數(shù)字技術(shù)支持下的小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)優(yōu)化設(shè)計(jì)

科學(xué)探究作為培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的重要路徑，其成效高度依賴于實(shí)驗(yàn)教學(xué)這一關(guān)鍵載體。當(dāng)學(xué)生親身經(jīng)歷假設(shè)、推理與驗(yàn)證的完整過程時(shí)，科學(xué)概念的深層理解與方法掌握才能真正實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前，“雙減”政策的縱深推進(jìn)與數(shù)字校園建設(shè)的蓬勃發(fā)展，為小學(xué)科學(xué)教師創(chuàng)造了獨(dú)特的時(shí)代語境：既要運(yùn)用批判性思維整合資源，設(shè)計(jì)高效直觀的實(shí)驗(yàn)活動(dòng)以實(shí)現(xiàn)課堂提質(zhì)增效；又要把握數(shù)字技術(shù)與學(xué)科教學(xué)深度融合的契機(jī)，革新傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。“聲音的傳播”作為小學(xué)科學(xué)課程的經(jīng)典主題，承載著幫助學(xué)生理解聲波振動(dòng)特性及其介質(zhì)傳播規(guī)律的重要使命。然而，該實(shí)驗(yàn)長期受困于多重技術(shù)限制，難以有效支撐科學(xué)概念的建構(gòu)與核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。本文通過剖析教材設(shè)計(jì)的局限，梳理教師的改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)及不足，最終依托學(xué)校現(xiàn)有數(shù)字資源，開發(fā)出具有突破性的“發(fā)音一接收”數(shù)字化實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置通過聲源精準(zhǔn)控制與信號(hào)量化接收，徹底解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中的干擾難題，使實(shí)驗(yàn)過程更具嚴(yán)謹(jǐn)性、結(jié)果更具客觀性。以下將系統(tǒng)闡述該裝置的設(shè)計(jì)邏輯、實(shí)施路徑及其在培養(yǎng)科學(xué)思維與證據(jù)意識(shí)方面的教學(xué)價(jià)值，為小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供可復(fù)制的實(shí)踐范式。

一、現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的不足

在《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱“課標(biāo)”）[中，“聲音的傳播”是“物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)與相互作用”這一核心概念在小學(xué)三、四年級的重要學(xué)習(xí)內(nèi)容。課標(biāo)在學(xué)業(yè)要求中明確指出，通過該內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生“能說明聲音可以在不同物質(zhì)中傳播”。在課標(biāo)中，“聲音的傳播”教學(xué)內(nèi)容安排在中年級。學(xué)生要在知道聲音由振動(dòng)產(chǎn)生的基礎(chǔ)上，研究聲音的傳播特點(diǎn)。在教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)教材中對于“聲音可以在不同介質(zhì)中傳播”和“聲音在不同介質(zhì)中的傳播效果不同”實(shí)驗(yàn)的教學(xué)設(shè)計(jì)存在若干問題。

（一）介質(zhì)純凈度不足導(dǎo)致驗(yàn)證失真

在驗(yàn)證“聲音可在水中傳播”時(shí)，教材通常采用浸人式音叉或密封手機(jī)置于水槽的聽聲方案。這種設(shè)計(jì)存在根本性科學(xué)漏洞：學(xué)生接收的聲音信號(hào)實(shí)際經(jīng)歷了“水 - 玻璃 - 空氣”的多介質(zhì)傳導(dǎo)過程。真正科學(xué)的驗(yàn)證應(yīng)確保聲源發(fā)射器與信號(hào)接收器處于同一介質(zhì)環(huán)境中，避免傳導(dǎo)路徑污染。這種介質(zhì)混雜現(xiàn)象導(dǎo)致學(xué)生建立的“液體傳聲”概念存在認(rèn)知偏差。

（二）量化機(jī)制缺失制約效果對比

針對傳播效果差異的驗(yàn)證，主流方案存在三重困境：其一，“人耳貼桌聽聲”實(shí)驗(yàn)中，聲音需經(jīng)“桌面-空氣 - 耳膜”的多介質(zhì)傳導(dǎo)；其二，“密封袋聽聲”方案雖嘗試控制介質(zhì)變量，但“同等力度敲擊”無法實(shí)現(xiàn)精確量化控制；其三，人耳生理局限難以識(shí)別細(xì)微聲強(qiáng)差異。這三種局限共同導(dǎo)致“固體傳聲效果優(yōu)于氣體”的關(guān)鍵結(jié)論缺乏實(shí)證支撐。當(dāng)學(xué)生無法獲得可測量的數(shù)據(jù)時(shí)，科學(xué)概念的建構(gòu)便如同空中樓閣。

二、破解 “聲音的傳播” 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)實(shí)困境的歷程回顧

從核心概念建構(gòu)的角度來看，“聲音的傳播”主要包括兩方面的教學(xué)內(nèi)容：一是聲音可以在水、空氣、固體等不同介質(zhì)中傳播；二是聲音在不同介質(zhì)中的傳播效果不同。如何引導(dǎo)學(xué)生親歷實(shí)驗(yàn)探究，理解科學(xué)現(xiàn)象，建構(gòu)核心概念？諸多教師進(jìn)行了嘗試。

早期，教師非常注重緊密聯(lián)系學(xué)生在生活中的感性認(rèn)知，通過啟發(fā)學(xué)生積極思考與交流的方式，“梳理”出聲音傳播的特點(diǎn)。例如在21世紀(jì)之初，關(guān)于“聲音能在哪些物體中傳播”的教學(xué)中往往出現(xiàn)這樣的場景：學(xué)生A提出“在盛水的水槽中敲擊兩塊石頭能聽到聲音，所以液體可以傳播聲音”；而B同學(xué)認(rèn)為，“聲音不光是通過水傳播的，因?yàn)樵谒投渲g還有空氣”；更有C同學(xué)進(jìn)一步進(jìn)行更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治觯安粚Γ€有玻璃水槽，聲音是通過水、玻璃水槽、空氣三種物質(zhì)傳到我們耳朵里的。”教師提出，通過這樣的思維論證，可以得出聲音可以通過固體、液體、氣體傳播的結(jié)論[2。學(xué)生在熱烈討論中展現(xiàn)出質(zhì)疑與求真的科學(xué)精神，值得肯定。然而，教師還應(yīng)進(jìn)一步思考如何引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行深度探究。僅讓學(xué)生結(jié)合生活經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析是不夠的，教師應(yīng)通過創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情境，引導(dǎo)他們參與實(shí)際的實(shí)驗(yàn)觀察活動(dòng)，并基于實(shí)證數(shù)據(jù)得出科學(xué)結(jié)論，從而培養(yǎng)他們的證據(jù)意識(shí)。

隨著教學(xué)理念的更新，很多教師認(rèn)識(shí)到，關(guān)于聲音的傳播實(shí)驗(yàn)教學(xué)，由于在現(xiàn)實(shí)生活中接收到的聲音往往經(jīng)過氣體、固體等多種介質(zhì)疊加，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)條件控制等方面存在一定困難，往往難以采用控制變量法進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，這在一定程度上影響了該內(nèi)容教學(xué)中學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的達(dá)成[3]。

有教師自制聲音傳播效果采集器，通過將3個(gè)聲音傳播效果采集器（由噪聲器改裝）分別插入裝有空氣、水、沙子的塑料瓶中，用小棒敲擊音叉，采用聲音采集器顯示收集到的聲音強(qiáng)度數(shù)據(jù)的方式，探究固體、液體、氣體傳聲效果的不同[4。一方面，對以人耳采集聲音的方式進(jìn)行了優(yōu)化，提出以噪聲器改造的聲音傳播效果采集器作為數(shù)據(jù)搜集“工具”，試圖通過量化的數(shù)據(jù)得出聲音傳播效果差異的結(jié)論。但是，另一方面，發(fā)出聲音的過程仍是采取難以量化控制的“小棒敲擊音叉”的方式。改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)是否能嚴(yán)謹(jǐn)?shù)氐贸隹茖W(xué)結(jié)論仍值得商榷。

同時(shí)，針對“聲音的傳播方向和聲音在不同介質(zhì)上的傳播特性”這一實(shí)驗(yàn)，一線教師創(chuàng)新采用分貝儀接收數(shù)顯化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[5]。但在聲源發(fā)聲的設(shè)計(jì)方面，采用的“蜂鳴器”難以調(diào)節(jié)音量，如果開展分組實(shí)驗(yàn)同時(shí)多個(gè)小組進(jìn)行測試，聲源音量在一定程度上會(huì)形成互相干擾。此外，采用手動(dòng)敲擊的方式發(fā)出聲音，“音量”這一變量的控制仍存在干擾因素。

經(jīng)過調(diào)查分析不難發(fā)現(xiàn)，無論從學(xué)情角度還是從教師執(zhí)教角度，“聲音的傳播”實(shí)驗(yàn)存在兩個(gè)難點(diǎn)：一是在實(shí)驗(yàn)條件下排除多種介質(zhì)傳播聲音的干擾；二是排除不可控因素，設(shè)計(jì)更為精確的“發(fā)聲”和“接收”聲音傳播實(shí)驗(yàn)裝置。

三、構(gòu)建數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有效突破實(shí)驗(yàn)困境

研究聲音現(xiàn)象是自然科學(xué)的重要組成部分，也是小學(xué)生認(rèn)識(shí)客觀世界必不可少的基礎(chǔ)內(nèi)容之一，對于幫助學(xué)生了解、認(rèn)識(shí)外部世界有著重要意義。針對“聲音的傳播”實(shí)驗(yàn)教學(xué)面臨的困境，設(shè)計(jì)“發(fā)音一接收”實(shí)驗(yàn)裝置，突破實(shí)驗(yàn)控制難點(diǎn)。

（一）“發(fā)音一接收”聲音傳播實(shí)驗(yàn)裝置教具結(jié)構(gòu)

本教具采用藍(lán)牙音箱、聲音傳感器、平板電腦等組裝成“發(fā)音一接收”實(shí)驗(yàn)裝置（如圖1）。本套器材所需要的人工智能配件是人工智能教室的基礎(chǔ)配件。可在不增加額外成本的情況下，充分利用學(xué)校資源，組裝實(shí)驗(yàn)器材，進(jìn)行小組實(shí)驗(yàn)。

（二）“發(fā)音一接收”聲音傳播實(shí)驗(yàn)裝置教具制作

教具制作主要分為三個(gè)部分：第一部分，對人工智能配件進(jìn)行組裝（如圖2）；第二部分，在平板電腦上使用“uKitEDU”編程軟件對聲音片段進(jìn)行編程；第三部分，連接藍(lán)牙音箱和聲音傳感器。制作完成后，由平板電腦操控藍(lán)牙音箱發(fā)出聲音，聲音傳感器接收聲音信號(hào)后將數(shù)據(jù)顯示在平板電腦上。在“發(fā)聲”方面，電子設(shè)備發(fā)出聲音，確保每次實(shí)驗(yàn)發(fā)出聲音的音量相同，音量可調(diào)節(jié)。聲音素材通過編程方式導(dǎo)人，可根據(jù)教學(xué)實(shí)踐進(jìn)行選擇和編輯。“接收”聲音信號(hào)方面，數(shù)據(jù)靈敏，即時(shí)在平板電腦呈現(xiàn)量化數(shù)據(jù)，可判斷接收聲音的效果強(qiáng)弱。

圖1聲音的傳播“發(fā)聲一接收”實(shí)驗(yàn)裝置原理

（三）“發(fā)音一接收”聲音傳播實(shí)驗(yàn)裝置的使用方法

將實(shí)驗(yàn)裝置倒扣懸置在水槽中，水槽內(nèi)部可填充固體、液體、氣體，在“發(fā)音一接收”過程中確保了聲音傳播介質(zhì)單一。學(xué)生利用聲音傳感器接收聲音信號(hào)，數(shù)據(jù)客觀，可以得出“聲音可以在固體、液體和氣體中傳播”“聲音在不同介質(zhì)中的傳播效果不同”等科學(xué)結(jié)論。具體使用步驟如下：第一步，把器材倒扣在空水槽中，操作平板電腦，藍(lán)牙音箱發(fā)出聲音，聲音傳感器接收數(shù)據(jù)顯示到平板電腦，收集數(shù)據(jù)并記錄；第二步，把器材倒扣在有水的水槽中，操作步驟同上；第三步，將器材倒扣在空水槽中，瀝干水分；第四步，分析數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。

四、“發(fā)音一接收”裝置的創(chuàng)新與教學(xué)優(yōu)勢

（一）“發(fā)音一接收”聲音傳播實(shí)驗(yàn)裝置的創(chuàng)新點(diǎn)

依托數(shù)字技術(shù)硬件的高靈敏性、數(shù)顯性、可控性，“發(fā)音一接收”聲音傳播實(shí)驗(yàn)裝置具有以下創(chuàng)新點(diǎn)。

圖2組裝后的“發(fā)聲一接收”實(shí)驗(yàn)裝置

其一，在控制變量方面，單一傳聲介質(zhì)有利于去除多種傳播介質(zhì)干擾。借助藍(lán)牙音箱發(fā)出聲音，用聲音傳感器接收聲音信號(hào)，倒置在水槽中。水槽內(nèi)部可填充固體、液體、氣體，在“發(fā)音一接收”過程中確保了聲音傳播介質(zhì)單一。學(xué)生在平板電腦上讀取數(shù)據(jù)，通過分析數(shù)據(jù)，探究聲音在不同介質(zhì)中的傳播。

其二，數(shù)據(jù)直觀，聲音信息可視化可排除不可控因素。“發(fā)聲”和“接收”聲音傳播實(shí)驗(yàn)裝置采用藍(lán)牙音箱發(fā)出聲音的方式，每次發(fā)出聲音的音量相同，可以進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)，探究聲音在不同介質(zhì)中的傳播效果。藍(lán)牙音箱聲音大小可控，則可以在分組實(shí)驗(yàn)時(shí)盡量調(diào)小聲源音量，以保證在實(shí)驗(yàn)室密集實(shí)驗(yàn)條件下各小組之間的聲源不致造成互相干擾。

（二）“發(fā)音一接收”聲音傳播實(shí)驗(yàn)裝置的教學(xué)優(yōu)勢

結(jié)合優(yōu)化后的實(shí)驗(yàn)教具，設(shè)計(jì)“提出問題，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，動(dòng)手探究，獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出結(jié)論”等探究活動(dòng)。教師采用從感性經(jīng)驗(yàn)到客觀認(rèn)識(shí)的教學(xué)方式，不但讓學(xué)生能“聽到”聲音，還可以通過數(shù)據(jù)顯示“看到”聲音信號(hào)，豐富感官證據(jù)的收集渠道。學(xué)生以數(shù)據(jù)為依據(jù)，觀察聲音是否可以在水中傳播，并對比聲音在水中和空氣中的傳播效果。初步滲透“變量控制”實(shí)驗(yàn)原理，形成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維；支持學(xué)生親歷完整探究，建立基于數(shù)據(jù)的證據(jù)意識(shí)；鼓勵(lì)學(xué)生熟悉人工智能設(shè)備，豐富跨學(xué)科學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

1.有利于培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)思維

本實(shí)驗(yàn)教具突破以往實(shí)驗(yàn)的局限，創(chuàng)設(shè)了更為理想的科學(xué)實(shí)驗(yàn)條件，實(shí)現(xiàn)了發(fā)出聲音的音量可控，接收聲音信號(hào)的數(shù)據(jù)客觀顯示，多種介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)干擾得以排除等實(shí)驗(yàn)因素的優(yōu)化，提升了學(xué)生科學(xué)思維。學(xué)生經(jīng)歷“實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)一質(zhì)疑一優(yōu)化設(shè)計(jì)”的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程，能更清晰地感知控制變量在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的重要性和可操作性，在潛移默化中培養(yǎng)科學(xué)精神。

2.增強(qiáng)基于數(shù)據(jù)的證據(jù)意識(shí)

基于人工發(fā)聲、人耳收集聲音的觀察，是基于感性的觀察。借助技術(shù)工具的觀察方法則加強(qiáng)了實(shí)驗(yàn)的客觀性。在數(shù)字技術(shù)的支持下，學(xué)生親歷“提出問題一作出假設(shè)一實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一分享交流的探究環(huán)節(jié)。教師通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，增強(qiáng)學(xué)生基于數(shù)據(jù)的證據(jù)意識(shí)，并利用數(shù)據(jù)的多樣性，引發(fā)學(xué)生進(jìn)一步思考聲音在不同介質(zhì)中傳播的更多特點(diǎn)，啟發(fā)學(xué)生持續(xù)探究聲音的世界。

3.滲透跨學(xué)科學(xué)習(xí)體驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)所使用的器材均來自學(xué)校人工智能專用室，也是學(xué)生平時(shí)在人工智能課堂所熟悉的常見器材。由科學(xué)教師創(chuàng)新材料組合，作為科學(xué)實(shí)驗(yàn)工具應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)探究。不僅能讓學(xué)生深刻地理解科學(xué)技術(shù)對科學(xué)研究的推進(jìn)，感受科學(xué)探究過程的嚴(yán)謹(jǐn)性，而且能調(diào)動(dòng)學(xué)生提高信息技術(shù)素養(yǎng)，激發(fā)他們學(xué)習(xí)、使用數(shù)字技術(shù)工具的積極性。教師以學(xué)科滲透的巧妙形式，增強(qiáng)了學(xué)生的跨學(xué)科學(xué)習(xí)體驗(yàn)，使他們感受科技發(fā)展和學(xué)科融合對科學(xué)進(jìn)程的影響。

本實(shí)驗(yàn)在充分挖掘?qū)W生已有生活經(jīng)驗(yàn)，在感官“聽”聲音的觀察基礎(chǔ)上，嘗試借助數(shù)字技術(shù)，通過信號(hào)轉(zhuǎn)換的方式以數(shù)據(jù)顯示“著到”的聲音信號(hào)。中年級學(xué)生具備一定的信息素養(yǎng)，實(shí)驗(yàn)操作簡單。使用數(shù)字技術(shù)支撐的實(shí)驗(yàn)教具目的是豐富感官的收集渠道，增強(qiáng)學(xué)生的證據(jù)意識(shí)。課堂教學(xué)涉及的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換、藍(lán)牙技術(shù)等實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)，均由教師進(jìn)行講解介紹，實(shí)際教學(xué)中可以根據(jù)學(xué)生的信息技術(shù)水平動(dòng)態(tài)調(diào)整。實(shí)驗(yàn)以提升實(shí)驗(yàn)效果的“工具性”介紹為主，對于具體的技術(shù)原理教師并不展開講解，而是引導(dǎo)學(xué)生感知科學(xué)技術(shù)發(fā)展對實(shí)驗(yàn)探究的嚴(yán)謹(jǐn)性的推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2022年版[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

[2]劉麗紅.“聲音的傳播”課堂實(shí)錄及評析[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2005（4）：38-39.

[3]楊紅糧，王久強(qiáng).物理核心素養(yǎng)指導(dǎo)下對實(shí)驗(yàn)探究的思考與改進(jìn)：以“聲音的傳播”實(shí)驗(yàn)為例[J].中學(xué)物理，2019（18）：31-33.

[4]劉學(xué)軍．“聲音的傳播”實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新[J].實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2018（7）：133.

[5]許文鳳，高翔.可視化、數(shù)顯式聲音傳播演示器[J].教育與裝備研究，2018（9）：82-84.

（作者劉陽丹系福建省廈門外國語學(xué)校附屬小學(xué)教師；高翔系福建省廈門市思明區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校教研員、特級教師、正高級教師，教育部基礎(chǔ)教育科學(xué)教學(xué)指導(dǎo)專委會(huì)委員；黃福裕系福建省廈門外國語學(xué)校附屬小學(xué)高級教師）

責(zé)任編輯：祝元志