白德利

【摘要】基于數字化實驗系統(tǒng)的可視化教學是應用現代信息技術進行實驗教學的一種新技術手段和方法，它是利用傳感器技術的實驗系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)實驗能更有效地提高實驗效率，更真實地收集實驗數據，更準確地分析實驗結果。如何運用可視化方法為小學科學的實驗教學錦上添花，是廣大科學教師一直在探索的問題。

【關鍵詞】小學科學實驗?數字化?可視化

一、實驗數據與過程形象可視化

在科學實驗教學中，看不見摸不著的物質對小學生來說通常是教學的難點，因為學生對這些物質沒有具象的思維。如何把看不見的物質讓學生具體可視化？例如，在日常生活中，我們只能用耳朵來判別聲音的高低、輕響，但是可視化的實驗教學就突破傳統(tǒng)實驗的限制，讓學生不僅能聽到聲音，還能通過畫面看見聲音的形態(tài)，并且了解這種形態(tài)與振動的關系。

案例1：聲音輕響與振幅的關系以及音調高低與頻率的關系。

在數字化實驗中，學生運用數字化實驗設備傳感器、數據采集器，基于口風琴、豎笛等進行實驗。首先，通過演奏樂器或者唱歌，學生仔細聽聲音，知道聲音有響度和音調的不同。其次，通過利用傳感器相關軟件，截取適當的“聲波”圖片，能觀察到聲音在輕響和音調高低時聲波的圖形都各不相同。最后，開展兩組對比實驗，根據實驗目的調整并控制實驗變量，獲得真實有用的實驗教據，一是笛子吹同一音高的聲音，但是注意控制笛音的輕響不同，觀察波形的不同，開展聲音的輕響與聲波的振幅是否有關的實驗;二是注意控制笛音的輕響，吹出不同音高的笛音，觀察波形的不同，開展音調高低與聲波的振動頻率是否有關的實驗。

通過實驗可以看出聲音的輕響與聲波的振幅有關;音調高低與聲波的振動頻率有關。

案例中有關“聲音”的內容，在傳統(tǒng)實驗中因為缺乏有效的實驗工具，學生對聲音與振動的關系易產生認知障礙。而可視化實驗就讓聲音以聲波的形式躍在學生的眼前。直觀的聲波圖形，較好地實現了聲學的可視化教學，學生在此基礎上還“玩”出了聲反射、聲傳播等實驗，擴展了實驗的內容，提高了實驗的質量。

二、豐富的實驗數據突破教學重難點

實驗是科學研究的基本方法，在教學過程中，教師要用豐富的實驗數據，突破教學的重點和難點。例如，在生活中，人們大多在夏季穿著淡顏色的衣服，在冬季穿著深顏色的衣服，這是因為物體吸收太陽輻射熱和物體表面的顏色深淺有關系，那么如何來證明呢？

案例2：在教學“熱輻射”時，學生在學習過程中會混淆顏色和深淺這兩個不同的概念。

針對傳統(tǒng)實驗中的不足，教師選用數字化實驗設備，包括熱傳感器、數據采集器等，并自制了多組物體表面顏色深淺不同的實驗材料（深綠—淺綠、青藍—淡藍、酒紅—粉紅、深黃—淺黃），實驗器材可以進行反復多次實驗后獲得數據進行比較，并從中找出規(guī)律。首先，在實驗中學生使用傳感器進行黑白兩色吸收輻射熱的本領大小對比實驗，收集數據，分析并討論，黑色的物體表面吸收輻射熱的本領較大。其次，教師出示表面顏色深淺不同的四組實驗材料（深綠—淺綠、青藍—淡藍、酒紅—粉紅、深黃—淺黃），指導學生進行吸收輻射熱的本領大小對比實驗，學生記錄數據，討論并分析結果。最后，學生把顏色深淺不同的五組實驗材料數據通過軟件轉化為統(tǒng)計圖形，再依據圖形分析結果。

在這個實驗中，學生通過高效的數字化實驗系統(tǒng)，采用實時記錄、處理數據的方式，在一分鐘內可以獲取30組實驗數據。學生通過觀察數據轉化而來的圖形，很快就總結出了規(guī)律，教學的重難點也就迎刃而解了。

三、實驗結論的獲得清晰有效

在某些傳統(tǒng)實驗中，由于實驗器材的限制，實驗效果并不理想，學生無法直觀看見實驗的現象，更無法清晰地得出實驗結論。如在教學“純凈水和鹽水導電嗎”這個內容時，傳統(tǒng)的實驗做法是在裝有液體的燒杯外連接一個電路，液體中有銅片和鋅片與電路相連，然后在純凈水中加入食鹽進行攪拌。這個實驗所存在的客觀干擾因素有很多，如鹽量的多少、電流量的大小、電阻的大小都會影響到實驗現象。關鍵是在實驗過程中，低濃度的食鹽水是否導電，成為學生爭議的焦點。

案例3：鹽水導電嗎？

如何讓小學生能直觀地觀察到低濃度的食鹽水也是導電的呢？

為了讓學生們獲得正確的科學結論，教師采用了數字化實驗設備，包括電流傳感器、數據采集器、燒杯、食鹽、攪拌棒等，首先把數字化實驗設備電流傳感器和純凈水接入一個電路回路中，倒入純凈水，然后往純凈水中加入一勺食鹽，觀察電流傳感器軟件界面的數據變化。用數字化實驗設備后可以發(fā)現，加入1勺食鹽時，電流數據就已經變化，說明有電通過這個回路，加入2勺、3勺食鹽時，數據的變化更加明顯，且統(tǒng)計圖也直觀顯示出數據的變化。

通過實驗及圖示可直觀地得出結論：加入食鹽的純凈水無論是低濃度的，還是高濃度的，都可以導電。

在“鹽水導電”這個實驗中，學生不僅清晰有效地看到低濃度的鹽水導電這個現象，而且對科學探究更加充滿興趣和好奇，減少了學生學習科學的畏難情緒。