引入传感器模块提高实验有效性

2018-09-29孙仙伟

中国教育技术装备 2018年9期

孙仙伟

摘要在探究实验教学中，实验数据的有效收集直接影响着后期分析和正确实验结论的得出。苏教版小学《科学》四年级下册“小车的运动”一课在教材提供实验中存在较多问题，直接影响数据分析和正确结论得出。通过实验小车和轨道改装，使实验装置具备准确性、多样性、高效性、生活性、延伸性等优点，为开展科学、开放的探究式教学提供帮助。

关键词科学；探究式教学；实验装置；传感器；机器人

中图分类号：G623.6 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2018）09-0033-03

1 引言

探究式教学是在教师和学生共同组成的学习环境中，让学生亲历科学探究的学习过程。它大致包括：根据实际情景、观察到的现象和可以获得的信息，从学生已有的知识、对问题的了解和已经具有的科学概念（想法）出发，提出问题；对问题的解答进行推测；为证实推测而设计实验或进行观察；收集和整理数据；得出结论和进行交流；提出新的问题……在有些探究课题中，还鼓励学生将学到的科学知识和日常生活相联系[1]。

小学科学课程标准在探究能力主要表现中提到：能否利用观察、测量或其他手段获得有效可靠的数据资料；能否通过对数据资料的分析判断获得科学的结论[2]。

从韦钰院士的阐述和学科课程标准要求不难发现，在探究教学中，学生实验数据的有效收集直接影响后期分析和正确实验结论的得出。那么，提高实验数据收集的有效性、实验有效设计、实验装置精确度、实验的规范操作等因素都至关重要。本文以苏教版《科学》小学四年级下册第三单元第四课“小车的运动”为例，就实验装置改进、实验设计和操作、实验创新点进行论述。

2 实验问题思考

“小车的运动”是苏教版《科学》小学四年级下册第三单元第四课的内容。通过本单元的学习，让学生经历“设计实验—验证假设”的过程，了解物体的运动方式，探究物体的运动快慢。该课以学生喜爱的小车为话题，按照“问题—假设—实验—结论”的探究过程，对影响小车运动快慢的因素进行探究。这是采用控制变量的方法来收集数据，采用数据分析法进行分析，从而验证假设的具有典型意义的一节课。因此，收集到的数据的精确性显得尤为重要。然而在组织实验教学过程中发现存在以下三个问题。

器材缺陷多小学科学实验工具箱内基本提供的实验器材有车运动轨道装置、小车、钩码、秒表和垫片等。在操作过程中发现，轨道装置比较简陋，就简单一块木块，前方装有一个定滑轮，并没有防护措施，当拉力较大时，小车撞击轨道容易出现“翻车”事故。因为轨道装置过于简单，功能单一，不利于学生使用。

平时教学中，其实许多学生对轮子大小和轮子多少对小车运动快慢究竟有没有影响还是比较感兴趣的，然而套材中的小车，只能用于研究拉力大小、载重量多少对小车运动快慢的影响，其可研究的内容简单，实验开放性较差。

準确计时难

1）轨道短，导致学生计时困难。大部分分组实验中都让学生操作秒表进行实验计时，在这一过程中仍存在这样的情况：不管是套材中小车运动轨道装置，还是让学生在桌面上直接进行实验，都有距离过短的问题。在这么短的距离让学生采用秒表计时，实则为难学生，学生即便在注意力高度集中的情况下，仍有可能出现较大误差。

2）多人配合导致计时误差大。分组实验时，小组内部会进行分工，至少一位学生控制秒表计时，有学生负责启动小车，这要求学生之间默契配合。但在每次操作中总是出现提前按表或反应“慢半拍”现象，从而导致误差过大。

数据处理繁在实验教学中，学生实验获得的数据为两位小数，如1.34秒。为了提高实验的准确性，平时都会要求学生反复实验后求平均值，在此计算过程中涉及两位小数除以整数的数学知识。然而，该知识在小学数学学科中为五年级知识点，对于四年级学生而言有点儿困难。因此，学生把大部分时间用于数据处理，对于后续的数据分析草草收兵，甚至有些学生根本来不及进行数据分析，无法得出结论，这无形中打击了学生实验的积极性。计算难度大，花费的时间长，教学进度势必受到影响，实验效率也将大大降低。

3 实验装置改进

针对上述问题，经研究，认为可以从小车、轨道上进行改装：让小车和轨道的功能多样化，满足学生研究需求；在轨道上组装传感器模块，让数据收集更加精确。具体改进如下。

功能多样的小车（图1）把原来的小车进行改装，在车身上钻孔，让学生可以根据需要随时增加或减少车轮数量以及改变车轮大小。如此一来，学生既可以研究拉力大小对小车运动快慢的影响，也可以通过改变车身上钩码数量，研究载重量对小车运动快慢的影响，还可以通过装卸轮子来改变轮子大小或轮子数量，研究轮子对小车运动的影响，小车的研究功能多样化。

易于变换的轨道（图2）通过反复实验，发现在增加轨道长度情况下，可以大大降低实验计时误差，提高实验结果的准确性和精确性。为此，将原来60厘米的轨道变为120厘米，让小车可以充分地“跑”起来。用木尺作为侧面挡板，避免小车冲出轨道；设计橡皮筋防护装置，避免小车碰撞轨道出现“翻车”现象，从而有效提高实验的安全性，并保证实验得以顺利进行。为增加路面研究功能，利用魔术贴和砂纸在轨道反面轨道增加粗糙程度不同的表面，可用于研究路面粗糙程度对小车运动快慢的影响。

能精确测量的装置（图3）传统条件下，相当一部分探究过程中学生探究需求受到限制，可进行科学探究实验的内容相对较少，而且定性模糊的研究居多。随着数字技术的迅猛发展，尤其与科学实验关联度较大的数字技术——传感器，给解决这些问题带来契机。传感器以其精确、智能、易于操作等优势，可大大提高这种探究过程的实效[3]。

针对学生计时和计算困难的问题，改进的实验装置末端装上超声波传感器，同时结合中鸣机器人快车中的RCU配合使用。

其主要工作原理为：打开RCU，检查装置是否处于工作状态；小车放在起跑线上，此时超声波测得小车处于未启动距离范围内（如3厘米），计时器未启动；当小车启动时，超声波测得小车与超声波距离大于3厘米，此时，RCU启动计时；当小车到达终点时，也就是超声波测得小车与超声波距离大于100厘米（100厘米处设为终点线），此时RCU结束计时，计时结果在RCU显示视频上进行显示；多次测试后，在显示屏上显示多次测量平均值。

传感器装置的使用具有以下优点。

1）操作简单：简单地触摸屏幕就可启动计时模式，当小车启动时，自动开始计时；当小车到达所设定的距离时，自动停止计时，操作简单。

2）误差较小：该装置能自動感应计时，避免学生配合不默契、反应速度慢而产生的计时误差，误差较小。

3）方便数据处理：该装置可以设定多次数据存储，并且自动求出平均值，显示于屏幕右下方，省去求平均值这一费时而且烦琐的计算过程，为后续的数据分析节约时间，提高课堂效率。

4 实验装置创新的意义和作用

实验教学方面

1）科学性：改进后的装置用于实验中，让学生按照科学探究过程进行探究，符合科学探究原理，实验具有科学性。

2）开放性：学生利用改进后的实验装置进行实验，在实验时可以自主选择喜欢的因素进行研究，自主设计实验，自主进行实验，让研究更具开放性。

实验教具方面

1）准确性：利用本实验装置进行实验探究，在收集数据方面，能大大减小实验数据误差，有助于准确分析，得出准确的实验结论。

2）多样性：利用本实验装置进行实验探究，可以对影响小车运动快慢的多种因素进行研究，研究方向更具多样性。

3）高效性：利用本实验装置进行实验探究，让学生省去费时而又烦琐的数据处理环节，可节约大量时间用于数据分析，让实验更具高效性。