聲音越大，音調越高。對于“聲音”的教學，如何讓學生了解清楚并進一步區(qū)分“聲音的大小”和“聲音的高低”概念是教學的難點和重點。教師借助聲音傳感器教學可解決上述問題。教師指導學生實驗時，讓學生初步理解聲音傳感器的基本原理和實驗方法，監(jiān)測聲音衰減過程，在計算機上觀察圖樣變化過程，將看不見的聲音變成直觀化的“看得見的聲音”。

（二）精準采集實驗數據，指導學生定量分析

教師借助傳感器采集科學實驗數據時，要盡可能消除人為因素干擾，使用前要對傳感器進行精準設置和校準，減小誤差，保證實驗數據的穩(wěn)定性和可靠性。為做到數據采集的精準化，在實驗教學中，教師要指導學生提前知曉傳感器的基本原理，了解傳感器的測量范圍，掌握正確的操作方法，以及合理放置和調整傳感器參數。

在探究“怎樣得到更多的光和熱”時，學生需要測試不同顏色材料的吸熱能力，但所選擇的材料之間吸熱能力差異較小（如白色材料和粉色材料），如果用傳統的溫度計測量，數據變化不大，甚至沒有變化，這會給學生造成困惑，教師也比較尷尬。運用溫度傳感器測量，上述問題便迎刃而解：教師先讓學生了解溫度傳感器的原理、使用方法、測量范圍、操作步驟，再指導學生使用溫度傳感器測量不同顏色材料的吸熱能力，讓學生觀察溫度變化過程，快速準確獲取實驗數據。傳感器測量精準度很高，哪怕變化細微，也能快速準確地呈現。學生根據傳感器生成的數據（曲線、刻度等），分析、歸納、總結得出實驗結論，高效完成實驗任務。

傳感器測量精確度較高，其呈現效果與人的感官感受的效果不可同日而語，用傳感器檢驗實驗成效可以減少感官帶來的誤判。對于定量實驗而言，精準采集實驗數據至關重要，教師要在課前解決傳感器放置位置、時間等問題，在實驗中對學生進行指導。例如，學生設計保溫裝置時，利用溫度傳感器進行精準測量是實驗成功的關鍵。教師讓學生將溫度傳感器置于保溫裝置中間放置10分鐘，指導他們觀察、分析儀器顯示的溫度變化值和曲線變化情況，將數據圖表生成為實驗報告。學生檢驗保溫裝置的功能，獲取數據為進一步改進裝置提供證據。精準檢測也為教師評價學生作品提供了可靠的過程性資料和證據，改變了傳統實驗靠手感覺的窘境^[2]。

（三）促進實驗分析數據的功能化，指引學生揭示問題本質

傳感器可以幫助學生采集大量的數據。學生將采集的數據進行分析和處理，才能發(fā)現數據中蘊含的信息和規(guī)律。如何幫助學生分析和利用數據？教師在使用傳感器時，要指導學生掌握數據分析方法，如數據可視化、數據統計和數據挖掘等基本的數據處理方法和高級的數據處理技術，引導他們分析數據，發(fā)現數據背后的規(guī)律和趨勢，探究成因和影響因素。

例如，教師教學“熱空氣和冷空氣”時，讓學生“感覺熱空氣在哪里”，由于各人感受不同，學生對于火焰下方是否有熱空氣持不同觀點。為了有效探究上述問題，教師將蠟燭置于一個上、中、下都帶有溫度傳感器的支架中央，點燃蠟燭后每分鐘采集一次火焰上、中、下方的溫度數據，指導學生對實驗數據進行分析，理解為何熱空氣主要集中在火焰的周圍和上方。火焰的下方有沒有熱空氣呢？學生對實驗數據精準分析，體驗到火焰的下方也存在一定的熱空氣，但數量極少。如此實驗便解答了“火焰下方是否有熱空氣”的疑問，體現了數據的“功能性”。

又如，在“擺”的教學過程中，教師采用紅外光電傳感器計量擺動次數，引導學生整理數據、分析數據，從數據中發(fā)現擺動規(guī)律。

（四）發(fā)揮智能化處理數據的優(yōu)勢，激發(fā)學生創(chuàng)新智慧

隨著技術的發(fā)展，傳感器越來越智能化和自動化。學生使用智能化的傳感器和相關的軟件，可以高效地處理和分析數據。此外，教師可以指導學生利用云計算等技術，將數據上傳至云端，并通過互聯網實現數據共享和協同處理，進一步提高數據的可利用價值和效率。在科學實驗教學中，教師指導學生初步了解人工智能和機器學習等技術，使之具備使用相應工具對數據進行分析和處理的能力，這樣就能更好地發(fā)掘數據中的信息和知識，提高數據應用的效率和準確性，真正實現智能化處理數據。

例如，“新型農場”單元看似僅涉及技術與工程，實則跨學科，融合生命科學、信息科技、力學等為一體。教學時，教師指導學生將各類型傳感器設計應用到農場經營中，建造立體農場，實現“精準農業(yè)”和“智慧生活”。這種智能化體現在：能精準完整記錄植物的生長過程，種植過程可智能管理等；溫度、土質、水分、養(yǎng)分等數據精準且可視。在智能化數據處理技術的加持下，學生設計“新型農場”變成一場關于選擇和決策的數學游戲，可以有更多的精力用在創(chuàng)新上。

四、在科學教學中普及傳感器實驗未來可期

數字化時代，信息技術日新月異，學生信息技術應用能力不斷提高。圖形化編程和模塊化設計是數字化信息系統（DIS）的優(yōu)勢，其應用降低了DIS傳感器編程難度，如Mixly圖形編程使Arduino UNO R3主板不再局限于C++編程。小學生使用傳感器參與科學學習活動（特別是數字化實驗）越來越方便。小學科學教學中，傳感器將被廣泛應用于相關實驗。

教師借助傳感器開展科學實驗，提高學生數據素養(yǎng)大有可為。開展跨學科學習活動，讓學生將知識學習與生活實踐聯系起來解決問題，提高其綜合素質是時代要求。傳感器可用于多學科的實驗教學。在今后的教學中，筆者將繼續(xù)探索如何借助傳感器優(yōu)化實驗教學，拓寬應用面，讓學生更好地探索科學規(guī)律，提高效率，發(fā)展核心素養(yǎng)。

參考文獻

[1] 劉東波，賀秉軍.生物傳感器在植物光合作用實驗教學中的應用[J].內蒙古師范大學學報（教育科學版），2017（5）：159-161.

[2] 孫梅芳.傳感器技術在小學科學實驗教學中的應用[J].小學科學（教師版），2015（11）：35.

（作者系云南省教育科學研究院科學教育教研員、特級教師，教育部基礎教育指導委員會科學教育專業(yè)委員會委員）

責任編輯：祝元志