发挥数字化实验在探究中的作用

2022-11-01江苏南京市金陵小学

小学科学 2022年5期

◇杨帆（江苏：南京市金陵小学）

小学科学课程倡导探究式学习。学生应通过亲身经历和体验科学探究活动，积极主动地获取科学知识和解决科学问题。但在实际的科学探究中，许多实验现象通过传统的实验材料无法很明显地呈现出来，在教学中给科学教师造成了许多困扰。

教育部新颁布的2017 版《义务教育小学科学课程标准》在“教学媒体建议”部分明确指出：现代教学媒体及技术不仅可以为科学知识的学习服务，也可以为科学探究的学习服务，如利用数字化信息技术进行科学探究。可见，运用数字化实验助力科学探究已成为必然。

数字化实验，是指在小学科学课程中运用传感器等数字化设备进行实验探究。小学阶段经常使用到的传感器有光照度传感器、温度传感器、力传感器、氧气传感器、二氧化碳传感器等，并且传感器数据可以通过数据采集器处理后上传到计算机，由教学软件进行实时的处理和分析。数字化实验为小学科学探究提供了多元的解决方案，为探究活动的开展提供了创新的土壤。本文将在充分了解数字化实验应用优势的基础上，就数字化实验在小学科学探究中的应用策略展开深入研究。

一、数字化实验在小学科学探究中的应用优势

（一）数据测量“精准”，让探究结论更可信

在探究活动中，我们需要对实验过程中获取的数据进行归纳分析，从而得出结论。但由于传统器材本身的限制，获取的数据往往存在一定的误差，有时候学生不能得出准确的结论，使得教学目标难以实现。而数字化实验中运用到的各种传感器具有分辨率高的特点，采集到的实验数据精度大大提高，提高了探究实验的可信度，有利于学生得出更为严谨的科学结论。

（二）实验过程“可视”，让探究现象更直观

对于小学阶段的学生来说，清晰直观的实验现象更有利于他们理解科学概念。但在实际的探究活动中，有些实验现象并不明显，学生运用肉眼进行观察时很难察觉，这就对学生的科学探究造成了困难。而数字化实验的运用，可以将难以观察的细微现象以数据的方式直接呈现，这样学生就能直观探究现象，实现实验过程“可视化”。

（三）实验结果“定量”，让科学探究更深入

定量研究是科学探究中常用的研究方法，但由于传统实验中器材的限制，有时定量研究难以实现。数字化实验能够实现高精度采集、高速度传输、高灵敏度显示，为学生的定量研究提供了平台，有效地减小了实验误差，使不少传统的探究实验从定性分析上升到定量研究，拓宽了学生实验探究的深度与广度。

二、数字化实验在小学科学探究中的应用策略

（一）前置训练，让学生掌握数字化器材的使用方法

学生初次接触数字化器材时，往往既兴奋又茫然，即使教师已经详细介绍了数字化器材的使用方法和注意事项，但学生在实际操作的过程中还是会出现很多状况。例如有学生由于第一次接触数字化器材，出于好奇和浓厚兴趣，就会常常把注意力放在摆弄器材上，全然忘了我们实验探究的目的；也有学生对数字化器材的陌生和使用方法的不熟练，导致实验效率过低或者数据采集不准确等，打击了学生使用数字化器材进行科学探究的积极性。因此，教师在将数字化实验融入科学探究前，要先带领学生认识数字化器材并进行体验学习，只有学生对数字化器材有了深入的了解和掌握其使用方法后，才能在科学探究中灵活应用。

例如，在学期开始之初，我们可以利用2～3节课的时间带领学生走进实验室，教师先对数字化设备进行一个整体的介绍，包括连接方法和软件的使用等，再向学生逐一介绍小学的数字化实验中主要配备的传感器：光照度传感器、温度传感器、力传感器、声波传感器等，并设置一些小活动让学生进行充分体验。例如，在介绍完光照度传感器后，教师可以让学生尝试测量教室内和户外的光照度分别是多少；在介绍完温度传感器后，教师可以让学生尝试测量一杯热水在三分钟内的温度变化；在介绍完力传感器后，教师可以让学生尝试测量提起教室中或者学生身边的一些物体用了多大的力；在介绍完声波传感器后，教师可以让学生分别播放一段嘈杂的声音和一段轻音乐，观察不同的声音的波形。当学生充分体验并熟练掌握数字化器材的使用方法后，就能更好地激发学生使用数字化器材进行科学探究的兴趣，实验探究的效率也会大大提高，为后续运用数字化设备进行科学探究打下基础。

（二）双轨实验，让传统实验与数字化实验并行开展

数字化实验能对传统实验起到辅助和优化的作用，两者具有不同的特点。我们在科学探究的过程中，应该理性对待两种实验方式，根据教学内容、教学目标、实际学情等，让传统实验与数字化实验并行开展、有机融合，激发学生的学习兴趣，培养学生的科学探究能力。

例如，我们在教学苏教版科学三年级下册“声音的奥秘”这一单元时，我们可以先进行一系列传统实验：一手压住尺子，另一手弹拨；把气球挂在正在发声的音箱前方；摸着喉咙，发出“啊——”的声音；试管里放些泡沫屑，吹试管口；敲击音钹，然后轻轻按住等。这样，让学生可以直观地看到声音的产生与“振动”有关，帮助学生探究声音产生的原因，然后引导学生进行数字化实验，运用声波传感器探究声音的强弱、声音的高低、不同乐器的声音、不同物质对声音传播的影响等特性。

再如，苏教版科学三年级下册《人的呼吸》一课，教学目标之一是通过探究活动，了解人体吸进和呼出气体的不同。我们可以先运用传统实验，在两种气体中倒入澄清石灰水，初步比较吸进的和呼出的气体有什么不同，进行定性分析，再引导学生运用二氧化碳传感器和氧气传感器具体测量吸进和呼出气体中氧气和二氧化碳的含量，完成定量研究。

在科学探究中，灵活选用传统实验和数字化实验，有利于两种实验的教学优势互补，使学生在获取知识和经验的同时，又能获取直观体验，进一步提升科学探究的效果和质量，从而有利于培养学生的科学素养。

（三）指导分析，将数据转换成能够理解的科学解释

学生在运用数字化实验进行科学探究时，不需要对繁杂的数据进行处理，只需要对数据进行深入分析，但由于学生数据意识的薄弱，所以不容易得出实验结论，失去了对事物现象本质的求解。因此，教师要引导学生关注在数字化实验中测量到的数据，指导学生对数据的变化规律进行分析，探究数据背后的科学规律，将数据转换成能够理解的科学解释，加深学生的理解。

以苏教版科学五年级上册第二单元“热传递”中《物体的传热本领》一课为例。本课的教学重点为通过对比实验，了解不同材料传热的快慢。由于在传统实验中我们无法保证每根材料棒上凡士林的用量都完全一致，因而实验结果存在偶然性，并且有时候几个材料棒上的珠子差不多时间脱落，我们用肉眼无法辨别究竟是哪个材料棒上的珠子更快脱落。于是我引入温度传感器，将其夹在材料棒的同一位置，放入热水中，实验数据就会及时、动态地呈现出来。实验结束后，教师要引导学生关注实验过程中的数据，让学生说说通过数据你发现不同材料棒的温度变化是怎样的？你是怎么看出它们的变化的？从中又能得出什么结论呢？通过分析，学生不难发现铜棒温度变化最快，然后依次是铝棒、钢棒、塑料棒和木棒，从而很容易得出这几种材料传热快慢的顺序由快到慢分别是铜、铝、钢、塑料、木。

再如，苏教版科学五年级上册《光的反射》一课中，其中一个教学活动是观察光照射到不同物体表面时发生的现象，了解不同物体表面反光效果不同，归纳出反光效果好的物体表面的特点。于是，在这个活动中，我创设了激光打靶的任务情境，此时激光笔和靶子都是固定的，激光笔无法直接照射到靶子，想要击中靶子，必须借助物体，我提供一组有结构的材料：相同颜色的塑料板、纸、布供学生进行对比实验。通过实验，学生发现这些物体都能反射光到靶子上，但效果有所不同，究竟谁的反光效果更好呢，学生用肉眼无法辨别，这时我给提供学生光照度传感器测量数据，接着引导学生对测量的数据进行比较，说说通过数据你发现它们的反光效果有什么不同？学生将测量的数据进行排序，并将数据与反光效果建立起联系，发现塑料板的反光效果最好，然后依次是纸、布。继续对比观察这三种材料，得出物体表面越光滑，反射效果越好的结论。

在运用数字化实验进行科学探究时，教师通过指导分析，帮助学生将数据转换成能够理解的科学解释，有利于学生更好地理解科学概念、掌握科学规律。

（四）拓展研究，将数字化实验引入广阔的科学实践

数字化实验在学生的科学探究中，不仅可以运用于课堂知识的学习，还可用于学生的研究性学习、项目式学习等多种形式的学习活动，拓展了学生的探究范围和学习空间，让科学探究更贴近学生的生活，有利于学生核心素养的提升。

例如，我校开展了无土栽培的项目式学习——水培青菜大比拼，要求学生在班级里利用环保材料，设计制作一个无土栽培的装置，每班50颗青菜种子，利用这个装置种植青菜，在收获日，每个班选择10 棵生长最好的青菜，现场收割，进行称重，最终评选出最佳设计奖、最佳纪录奖、最佳成果奖若干。青菜的生长需要适宜的温度，当温度降低的时候，青菜的长势会慢下来，我们可以利用温度传感器实时监测温度，必要时做个小温室进行保温，保证青菜更好地生长。另外，营养液中的含氧量对青菜的生长也有影响，我们可以使用溶解氧传感器，了解营养液中的含氧量，及时调节，以便维持最佳的生长条件。

再如，我们学校的操场有一个音乐台，每次学习完声音这个单元时，学生总是会向我提出这样的疑惑：“老师，为什么音乐台能放大声音呢？”于是，我决定带学生去音乐台一探究竟。在了解了回声的作用后，学生又通过声波传感器测量发现音乐台圆心处声音会放大，偏离了声音就不会放大了，我让学生仔细观察一下音乐台的结构，学生很快发现音乐台的台阶是圆弧形的，而音乐台中央恰巧是圆心，声波从台阶反射回来在圆心会聚。

学生进行科学探究的过程是一个连续发展的过程。教师应根据学生的需求，拓展研究，将数字化实验引入广阔的科学实践，解决生活中的实际问题，提升学生的科学探究能力。