數字化實驗研析

〔摘" "要〕" 在當今這個科技飛速發展的時代，教育也在不斷尋求創新與變革。本研究聚焦數字化實驗促進學生科學思維發展的教學實踐，闡述了數字化實驗的定義與重要性，介紹了朗威數字化實驗設備等工具與資源在科學教學中的應用，分析其優勢與挑戰。深入探討了科學思維的構成要素以及數字化實驗促進科學思維發展的策略，明確了教師在其中的角色與指導方法。通過教學實踐，驗證了數字化實驗對學生科學思維發展的積極作用，為提升科學教育質量提供了有效途徑。

〔關鍵詞〕" 數字化實驗；朗威數字化實驗設備；科學思維

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）16" " 0064-03

數字化實驗這一先進教學手段正在科學教育領域中逐步扮演重要角色。朗威數字化實驗設備具有準確、高效、直觀等特點，給學生帶來一種嶄新的科學探究體驗。本研究的目的在于深入探究數字化實驗對學生科學思維培養的促進作用，為科學教育改革創新提供實踐依據。

一、數字化實驗的定義與重要性

簡單地說，數字化實驗就是在真實實驗的基礎上，通過綜合運用現代傳感器技術、數據采集系統和計算機分析處理技術等，實現實驗數據精確采集、實時分析和可視化展示等實驗的新方法。這套技術架構，通常被人們簡稱為DIS，也就是所說的數字化信息系統。它不僅大大豐富了實驗手段，也促進了其精確度與效率的提高，還促進了教學方法的改革，使其在當代科研、教育以及工業生產等領域都成為不可缺少的重要手段。在數字化的實驗環境中，傳統的實驗設備已被高精度的傳感器所取代，這些傳感器能夠實時捕獲實驗過程中各種科學實驗參數的變化，例如溫度、壓力、電壓、電流和pH值、氧氣濃度等等，把本來很難直接觀察和測定的實驗現象變成了可以定量的信息。數據采集器承擔著從這些傳感器中接收信號并把它們轉換成計算機能識別的數字信息的任務，然后，通過專用軟件平臺對這些數據進行分析和處理，既可迅速地計算實驗結果，又可將實驗規律用圖表和曲線直觀地顯示出來，使得實驗現象變得更清楚明了。

數字化實驗有很多意義。一是明顯提高實驗的準確性與可靠性。傳統實驗在學生讀數、記錄與計算等環節都很難避免錯誤，數字化實驗通過自動化的數據采集與分析可有效降低此類錯誤，保證實驗數據客觀準確。二是大大提高實驗效率。自動化的采集與分析過程極大地縮短了實驗的時間，使學生能夠更快得到實驗結果，加快課堂教學的進程。三是為實驗教學現代化發展提供強有力的支持。通過模擬仿真實驗，學生能不受時空限制地重復實踐實驗操作、深刻理解實驗原理、發展科學思維能力。

二、數字化實驗在教學中的應用

（一）數字化實驗工具與資源

數字化實驗工具與資源對現代科學教育起著關鍵作用。通過將傳感器、數據采集器、計算機及專用分析軟件整合在一起，可使科學實驗更準確、更有效。朗威數字化實驗設備涉及各種傳感器，例如溫度傳感器、聲波傳感器和光電門傳感器，可以實時地捕獲實驗中各種物理量的變化情況，并將其轉換成數字信號，經數據采集器輸送給計算機。計算機上的朗威軟件可以處理這些數據，生成直觀的數據和圖表，從而幫助學生更好地理解實驗現象和原理。比如，在不同金屬的導熱性實驗中，軟件不僅能實時記錄金屬溫度的數據，還能通過圖像對比同一時間不同金屬的溫度，幫助學生更直觀地理解熱在不同金屬中的傳遞規律。

（二）數字化實驗在教學中的應用

數字化實驗在科學學科中的應用非常廣泛，涵蓋了聲學、熱學、磁學、光學、電學、生命科學等多個領域。如，聲波傳感器能夠將聲音的大小、強弱以波形圖的形式展示出來，幫助學生構建聲音傳播的模型。氧氣傳感器、二氧化碳傳感器配合使用，能夠記錄植物長時間在密閉環境中相應氣體濃度的變化，把光合作用中氣體的變化數據化，有助于直觀理解光合作用的“原料”和“產品”。

（三）數字化實驗的優勢與挑戰

數字化實驗與傳統實驗相比有很多的優點，但也存在一定的挑戰。數字化實驗具有如下優點：一是實驗精確度高，效率高。通過使用傳感器及數據采集器，數字化實驗可以實時地捕捉到實驗中各物理量的變化情況，降低學生人為誤差對實驗結果的干擾。二是豐富教學手段，充實教學資源。數字化實驗設備為教師提供大量實驗模板與教學資源，有利于教師進行實驗設計與教學活動組織，還能為學生自主學習提供契機。

但數字化實驗同時也遇到了一定的挑戰。一是數字化實驗設備有一定專業性，部分教師對操作有畏難情緒，二是數字化實驗對教師提出了更高的技術要求。這就要求教師必須有鉆研和創新精神，才能夠發揮數字化實驗應有的優越性。

三、學生科學思維的培養與數字化實驗的結合

（一）科學思維的構成要素

《義務教育科學課程標準（2022年版）》指出，科學思維是從科學的視角對客觀事物的本質屬性、內在規律及相互關系的認識方式，主要包括模型建構、推理論證、創新思維等?？茖W思維不僅包含了抽象性，還融合了形象性，在這兩者之間，抽象思維扮演著至關重要的角色，而形象思維則起到了引導和啟發的作用。

例如，當學生使用pH傳感器測量醋和可樂的pH值時，通過對比和分析實驗中獲得的數據，他們能夠超越自己原有的感官體驗，從而抽象出一個具體的概念，即可樂的酸度實際上比醋還要高。這種通過實驗數據得出的直觀結論，不僅能夠極大地激發學生學習科學的興趣，還能有效地培養他們的觀察力和分析能力。通過這種方式，學生能夠在實踐中學會如何運用科學思維探索和理解周圍世界，從而在科學的道路上不斷前行。

（二）開展數字化實驗發展學生科學思維的策略

數字化實驗對推動科學思維的發展有著顯著的優勢。教師在進行數字化實驗時，可以從課前、課中和課后三個環節引導學生進行數字化實驗操作，從學生認知過程的各個環節提高其科學思維。

一是在數字化實驗課前，教師會為學生安排預習作業或者要求他們復習相關的知識內容。這種預習作業通常以導學單的形式呈現，旨在設計一些與日常生活緊密相關的問題，以此激發學生的思考和探究欲望。例如，在探討蠟燭燃燒過程中空氣成分的變化時，教師會布置課前作業，要求學生思考并回答以下問題：當我們在家中使用燃氣灶進行烹飪時，燃燒過程中空氣的成分會發生哪些變化？此外，教師還會進一步引導學生思考，如果有一個興趣小組想要測量空氣成分的變化，他們應該使用哪種類型的傳感器進行這項實驗？通過這樣的預習作業，學生不僅能夠提前了解即將進行的實驗內容，還能夠培養他們的實際操作能力和科學探究精神。

二是在數字化實驗課程中，教師通過課堂學習任務評價單的形式，為學生提供了一系列實驗問題支架。這些支架旨在引導學生逐步構建起完整的實驗知識體系。教師鼓勵學生以小組為單位，進行分工合作，共同組裝和操作數字化實驗器材。學生通過這種方式，不僅能夠親身體驗實驗過程，還能在實驗結束后，對觀察到的實驗現象和得出的實驗結論進行分享和討論。此外，每個小組還需進行展示匯報，向全班同學展示他們的實驗成果和學習心得。例如，在進行水的蒸發實驗時，學生需共同探討和決定使用涼水、溫水還是不同濃度的酒精作為實驗材料。他們還需要決定溫度傳感器應該在什么時間開始計時，以及設計合適的時間間隔來記錄數據。在實驗過程中，學生們還需考慮如何放置傳感器，以確保數據的準確性和可靠性。通過這一系列精心設計的問題支架，他們能夠更好地克服數字化實驗過程中可能遇到的難點和挑戰。

這些支架不僅有助于學生在實驗過程中逐步構建起對水蒸發模型的思維框架，還能夠培養他們的團隊合作能力、問題解決能力和科學探究能力。通過這種互動和合作的學習方式，學生們能夠更深入地理解實驗原理，提高科學素養和綜合素質。

三是在數字化實驗課程結束后，教師應安排一些具有指導性的活動，以幫助學生總結實驗過程中的規律性發現，并構建合理的解釋框架。同時，引導學生對實驗中出現的誤差進行深入反思和分析。例如，在進行關于水蒸發的實驗時，教師可以設計一些具有挑戰性的問題，激發學生思考。

例如，可以提出這樣的問題：“在實驗過程中，為什么有的小組發現溫度傳感器的示數并沒有按照預期下降，反而出現了上升的現象？可能是什么原因導致了這種現象？”通過這樣的問題，學生被鼓勵主動去查閱相關資料，深入分析實驗數據，從而得出可能的解釋。他們會發現，這種現象可能是由于熱傳導作用在實驗過程中超過了水蒸發作用，導致溫度傳感器的示數上升。此外，也有可能是實驗所使用的軟件出現了故障，導致讀數不準確，從而產生了誤差。通過這樣的指導性活動，學生不僅能夠更好地理解實驗原理，還能夠學會如何在面對實驗誤差時進行科學分析和處理。

（三）教師在數字化實驗中的角色與指導方法

教師在數字化實驗中扮演著至關重要的角色。他們不僅是知識的傳遞者，更是學生在學習過程中不可或缺的引導者和合作者。為了有效地引導和輔助學生，教師必須熟練掌握數字化實驗設備的使用方法以及數據分析技巧。此外，教師還需精心設計具有挑戰性和啟發性的學習任務，以激發學生的興趣和創造力。

在開展熱的傳遞規律探究實驗時，教師可以設計一系列遞進式的任務，逐步引導學生深入理解熱傳遞的原理。首先，可以讓學生測量同一根金屬棒不同位置的溫度，通過這種方式，學生可以觀察到熱量在金屬棒內部的傳遞情況。接著，教師可以要求學生測量不同金屬棒在相同位置的溫度，這樣學生可以比較不同材料的導熱性能。最后，教師還可以引導學生測量距離熱源不同位置的空氣溫度，從而讓學生了解熱輻射的傳遞規律。

這些遞進式的任務，讓學生不僅可以通過觀察和測量收集數據，還可以運用分析、比較和歸納等多種方法，深入探索和理解熱傳遞規律。這樣的實驗設計不僅能夠激發學生的學習興趣，還能培養他們的科學探究能力和實驗操作能力。教師在這一過程中起到至關重要的橋梁作用，幫助學生將理論知識與實踐操作相結合，從而達到更好的學習效果。

通過數字化實驗促進學生科學思維發展這一教學實踐研究發現，數字化實驗在科學教育中大有可為。數字化實驗傳感器為學生開啟了一扇全新的科學探究之門，可讓學生對科學概念有更深刻的認識，促進其科學思維的發展。在今后的教學中，仍要不斷探索數字化實驗和科學思維培養之間的最佳融合途徑，并持續優化教學策略，助力學生科學素養的提高和全面發展。

參考文獻

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