數(shù)字化實驗研析

王思緒

〔摘? ? 要〕? 數(shù)字化實驗與小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)的關(guān)系越來越緊密，數(shù)字化實驗器材在小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用，彌補了傳統(tǒng)實驗在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造能力和核心素養(yǎng)時的不足，使實驗更直觀、精確的同時，也拓寬了學(xué)生的視野與思考問題的角度。本文以《光的反射》為例，具體說明數(shù)字傳感器在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的作用，并對傳感器的使用做出思考。

〔關(guān)鍵詞〕? 小學(xué)科學(xué)；數(shù)字化實驗；研析

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻標(biāo)識碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號〕? 1674-6317? ? （2024）? 10? ? 067-069

隨著教育數(shù)字化戰(zhàn)略的推進，數(shù)字化實驗與小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)的關(guān)系越來越緊密。數(shù)字化實驗就是在數(shù)字化探究實驗系統(tǒng)的幫助下完成科學(xué)探究實驗，例如傳感器等。在業(yè)內(nèi)，數(shù)字化探究實驗系統(tǒng)也被稱作“數(shù)字化信息實驗系統(tǒng)”，簡稱DIS。其在教育部頒布的裝備標(biāo)準(zhǔn)中被稱為“計算機數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)”或“理科綜合／生物／理科綜合實驗微機接口及輔助教學(xué)系統(tǒng)”，它是計算機信息技術(shù)應(yīng)用到理科實驗中的一種現(xiàn)代化實驗平臺。《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2022年版）旨在培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生掌握基本的科學(xué)方法，具有初步的探究實踐能力和初步的技術(shù)與工程實踐能力。而探究實踐作為科學(xué)學(xué)習(xí)的主要方式，對于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、思維能力、探究能力有很重要的作用，教師如何根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)內(nèi)容，利用傳感器等數(shù)字化實驗器材更好地引導(dǎo)學(xué)生進行實驗探究，就顯得尤為重要。傳感器等數(shù)字化實驗器材的使用有利于教師突破教學(xué)重難點、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、開闊學(xué)生的視野。傳感器能提高實驗測量的精度和速度，使實驗現(xiàn)象更加形象，是常規(guī)實驗儀器所做不到的，也是一種深層次的信息技術(shù)與傳統(tǒng)實驗的整合。這在教學(xué)中，不僅增強了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對科學(xué)的喜愛，還能使學(xué)生比較牢靠地掌握所要學(xué)習(xí)的知識，并進一步領(lǐng)略到現(xiàn)代科學(xué)實驗的技術(shù)和手段。

一、數(shù)字化實驗在小學(xué)科學(xué)實驗探究中應(yīng)用的優(yōu)點

科學(xué)實驗對學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)與創(chuàng)新、從科學(xué)角度分析事物之間存在的聯(lián)系與規(guī)律、用科學(xué)方法解決問題等方面有重要作用。小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)以探究實踐為核心，學(xué)生在自主探究實踐中收獲相應(yīng)的科學(xué)知識，得到科學(xué)思維能力的提升與核心素養(yǎng)的發(fā)展。數(shù)字化實驗與科學(xué)實驗教學(xué)相結(jié)合，對提高學(xué)生科學(xué)探究能力有很大的幫助。

（一）培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力

相較于傳統(tǒng)實驗，數(shù)字化實驗可以最大程度地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，讓學(xué)生在自己動手操作的過程中，自己分析數(shù)據(jù)、觀察現(xiàn)象，理解其中蘊含的實驗原理，得出結(jié)論。學(xué)生利用實驗得出結(jié)論，應(yīng)用于實際并自主解決問題，充分發(fā)揮自主性，培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)造能力，其思維認識發(fā)展能力也可以得到提升。

（二）實驗結(jié)果更準(zhǔn)確

數(shù)字化實驗以計算機信息系統(tǒng)運行，傳感器和采集器使實驗獲取的數(shù)據(jù)更精確。由機器替代人工讀取，在一定程度上避免了學(xué)生人手不足、讀取時間錯誤導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯等等原因所帶來的實驗誤差。同時，數(shù)字化實驗根據(jù)數(shù)據(jù)自動生成圖像，學(xué)生可以更直觀地實時觀察到數(shù)據(jù)的變化，增加實驗數(shù)據(jù)的精確度和實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

二、傳統(tǒng)實驗的不足

小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)基本圍繞探究實踐展開，在大多數(shù)的教學(xué)中都需要學(xué)生完成實驗活動。在傳統(tǒng)的科學(xué)實驗教學(xué)中，學(xué)生通過自己動手參與實驗的過程，獲得科學(xué)知識，解決實驗問題，提高學(xué)習(xí)能力和自主學(xué)習(xí)能力，促進核心素養(yǎng)的發(fā)展。同時，傳統(tǒng)實驗也培養(yǎng)了學(xué)生了解、正確使用實驗器材的能力，但在此過程中，也存在一些不足。

（一）部分實驗數(shù)據(jù)不夠精確

在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，“物質(zhì)與能量”部分對于實驗數(shù)據(jù)的精確度要求較高，失之毫厘，差之千里。而在現(xiàn)實的科學(xué)教學(xué)中，實驗操作、實驗數(shù)據(jù)的記錄與分析基本都要依靠學(xué)生自己手動完成，受人為因素的影響大，在觀察記錄的過程中往往會出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差，導(dǎo)致實驗結(jié)果不準(zhǔn)確。同時，實驗器材的精確度也會影響實驗結(jié)果，器材的分度值范圍具有局限性，數(shù)據(jù)精確度也會降低。

（二）部分實驗效率較低

小學(xué)科學(xué)實驗中的瞬發(fā)性實驗對學(xué)生的注意力以及操作有所要求，人為因素影響很容易造成學(xué)生錯過重要的實驗現(xiàn)象，導(dǎo)致從頭再來。一些需時較長的實驗，其操作時間也會相應(yīng)拉長，造成實驗現(xiàn)象觀察以及數(shù)據(jù)分析部分會被操作過程的時長所占，導(dǎo)致實驗重心偏移。

三、數(shù)字化實驗在小學(xué)科學(xué)實驗探究中應(yīng)用的實踐

本文在小學(xué)科學(xué)課堂《光的反射》一課中，運用傳感器進行進一步的實驗探究。

（一）創(chuàng)設(shè)任務(wù)情境，引發(fā)學(xué)生興趣

直接出示已經(jīng)制作完成的光的反射現(xiàn)象玩具，將激光筆從入口射入，猜測光線會從A、B哪個孔出現(xiàn)？觀察現(xiàn)象并思考：為什么光線會從玩具A孔出現(xiàn)？由此引出光的反射現(xiàn)象。通過直接出示制作玩具的任務(wù)，使學(xué)生意識到可通過改變光的行進路徑改變方向，引導(dǎo)學(xué)生思考怎么樣或者利用什么改變光的行進路線。學(xué)生知道了光的反射現(xiàn)象，卻不清楚具體概念，這為后面明確光的反射定義并選擇制作玩具的材料打下了基礎(chǔ)。

教學(xué)片段一：

師出示玩具盒：老師今天帶來了一個玩具，上面有3個孔，分別是入口與對面的A孔以及側(cè)邊的B孔，激光筆的光線從入口進入，會從哪個孔出來呢？

思考A與B孔哪一處的光屏上會出現(xiàn)光斑。

師展示玩具：光線從B孔出來了，為什么？

活動一：

過渡：光線為什么會從B孔出來？

學(xué)生說一說自己的猜測。（里面有鏡片）

過渡：那接下來我們就利用鏡子嘗試使光線從B孔出來，做一做這個玩具。

實驗：小組合作畫出設(shè)計圖并利用激光筆與光屏進行實驗。

交流展示：學(xué)生交流自己的設(shè)計并展示最終結(jié)果。

提問：我們通過擺放鏡片改變了什么？

明確光的反射概念：通過改變光的行進路線完成要求，光線照射到物體表面后會折返，這種現(xiàn)象叫作光的反射。

（二）明確任務(wù)，展開數(shù)字化實驗

學(xué)生在親歷光的反射玩具之后，發(fā)現(xiàn)問題并需想辦法解決問題：如何改進玩具以減弱光線強度，保證用眼安全？傳感器的出現(xiàn)可以很好地解決問題，利用光強傳感器，測試反射出的光線的強度大小，對比數(shù)據(jù)分析選擇出最適合制作玩具的材料。

教學(xué)片段二：

活動二：

過渡：在嘗試使光線從B孔出來的過程中你有什么感受？人眼可接受的光強度應(yīng)＜2000Lux，介紹光強傳感器，測試鏡片反射出的光線強度是多少。

談話：55000Lux遠超出安全范圍，怎么改進玩具，減弱光線強度，保證用眼安全？

學(xué)生思考如何改變光線的強弱（反射次數(shù)、顏色、材料……）。

談話：今天這節(jié)課我們就先來研究材料。你能想到什么材料？為什么用這些材料來替換？（出示材料）這些材料可以幫助你們研究嗎？你覺得哪個材料最符合要求？怎么設(shè)計實驗？

學(xué)生小組討論并分享交流。

實驗：學(xué)生利用光強傳感器，測試各材料從B孔反射出來后的光線強度數(shù)值，分析數(shù)據(jù)，選擇最符合要求的材料。制作最終玩具。

匯報交流：總結(jié)我的發(fā)現(xiàn)，表面越光滑的物體，反射效果越好。

通過制作玩具，學(xué)生自己動手測試，認識到鏡片可以改變光的行進路線，初步認識光的反射。在匯報交流之后明確光的反射定義，在做中學(xué)，體會科學(xué)研究的過程，激發(fā)科學(xué)探究的興趣，符合學(xué)生的發(fā)展水平和認知特性，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情被激發(fā)，能順利完成操作。

課本上強調(diào)材料表面的光滑與粗糙，至于究竟有多大的區(qū)別，學(xué)生經(jīng)常使用最直觀的方式——用眼睛去觀察。但在這個實驗中，需要對比不同材料反射光的效果，那么，如何對比？用眼睛觀察能否保證實驗的精準(zhǔn)？這時，可利用傳感器測量不同材料反射光的效果，將感官轉(zhuǎn)化為更直觀的數(shù)據(jù)，提高實驗的精確性。并且，直觀地使用眼睛觀察光線強弱以判斷物體反射光線的強度往往具有主觀性，因而就會出現(xiàn)各種不同的卻又無法得到解決的問題。而利用數(shù)字傳感器，在一節(jié)課的時間內(nèi)將問題通過直接的數(shù)據(jù)得到解決，實驗效率也大大地得到了提高，學(xué)生在做實驗上的時間減少，就有足夠多的自主思考和交流的時間。

數(shù)字傳感技術(shù)因其具備很高的靈敏度，可用于捕捉實驗中的微弱變化，同時，它能夠連續(xù)采樣，具有很強的數(shù)據(jù)收集和處理能力，能以數(shù)據(jù)或圖形形式實時呈現(xiàn)實驗結(jié)果。利用光敏傳感器，將光線反射在不同材料表面，通過感應(yīng)端，將光的反射效果數(shù)字化，學(xué)生讀取顯示屏上的數(shù)據(jù)，很容易就能得出結(jié)果，通過整理、分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論。

（三）分析數(shù)據(jù)，層層遞進

學(xué)生對比分析數(shù)據(jù)，得到最適合用于改進玩具的材料，認識到物體表面光滑程度會影響光的反射效果。學(xué)生在實驗過程中，想辦法改變光線強度，進一步對比觀察幾組反射物材料，發(fā)現(xiàn)物體表面越光滑，反射效果越好，在自主學(xué)習(xí)中歸納光的反射規(guī)律。最后，他們互相評價了解還有很多其他原因會影響光的反射，加深了對光的反射概念和規(guī)律的理解，課后，讓學(xué)生繼續(xù)尋找生活中的光的反射，提出“光污染”等現(xiàn)實生活中的問題，延續(xù)學(xué)習(xí)。

教學(xué)片段三：

活動三：

過渡：我們成功改進了玩具，做得怎么樣呢？有沒有達標(biāo)呢？請按照這份評價表對你們的玩具進行公正評價，并根據(jù)今天這節(jié)課上自己的表現(xiàn)，完成小組合作評價表。

為什么大家都是按要求制作的，評價結(jié)果卻有不同呢？在分析數(shù)據(jù)時，學(xué)生發(fā)現(xiàn)，黑色塑料片與白色塑料片雖然都是塑料片，但它們反射光的效果的數(shù)據(jù)卻有差別，這時就又引出了另外一個影響光的反射效果的因素：相同材料不同顏色的物體，反射光的效果如何？由不同材料轉(zhuǎn)向相同材料不同顏色，實驗探究不斷深入，提高了學(xué)生的思維水平與科學(xué)探究能力。

利用數(shù)字化實驗優(yōu)化科學(xué)實驗教學(xué)，將實驗生動化、形象化、直觀化，激發(fā)學(xué)生的好奇心，學(xué)生能夠更好地掌握科學(xué)知識，并將科學(xué)知識與實際生活聯(lián)系起來，完成知識的內(nèi)化。同時，可讓科學(xué)學(xué)習(xí)更簡便，學(xué)生在實驗過程中不斷發(fā)現(xiàn)新問題，強化自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)自己的科學(xué)思維能力。

四、結(jié)語

數(shù)字傳感器的使用讓科學(xué)課堂更精彩，實驗操作更便捷，實驗過程更規(guī)范，實驗結(jié)果更直觀，有效培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)、嚴謹?shù)膽B(tài)度。但是，完全放棄傳統(tǒng)實驗教學(xué)的確定性，過度依賴傳感器等數(shù)字化實驗器材，會減弱學(xué)生自主思考的能力，弱化學(xué)生的操作、記錄等重要能力的培養(yǎng)，學(xué)生會跳過更加重要的實驗設(shè)計過程，摒棄更加重要的實驗原理。所以，教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)，合理、恰當(dāng)?shù)夭捎脭?shù)字化實驗，才能將數(shù)字化教學(xué)的益處最大化。

參考文獻

[1]錢揚義，鄧峰.數(shù)字化化學(xué)探究實驗室的建設(shè)與學(xué)生探究能力的培養(yǎng)[J].中國電化教育，2006（11）：49-52.

[2]姚麗萍.傳感器在力學(xué)實驗中的應(yīng)用[J].科技視界，2012（17）：116-117.

[3]徐睿.數(shù)字化實驗的發(fā)展及建議：從全國化學(xué)實驗教學(xué)創(chuàng)新參展作品說開去[J].中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2020（8）：10-13.