浅谈数字实验仪器在科学课中的应用

江苏南京师范大学附属中学江宁分校（211102）

20世纪90年代，随着信息技术的飞速发展，教育信息化的概念被提上日程。教育信息化教师只有在教育过程中较全面地运用现代化信息技术，促进教育改革，才能适应正在到来的信息化社会提出的新要求。因此，在小学科学课堂中，一种以传感器和计算机为基础的新型实验模式——数字化实验应运而生。所谓数字化实验，是采用数字化实验系统，通过传感器采集数据，计算机实时显示和分析数据，来完成定量实验的方式。学生借助数字化实验平台，既可以理解科学的基本理论，又可以掌握有关数字化实验的相关技术。下面，结合科学课堂中使用数字化实验仪器的教学实践，我对使用数字化实验仪器进行了以下思考。

一、使用数字化实验仪器的优势

1.易于激发学生的兴趣和培养学生的综合素养

数字化实验以信息化的硬件设施为前提。数字化实验室，需配备数字实验仪器箱和与之相连的台式机或者平板电脑。学生在原有实验的基础上，还需掌握连接传感器和使用软件采集数据和分析数据的技能。在数字化实验模式中，学生的学习内容更加丰富，更具有时代气息，也更贴近现代科技前沿。学生置身于信息化的时代背景中，对科技新事物的好奇心，使他们的积极性更易被激发，学习的耐力更持久：一方面，他们忙于操作数字化实验仪器；另一方面，他们乐于借助电脑进行精准的数据分析和形象的实验对比。通过教学实践，我体会到信息技术在科学课堂上的运用，确实给学生带来了无限的乐趣，为学生创建了一个宽松的学习环境，既提高了学生的实验操作能力，又提高了学生的信息素养。

2.易于转化错误前概念，建立科学概念

在科学知识的四大领域——物质科学、生命科学、地球与宇宙科学和技术与工程科学领域中，有些科学知识对学生来说是比较抽象的。如空气是一种混合气体，其中氮气的含量最多，其次是氧气，其中还有一些稀有气体。呼吸的过程中，肺是氧气和二氧化碳交换的场所。这些知识通过传统实验是无法探究得到的，教师只能用“填鸭式”的方式告知学生，导致学生难以记忆。如果能通过实验获得具体的数据，通过分析数据找出规律，得出结论，学生的记忆会更加深刻。另外，利用实验数据分析还能转化学生已有的错误概念，使之建立科学概念。如教学《肺和呼吸》一课时，呼吸的过程是吸进氧气和呼出二氧化碳，在常规实验中，教师用吸管吹澄清的石灰水的实验，让学生明白呼出的气体中有二氧化碳。调查显示，大部分学生认为呼吸过程中，人体吸入了空气中的氧气，呼出的气体绝大部分都是二氧化碳。而事实上，人体在呼吸过程中，只有4%左右的氧气转化成了二氧化碳，其他气体的含量基本不变。教师引入数字实验仪器中的气体传感器后，可以准确测量空气和人体呼出气体中二氧化碳和氧气的量，从而用具体的数字推翻学生原有的错误前概念，建立人体呼出的气体中二氧化碳仍是少量的科学概念。

3.降低实验难度，提高实验效率

数字化实验可以通过传感器和采集器把各种物理量，如力、声、光、温度、位移、磁场强度等转化成模拟电信号，再通过I/O转换成计算机能够识别的数字信号，从而实现实验数据的采集。计算机采集数据后，人们可以利用编制的软件，快速、准确地处理采集到的实验数据，如计算平均数、总和等。软件还可以将收集到的数据转换成直观的图表。运用各种传感器替代传统的实验工具，简化了学生的实验操作，降低了实验难度。实验数据采集之后交由计算机分析处理，既提高了分析结果的准确率，又提高了分析实验数据的效率。

以“探究热水降温规律”这一实验为例，在常规实验中，既需要学生固定煤油温度计，还需要学生计算时间。而且，把煤油温度计固定在铁架台上并不简单：高度要适中，还要避免温度计与其他硬物相碰。开始测量后，学生每隔一定的时间就要读取温度计上的读数，对于初次接触煤油温度计的学生而言，读数错误时有发生。改用数字化实验仪器后，学生只需把温度传感器固定好，静心观察传感器收集到的热水在一段时间内温度的变化即可。学生在观察的同时，手动绘制温度数值变化曲线，最后将绘制的数值曲线与软件绘制的曲线进行比较，发现热水降温的规律。数字化实验，既降低了学生的操作难度，缩短了做实验和分析数据的时间，又锻炼了学生的数据分析能力。另外，数字化实验仪器在和力有关的实验中的应用优势更加明显。在力学实验中，测力计的使用是个老大难的问题。在有摩擦力和斜坡的实验中，测力计指针抖动明显，读数误差大，如果操作不规范，可能得到的就是错误数据。在这些实验中，普遍存在实验时间长、实验数据误差大的问题。改用数字实验仪器后，实验数据误差小，对比实验效果显著，更易帮助学生得出实验结论。

二、使用数字化实验仪器的困惑和思考

1.小心被技术绑架的数字化实验

在熟悉数字化实验的硬件和软件的基础上使用数字化实验仪器，能显著提高实验效率，但学生对数字化实验比较陌生，教师要花费较多的时间教学生学习相关软硬件的使用。学生对数字化实验系统一知半解，不可避免削弱了实验效果。教师就更分身乏术了，需要不断奔忙在指导学生使用数字实验仪器的过程中，因为学生在使用软件收集到数据如果和分析数据的过程中，各种问题层出不穷。以和数据传感器配套的软件为例，收集到的数据如果有误却没法删除，只能重新采集数据；在对比实验中，图表区不会自动生成多组图表，需要学生设置后才会出现；实验数据不可以重命名，学生没法快速准确地把数据和图表联系起来……这些操作要领，教师需一一告知，往往实验还没结束，一节课就结束了，导致教师没有时间进行总结，学生也无法获得思维能力的提升。数字化实验仪器没有优化课堂，反而成了实验环节的累赘。教师如果能提前训练学生使用数字化实验仪器，学生会更专注于实验设计和实验操作，促进思维能力的提高。更为重要的是，教师要选择易于学生操作和更符合学生认知水平的数字化实验仪器。

2.合理使用数字化实验

数字化实验在数据采集和数据分析上的作用明显优于传统实验，但我们也不可因此废弃传统实验。传统实验是培养学生基本实验能力和实验素养的重要途径，是不能省略的教学环节。同时，科学课程标准指出，“科学探究是学生获取科学知识、领悟科学思想、学习科学方法最重要的学习方式，既是学习科学的途径，又是学习科学课程的目标”。学生的科学探究能力与设计和操作实验的能力密不可分，而传统的实验方法要求学生掌握更多的实验技巧。为了获取准确的数据，学生必须更细致地操作，与同学分工合作。所以，从某种程度上来说，传统实验对培养学生的手眼协调和合作能力更有利。传统实验要求学生具备基本的数据处理和分析能力，包括对有效数据的使用和实验误差的分析。而数字化实验依靠计算机操作平台，学生直接获得数据和分析结果，这样反而会弱化学生收集和分析信息的能力。传统实验中的误差在所难免，有时因操作或其他原因导致的失误，反而能帮助学生发现之前未考虑到的影响实验的因素。数字化实验仪器在探究方面表现出很强的技术优势，但决不能把它应用到所有的科学实验中。教师还需以教学目标为出发点，以学生的长足发展为依据，合理使用数字化实验仪器。

在教育信息化的大背景下，教师应在科学课堂中用好数字化实验这种新兴的实验模式，理智地看待数字化实验的发展趋势，将数字化实验和传统实验结合起来，为学生提供多样的实验平台，培养学生的探究能力和信息处理能力。