數(shù)字化賦能小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)路徑研究

0 引言

小學(xué)科學(xué)教育強調(diào)學(xué)生的親身體驗和實踐操作，教師組織實驗探究等實踐活動，使學(xué)生參與科學(xué)探究全過程，感受科學(xué)知識的產(chǎn)生，提高科學(xué)探究能力[1]。小學(xué)科學(xué)實驗具有啟蒙性、綜合性和實踐性的特點，是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識的開端，能夠激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的興趣。同時，小學(xué)科學(xué)實驗課程融合了多學(xué)科的知識與方法，涵蓋生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)等領(lǐng)域的內(nèi)容，學(xué)生需要從多維度、綜合性的視角去認識事物和探究問題。數(shù)字技術(shù)為小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)帶來全新的模式，也為學(xué)生創(chuàng)造了全新的體驗。教師要主動應(yīng)用數(shù)字技術(shù)手段，在數(shù)字化賦能下創(chuàng)新實驗教學(xué)方法，構(gòu)建新型實驗教學(xué)模式。

1數(shù)字化賦能小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)的優(yōu)勢

1.1增強科學(xué)實驗的趣味性

數(shù)字化賦能小學(xué)科學(xué)可以讓實驗更加生動和形象，吸引學(xué)生注意力。利用數(shù)字技術(shù)手段可以將科學(xué)實驗的內(nèi)容以動畫和視頻等直觀方式呈現(xiàn)出來。比如在開展與太陽系有關(guān)的科學(xué)實驗活動時，教師可以在數(shù)字技術(shù)的支持下使用3D動畫向?qū)W生展示太陽系中行星的大小、特征和運行軌跡，絢麗的色彩和動態(tài)的畫面深深吸引學(xué)生的注意力，讓他們主動參與實驗，探索宇宙的奧秘。

在融合應(yīng)用數(shù)字技術(shù)的情況下，教師還可以借助實驗軟件營造逼真的實驗情境，為學(xué)生創(chuàng)造身臨其境的學(xué)習(xí)體驗，增強實驗課程的趣味性。比如在模擬火山噴發(fā)的科學(xué)實驗中，教師可以利用實驗軟件展示火山噴發(fā)的壯觀場景，使學(xué)生真實地感受火山噴發(fā)，認識自然力量的強大。在有趣的實驗場景中，學(xué)生對所學(xué)知識產(chǎn)生期待感，主動參與后續(xù)的學(xué)習(xí)活動[2]。

1.2突破實驗教學(xué)的重難點

在數(shù)字技術(shù)的支持下，小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)效果顯著增強。科學(xué)是一門綜合性學(xué)科，在實驗探究過程中會涉及一些微觀世界或者宏觀宇宙的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象大多是學(xué)生無法直接觀察到的，僅僅通過教師的口頭講解也難以理解。基于數(shù)字技術(shù)，教師可以在實驗教學(xué)中運用動畫模擬、動畫演示等方式展現(xiàn)微觀或者宏觀現(xiàn)象，幫助學(xué)生深化對相關(guān)知識點的理解。如在觀察細胞結(jié)構(gòu)科學(xué)實驗中，教師可以利用多媒體設(shè)備向?qū)W生展示電子顯微鏡拍攝的微觀圖像，配合動畫演示講解植物細胞和動物細胞的結(jié)構(gòu)特點，介紹各種細胞器的形態(tài)與功能。通過這種方式，學(xué)生對細胞的生命活動形成直觀認識，對細胞結(jié)構(gòu)留下深刻印象。

還有一些科學(xué)實驗涉及抽象的概念和原理，學(xué)生理解起來有難度。在數(shù)字技術(shù)手段的支持下，教師可以將這些抽象的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為直觀的視覺信息。比如在摩擦力主題的實驗教學(xué)中，摩擦力的概念和影響因素是教學(xué)重點，也是難點所在。教師可以使用數(shù)字動畫演示兩個物體接觸表面的微觀結(jié)構(gòu)，呈現(xiàn)摩擦力產(chǎn)生的過程。這樣一來，學(xué)生既可以理解摩擦力的概念，也可以從摩擦力產(chǎn)生的角度思考摩擦力大小的影響因素。

1.3培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)技能

1.3.1數(shù)字化工具的使用有利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維和實驗探究能力

數(shù)字化工具在小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)中的使用，可以為學(xué)生的科學(xué)探究創(chuàng)造條件。在開展科學(xué)實驗時，教師可以在實驗數(shù)據(jù)收集與分析環(huán)節(jié)使用智能傳感器和智能分析軟件，做到對數(shù)據(jù)的準確獲取與快速處理[3]。比如在物體的摩擦力實驗中，教師可以使用智能傳感器精準測量不同材質(zhì)表面與物體之間的摩擦力大小，然后使用軟件對摩擦力數(shù)據(jù)進行分析，最終以圖表的形式呈現(xiàn)出來。通過這種方式，學(xué)生可以基于科學(xué)思維對摩擦力的影響因素進行探究。

1.3.2數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用可以提高學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)和適應(yīng)社會的能力

將數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)實驗課程，可以讓學(xué)生更早地接觸數(shù)字化技術(shù)，提前適應(yīng)技術(shù)環(huán)境。在課程中，學(xué)生可以了解大數(shù)據(jù)技術(shù)、人工智能技術(shù)、云計算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等先進的數(shù)字技術(shù)，并在教師的引導(dǎo)下合理使用數(shù)字技術(shù)，以辯證的眼光看待數(shù)字化。這不僅可以提升學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)，還可以幫助他們更好地應(yīng)對科技變革帶來的挑戰(zhàn)，為他們今后的成長和發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

2數(shù)字化賦能小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)的路徑

2.1基于智能教學(xué)系統(tǒng)開展個性化學(xué)習(xí)，豐富教學(xué)資源

當前，智能教學(xué)系統(tǒng)是數(shù)字技術(shù)融入小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)的常見形式。智能教學(xué)系統(tǒng)基于大數(shù)據(jù)分析、人工智能等新型技術(shù)手段，可以為教學(xué)活動的開展提供智能化的支持與服務(wù)，典型代表為科大訊飛的星火智能教學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)功能完善，能夠滿足學(xué)生在科學(xué)實驗課程中的學(xué)習(xí)需要，教師可以利用系統(tǒng)組織學(xué)生開展個性化學(xué)習(xí)并推送多樣化的學(xué)習(xí)資源[4]

2.1.1使用智能教學(xué)系統(tǒng)引導(dǎo)學(xué)生進行個性化學(xué)習(xí)

具體來說，教師可以使用系統(tǒng)廣泛收集并深入分析學(xué)生的實驗數(shù)據(jù)，精準了解每一位學(xué)生在科學(xué)實驗課程中的學(xué)習(xí)狀況，明確他們對科學(xué)知識的掌握程度和對實驗操作的興趣偏好等。在此基礎(chǔ)上，教師通過系統(tǒng)的智能化功能為那些理解困難或者頻繁出錯的學(xué)生推送相關(guān)講解視頻、動畫演示、拓展性學(xué)習(xí)資料，幫助他們通過自主學(xué)習(xí)查漏補缺。同時，教師還可以在智能教學(xué)系統(tǒng)的支持下根據(jù)學(xué)生的實驗進度和操作水平為他們量身定制個性化的學(xué)習(xí)計劃。比如在開展植物的生長系列實驗時，可以為學(xué)習(xí)能力強、進度快的學(xué)生設(shè)置“設(shè)計實驗探究植物生長與環(huán)境因素的復(fù)雜關(guān)系”的任務(wù)，為基礎(chǔ)薄弱、進度較慢的學(xué)生設(shè)置“觀察植物的發(fā)芽過程并做好記錄”等簡單任務(wù)。

2.1.2使用智能教學(xué)系統(tǒng)獲取更多的教學(xué)資源

過去，教師在開展實驗教學(xué)時主要圍繞教材提供的資源展開，拓展性的資源較少。在數(shù)字技術(shù)融合應(yīng)用的支持下，教師可以根據(jù)課程內(nèi)容挖掘和使用多樣的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)素材，基于這些素材開展跨學(xué)科實驗教學(xué)，為學(xué)生提供拓展性實驗素材。具體來說，教師可以使用智能教學(xué)系統(tǒng)的教學(xué)資源庫獲取文字、圖片、音頻、視頻、動畫等多種形式的實驗素材，滿足不同教學(xué)環(huán)節(jié)和不同學(xué)生的需要。比如在開展地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)相關(guān)實驗教學(xué)時，教師可以使用智能教學(xué)系統(tǒng)中的動畫演示資源，通過動畫向?qū)W生展示地球在太陽系中的運動軌跡，并講解由此產(chǎn)生的晝夜交替與四季變化現(xiàn)象，不僅可以增強科學(xué)實驗的趣味性，還可以幫助學(xué)生直觀地理解抽象的科學(xué)概念。

2.2基于傳感器技術(shù)增強實驗直觀性，培養(yǎng)科學(xué)探究能力

在數(shù)字化時代，傳感器技術(shù)的使用成為獲取信息的重要手段之一。傳感器技術(shù)能夠?qū)⑽锢砹俊⒒瘜W(xué)量、生物量等非電信號轉(zhuǎn)化為電信號或者其他便于傳輸?shù)男盘枺M而使被測對象更好地被感知和被監(jiān)測。將傳感器技術(shù)用于小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)，可以增強實驗的生動性和直觀性，為學(xué)生科學(xué)探究能力、實踐操作能力的培養(yǎng)創(chuàng)造條件。

2.2.1充分運用傳感器技術(shù)使科學(xué)實驗的過程和結(jié)果變得更為直觀

1）可以依托傳感器技術(shù)實現(xiàn)對實驗數(shù)據(jù)的實時呈現(xiàn)。教師要根據(jù)小學(xué)科學(xué)實驗的不同需求，挑選精準度好、穩(wěn)定性強且設(shè)備性能良好的傳感器，比如，在對溫度變化進行探究的科學(xué)實驗中，要選擇高精度的溫度傳感器；在對物體運動進行探究的科學(xué)實驗中，則要選擇靈敏的速度傳感器。在此基礎(chǔ)上還要配備相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集器、計算機等設(shè)備，這樣才能保證數(shù)據(jù)的準確傳輸和實時顯示。

2）使用傳感器技術(shù)將實驗數(shù)據(jù)直觀呈現(xiàn)，比如利用專業(yè)的數(shù)據(jù)創(chuàng)立軟件將傳感器采集到的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)化為折線圖、柱狀圖等。

2. 2.2 合理運用傳感器技術(shù)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究能力

1）在提出問題與假設(shè)環(huán)節(jié)，要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)傳感器所呈現(xiàn)的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)進行思考。比如在光照對植物生長的影響這一實驗中，教師要向?qū)W生展示光照傳感器收集的植物生長狀態(tài)的數(shù)據(jù)，要求他們在對數(shù)據(jù)進行分析的基礎(chǔ)上找到最適合植物生長的光照強度。

2）在分析結(jié)論環(huán)節(jié)，教師要引導(dǎo)學(xué)生使用科學(xué)的統(tǒng)計方法對傳感器所獲取到的實驗數(shù)據(jù)進行歸納和總結(jié)，在對數(shù)據(jù)進行正確分析的基礎(chǔ)上得出實驗結(jié)論[5]。

3數(shù)字化賦能小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)的保障措施

3.1 配齊硬件設(shè)施，保障實驗教學(xué)順利開展

在硬件設(shè)施方面，學(xué)校要為教師配備數(shù)字化硬件設(shè)備，為數(shù)字技術(shù)的融合應(yīng)用提供支持，如引進實驗軟件為學(xué)生的實驗探究創(chuàng)造條件。同時，學(xué)校要為師生配備充足的平板電腦和筆記本電腦。由于數(shù)字化設(shè)備更新速度較快，學(xué)校還要定期更新硬件設(shè)備，保證優(yōu)良的設(shè)備性能，滿足實際教學(xué)需要。比如，每隔五年對數(shù)字化系統(tǒng)進行升級，使其可以支持更為復(fù)雜的科學(xué)實驗教學(xué)。同時，學(xué)校還要重視對網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的建設(shè)，創(chuàng)造良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。要保證校園網(wǎng)絡(luò)覆蓋所有的科學(xué)實驗室，并確保網(wǎng)絡(luò)寬帶速度滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰Ｒ恍?shù)字化教學(xué)軟件需要實時連接云端服務(wù)器，為保證教學(xué)活動的流暢性，學(xué)校可以采用無線和有線相結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)布局形式，并配備專業(yè)的網(wǎng)絡(luò)維護人員定期對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行檢查。

3.2篩選軟件資源，助力實驗教學(xué)服務(wù)學(xué)生

在軟件資源方面，一方面要篩選和采購優(yōu)質(zhì)的數(shù)字化教學(xué)軟件。學(xué)校可以組織技術(shù)人員和教師對數(shù)字化教學(xué)軟件進行試用和篩選，找到符合小學(xué)科學(xué)課程標準的內(nèi)容準確、畫面質(zhì)感強、功能多樣的軟件。比如在篩選實驗軟件時，要確保軟件功能的完備性，還要保證軟件提供的實驗場景和實驗步驟都符合科學(xué)原理。此外，還要關(guān)注軟件的適用性和趣味性，使其在激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究興趣的同時具有易于操作的優(yōu)點[6]。經(jīng)過對比評估選定數(shù)字化軟件后，學(xué)校還要根據(jù)小學(xué)科學(xué)教學(xué)的實際需要定期更新軟件內(nèi)容和版本。

另一方面要確保課程中使用授權(quán)的數(shù)字化軟件，避免出現(xiàn)侵權(quán)行為。這些軟件在運行過程中會收集學(xué)生的學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)，包括學(xué)習(xí)進度、測試成績等，因此，要關(guān)注軟件的數(shù)據(jù)安全問題。學(xué)校可以與軟件供應(yīng)商簽署數(shù)據(jù)安全協(xié)議，在其中明確數(shù)據(jù)的存儲、使用和保護方式，要求供應(yīng)商將軟件收集的數(shù)據(jù)儲存到符合安全標準的服務(wù)器上，不能用于商業(yè)用途。

3.3提升教師能力，促進實驗教學(xué)改進完善

為使數(shù)字技術(shù)在小學(xué)科學(xué)課程教學(xué)中發(fā)揮應(yīng)有的作用，教師要提高自身能力，在教育理念層面進行創(chuàng)新。

3.3.1 構(gòu)建完善的教師培訓(xùn)體系

學(xué)校應(yīng)圍繞數(shù)字技術(shù)基礎(chǔ)知識和應(yīng)用面向科學(xué)教師開展培訓(xùn)活動，幫助教師將數(shù)字技術(shù)融入小學(xué)科學(xué)實驗課程教學(xué)，如引導(dǎo)教師使用智能輔導(dǎo)系統(tǒng)開展個性化實驗教學(xué)，組織學(xué)生使用實驗軟件開展實驗探究，等等。培訓(xùn)方式主要包括校內(nèi)培訓(xùn)、校外講座、在線課程學(xué)習(xí)等，幫助教師更新知識、提高能力[7]

3.3.2 建立教師激勵機制

學(xué)校應(yīng)鼓勵教師在教學(xué)實踐中不斷探索數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用方法，為那些主動融合應(yīng)用數(shù)字技術(shù)對小學(xué)科學(xué)實驗課程進行創(chuàng)新的教師提供資金支持，并在評優(yōu)評先中將數(shù)字化教學(xué)應(yīng)用成果作為考核指標，從而激發(fā)教師的創(chuàng)造性，提高他們運用數(shù)字技術(shù)開展實驗教學(xué)改革的主動性。

4結(jié)束語

實驗是小學(xué)科學(xué)課程教學(xué)的重要手段。數(shù)字技術(shù)能夠?qū)⒏黝愋畔⑥D(zhuǎn)化為數(shù)字形式，不僅為小學(xué)科學(xué)實驗提供豐富多樣的教學(xué)資源，還對實驗內(nèi)容和實驗形式的呈現(xiàn)方式進行創(chuàng)新。在數(shù)字化賦能下，教師要在小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)中合理運用智能教學(xué)系統(tǒng)、傳感器技術(shù)、實驗軟件等不斷優(yōu)化教學(xué)效果，提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

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