小学科学实验可视化探索与实践

白德利

【摘要】基于数字化实验系统的可视化教学是应用现代信息技术进行实验教学的一种新技术手段和方法，它是利用传感器技术的实验系统，相比传统实验能更有效地提高实验效率，更真实地收集实验数据，更准确地分析实验结果。如何运用可视化方法为小学科学的实验教学锦上添花，是广大科学教师一直在探索的问题。

【关键词】小学科学实验 数字化 可视化

一、实验数据与过程形象可视化

在科学实验教学中，看不见摸不着的物质对小学生来说通常是教学的难点，因为学生对这些物质没有具象的思维。如何把看不见的物质让学生具体可视化？例如，在日常生活中，我们只能用耳朵来判别声音的高低、轻响，但是可视化的实验教学就突破传统实验的限制，让学生不仅能听到声音，还能通过画面看见声音的形态，并且了解这种形态与振动的关系。

案例1：声音轻响与振幅的关系以及音调高低与频率的关系。

在数字化实验中，学生运用数字化实验设备传感器、数据采集器，基于口风琴、竖笛等进行实验。首先，通过演奏乐器或者唱歌，学生仔细听声音，知道声音有响度和音调的不同。其次，通过利用传感器相关软件，截取适当的“声波”图片，能观察到声音在轻响和音调高低时声波的图形都各不相同。最后，开展两组对比实验，根据实验目的调整并控制实验变量，获得真实有用的实验教据，一是笛子吹同一音高的声音，但是注意控制笛音的轻响不同，观察波形的不同，开展声音的轻响与声波的振幅是否有关的实验;二是注意控制笛音的轻响，吹出不同音高的笛音，观察波形的不同，开展音调高低与声波的振动频率是否有关的实验。

通过实验可以看出声音的轻响与声波的振幅有关;音调高低与声波的振动频率有关。

案例中有关“声音”的内容，在传统实验中因为缺乏有效的实验工具，学生对声音与振动的关系易产生认知障碍。而可视化实验就让声音以声波的形式跃在学生的眼前。直观的声波图形，较好地实现了声学的可视化教学，学生在此基础上还“玩”出了声反射、声传播等实验，扩展了实验的内容，提高了实验的质量。

二、丰富的实验数据突破教学重难点

实验是科学研究的基本方法，在教学过程中，教师要用丰富的实验数据，突破教学的重点和难点。例如，在生活中，人们大多在夏季穿着淡颜色的衣服，在冬季穿着深颜色的衣服，这是因为物体吸收太阳辐射热和物体表面的颜色深浅有关系，那么如何来证明呢？

案例2：在教学“热辐射”时，学生在学习过程中会混淆颜色和深浅这两个不同的概念。

针对传统实验中的不足，教师选用数字化实验设备，包括热传感器、数据采集器等，并自制了多组物体表面颜色深浅不同的实验材料（深绿—浅绿、青蓝—淡蓝、酒红—粉红、深黄—浅黄），实验器材可以进行反复多次实验后获得数据进行比较，并从中找出规律。首先，在实验中学生使用传感器进行黑白两色吸收辐射热的本领大小对比实验，收集数据，分析并讨论，黑色的物体表面吸收辐射热的本领较大。其次，教师出示表面颜色深浅不同的四组实验材料（深绿—浅绿、青蓝—淡蓝、酒红—粉红、深黄—浅黄），指导学生进行吸收辐射热的本领大小对比实验，学生记录数据，讨论并分析结果。最后，学生把颜色深浅不同的五组实验材料数据通过软件转化为统计图形，再依据图形分析结果。

在这个实验中，学生通过高效的数字化实验系统，采用实时记录、处理数据的方式，在一分钟内可以获取30组实验数据。学生通过观察数据转化而来的图形，很快就总结出了规律，教学的重难点也就迎刃而解了。

三、实验结论的获得清晰有效

在某些传统实验中，由于实验器材的限制，实验效果并不理想，学生无法直观看见实验的现象，更无法清晰地得出实验结论。如在教学“纯净水和盐水导电吗”这个内容时，传统的实验做法是在装有液体的烧杯外连接一个电路，液体中有铜片和锌片与电路相连，然后在纯净水中加入食盐进行搅拌。这个实验所存在的客观干扰因素有很多，如盐量的多少、电流量的大小、电阻的大小都会影响到实验现象。关键是在实验过程中，低浓度的食盐水是否导电，成为学生争议的焦点。

案例3：盐水导电吗？

如何让小学生能直观地观察到低浓度的食盐水也是导电的呢？

为了让学生们获得正确的科学结论，教师采用了数字化实验设备，包括电流传感器、数据采集器、烧杯、食盐、搅拌棒等，首先把数字化实验设备电流传感器和纯净水接入一个电路回路中，倒入纯净水，然后往纯净水中加入一勺食盐，观察电流传感器软件界面的数据变化。用数字化实验设备后可以发现，加入1勺食盐时，电流数据就已经变化，说明有电通过这个回路，加入2勺、3勺食盐时，数据的变化更加明显，且统计图也直观显示出数据的变化。

通過实验及图示可直观地得出结论：加入食盐的纯净水无论是低浓度的，还是高浓度的，都可以导电。

在“盐水导电”这个实验中，学生不仅清晰有效地看到低浓度的盐水导电这个现象，而且对科学探究更加充满兴趣和好奇，减少了学生学习科学的畏难情绪。