DIS融入小學科學物質領域的教學實踐

小學科學倡導探究性學習，探究活動是科學學習的重要方式。課堂上，學生親歷動手、動腦等實踐活動，理解基本的科學知識，解決實際生活中的簡單問題。在傳統探究活動中，常由于測量工具不到位，導致獲取數據不精確，實驗結果出現偏差，進而產生推論不科學、邏輯不嚴密、科學概念建構出現困難等問題。隨著現代教育技術的快速發展，數字實驗系統（文中設備為朗威DISLab，下文統稱DIS）融入課堂成為可能，它采用“傳感器+數據采集器+實驗軟件包+計算機”的機制，克服傳統實驗的諸多弊端，有力支持學生的科學探究。

一、探索DIS融入的常用方式

DIS可以獲得精準的測量數據，操作簡單易上手，為探究實驗提供新的設計思路，將不可見的科學現象通過數據反映出來。

1.數據精準化，突破認知疑惑

小學階段是學生由具體形象思維向抽象邏輯思維的過渡階段，他們更容易接受直觀信息，對于抽象的邏輯推理存在認知困難。在探究活動中，測量數據一旦出現偏差，學生就會做出不合理的推斷。學生難以理解在復雜狀況下的各種干擾因素和操作誤差，這就要求探究活動的流程要相對簡單，測量的數據要更精準。

在學習三年級“水”單元時，學生在“水沸騰了”和“水結冰了”兩個探究活動中，需要利用溫度計測量溫度，以了解水的冰點和沸點。在傳統教學中，由于溫度計的測量數值不夠精準，導致學生對冰點和沸點產生了爭議，課堂教學效果不佳。教師借助DIS讓學生利用傳感器獲取精確的數據，從而清楚地看到溫度的變化，實現科學概念的建構。

在DIS的助力下，學生對“溫度影響水的三態變化”的認知更深刻。學生可以觀測到同一杯水不同位置的溫度也不相同、水在沸騰時溫度保持不變、冰的溫度比水的溫度更低等現象。從不準確到準確、從不可見到可見、從不顯著到顯著，DIS使得測量獲取的數值有質的升華。

2.操作簡易化，降低設計要求

小學階段是學生科學素養快速發展的時期。這一時期，學生的探究能力正處于初級階段，對于步驟較多的探究活動，容易發生錯誤。因此，教師要合理分解復雜的探究活動，讓學生明晰每個步驟的意義，并及時指導，確保他們能分步完成探究活動。

五年級“熱”單元的“熱在金屬中的傳遞”和“哪個傳熱快”兩個活動，由于熱的傳遞過程難以被直接觀測到，實驗需要借助凡士林、蠟油、感溫油墨等材料的輔助。事實上，學生利用凡士林將火柴固定到金屬條上有一定的難度，需要花費較長時間。另外，火柴的固定方式、凡士林的使用數量、火柴與金屬條的接觸面積等因素都會影響實驗的結果，導致學生做出錯誤的判斷。教師可借助DIS讓學生利用溫度傳感器，觀測到金屬條中的溫度變化、不同的金屬受熱之后的溫度變化。在數據的支持下，學生實現了從具象思維到抽象思維的轉變過程，從而建構熱傳遞概念。

3.結果可視化，建構抽象概念

在小學科學的教學中，物質領域的科學概念相對抽象，部分實驗現象難以被直接觀察到，有些探究活動不能通過實驗直接驗證，需要借助模擬實驗，以思維遷移的方式達成認知目標。

在六年級“能量”單元教學中，學生通過測量回形針的數量來判定電磁鐵的磁性強弱。當去掉鐵芯之后，線圈自身無法吸引大頭針，這對學生理解電磁鐵的構造和功能產生不利影響。教師可以借助DIS將看不見的磁場以數據的形式呈現。學生通過數據的變化判斷磁鐵各個部位的磁性強弱變化，感受到磁鐵磁性隨著距離變化而改變，從而建構磁場的思維模型。DIS的數據顯示正負，對應磁場的南北極，可以進一步幫助學生強化磁鐵相關的概念體系。又如“聲音”單元的教學中，DIS可以通過數據呈現聲音的高低，對比聲音振動的頻率，幫助學生建立兩者之間的聯系。DIS將抽象化、不可見的現象以數據方式呈現，讓學生有直觀的認知體驗，幫助他們建立概念體系。

二、做好DIS融入的各種準備

物理概念抽象性強，物質領域是學生的認知難點之一。小學科學物質領域內容主要指向物質的結構與性質、物質的變化與化學反應、物質的運動與相互作用、能的轉換與能量守恒等學科核心概念。在實踐中發現，將DIS融入小學科學教學會帶來新挑戰，如傳感器的數據讀取需要指導，數據獲取的原理需要講解，數據代表的意義需要闡述，等等。面對新挑戰，教師要做好相關準備，探索DIS在小學科學教學中的有效運用。

1.梳理教材，找準融入版塊

教師要對小學科學教材的物質領域內容進行梳理，從教材中尋找適用的版塊，同步準備探究相關配套材料，合理調整和重組教學環節，找準DIS融入的相關內容，借助設備的獨特功能，提升課堂效率。

通過梳理發現，小學科學3～6年級各冊教材（教科版）中都有適用DIS的教學內容（見表1），這表明DIS在小學科學的探究活動中覆蓋面廣、利用率高。教師可以基于學生的認知水平，從單元教學的角度整體規劃，做好DIS融入的籌備工作。

2.優化環節，明確融入路徑

教師可以調整探究環節，使得DIS融入小學課堂的學教活動更舒暢，更契合小學生的認知水平。教師將DIS融入探究環節主要有前置、后置和置換三種不同的方式（見表2）。前置的作用在于鋪墊，利用傳感器對現象進行解析，通過數據強化現象的說服力。如利用傳感器測試酒精燈火焰的溫度，利用傳感器測試陽光直射和斜射時溫度的變化等。后置旨在突破認知，學生在探究活動中獲得初步的認知體驗的基礎上，利用DIS獲取的數據達成對原探究活動的強化作用，鞏固科學概念。置換是指利用DIS替換原先的測量工具，當其他測量工具無法獲得精準的數據時，利用傳感器達到“破冰”效果。

將DIS融入教學，教師不僅要考慮探究環節的安排，還要考慮學生的體驗感受，激發他們的探究欲望。教學四年級“聲音”單元時，尺子和橡皮筋的振動可以被學生直接觀察到，鼓面振動通過觀察鼓面上微小物品的跳動來證實，音叉則需要放入水中，觀察水面的波動。而借助DIS，學生能獲取直觀的數據，從而突破認知瓶頸，有效建立振動幅度和聲音強弱之間的聯系。

3.備好材料，豐富融入方式

DIS在小學科學課堂上的使用，需要相關教學器具的輔助，合適的材料有利于更好地發揮DIS的效果。教師基于小學生的認知特點，對探究活動的配套材料進行優化，使得他們能夠獲得準確的數據。學生能否接受傳感器獲取的數據，關鍵在于他們是否明晰數值代表的含義。學習四年級“聲音”單元時，學生對于真空是否能夠傳播聲音心存疑惑，教師將DIS融入教學后，可以同步檢測容器中的空氣含量與聲音的強度，幫助學生建構科學概念。為了讓DIS發揮更好的效果，教師可以在課堂中營造安靜的環境，避免無關聲音被傳感器獲取。

三、打造DIS融入的支持體系

為更好地發揮DIS的功能，教師要構建合理的支持體系，包括資源支持、人員支持、課程支持和評價支持，及時總結成功經驗，讓DIS在后續的教學中發揮更大的作用。

1.統計協同，依托數據發現規律

教師要對DIS獲取的數據進行處理和分析，將數據蘊含的內在規律直觀地呈現出來，引導學生通過邏輯推理得出相應結論，推進探究活動的順利進行。教師在溫度和水的變化、磁鐵的磁性強弱、小車的運動速度等內容的教學中，融入DIS后可獲取直觀數據，利用圖表將數據進行排列和統計，讓學生能清晰地看到數據的規律，從而得出相關結論。DIS和統計軟件結合，可以批量處理信息，提升探究實驗的說服力，同時節省課堂活動的時間。例如，在溫度和水的變化實驗中，溫度傳感器可以每秒采集1個數據，數據采集準確、采集頻率高，將溫度的隱性變化變成顯性數據，并自動轉化為直觀的圖像，進一步提高了課堂效率。

2.單元協同，依托體系形成序列

教師可以將DIS融入單元教學中，采用統一的探究方式，讓學生使用起來更順暢，助力他們建構科學概念。教學“熱”單元時，多個活動都需要測量溫度，學生對DIS經歷了從生疏到熟練的適應過程，在課堂上不斷嘗試，掌握傳感器的使用方法后，課堂效率會顯著提高。

在單元教學中，教師采用“DIS+實物模擬”的方式，可以將動態實驗分解成靜態片段，幫助學生分析數據，建構認知模型。教學“地球的運動”單元時，模擬實驗中直射和斜射帶來的溫度變化很小，學生難以理解地球的位置變化會使陽光照射的角度發生變化，最終導致四季的形成。教師在模擬實驗中融入DIS，可以靈敏地獲取細微數據差別，學生以溫度變化作為證據，詮釋四季成因，實現從具象認識到抽象認識的轉變。

3.拓展協同，依托課堂鏈接生活

除課堂教學外，DIS還可以應用到課外項目活動中，實現課堂內外探究活動的有機融合。在拓展性活動中，DIS突破內容束縛，使用更加靈活。例如：學生為了解學校內各個場所的噪音狀況，利用傳感器測試學校里的噪音狀況；研究一天中影子的變化時，通過測試溫度來研究影長和光照之間的關系；測量不同季節陽光的溫度，進一步探索陽光的照射角度不同；研究光照對植物生長的影響，探索光線強度對植物光合作用的影響；利用測試水的pH傳感器、溶氧量傳感器、水質濁度傳感器等，研究周邊水體的水質問題；等等。

參考文獻

[1]舒俊波.數字化實驗在中小學銜接性科學探究活動中的應用探索[J].中小學數字化教學，2024（01）.

[2]王璐.DISLAB系統在物理實驗教學中的應用[J].內蒙古民族大學學報（自然科學版），2021（03）.

[3]張旺.核心素養目標下“聲音的特性”DISLAB實驗教學活動設計[J].物理教學探討，2021（09）.

[4]馮容士，李鼎.DIS，上海創造——數字化實驗系統研發紀實[M].上海：上海教育出版社，2018.