舒俊波

摘要： 初中和小學(xué)的科學(xué)教育教學(xué)在科學(xué)概念上存在差異，因兩個學(xué)段共享一個課標，但教材內(nèi)容的銜接卻與之不完全吻合，故小學(xué)和初中科學(xué)教師都期待盡早實現(xiàn)小學(xué)科學(xué)與初中科學(xué)有效銜接。教師分析梳理中小學(xué)教材中復(fù)現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容，將數(shù)字化實驗嵌入銜接性探究活動中，利用數(shù)形轉(zhuǎn)換、概念建模等功能，能夠優(yōu)化銜接性探究活動，促進中小學(xué)科學(xué)教育教學(xué)順利過渡。

關(guān)鍵詞：中小學(xué)銜接；數(shù)字化實驗；科學(xué)探究活動

《義務(wù)教育科學(xué)課程標準（2022年版）》^[1]（以下簡稱“課標”）將義務(wù)教育科學(xué)課程劃分為一至二、三至四、五至六和七至九四個學(xué)段，然而學(xué)段銜接，尤其是第三學(xué)段向第四學(xué)段（小學(xué)向中學(xué)）過渡存在不足，有待優(yōu)化。筆者以“銜接”為關(guān)鍵詞對新課標文本進行檢索，發(fā)現(xiàn)共出現(xiàn)十處“銜接”，其中四處強調(diào)“幼小銜接”，其余六處泛泛地提到“學(xué)段銜接”，并沒有特別指向中小學(xué)銜接。課標意識到學(xué)段銜接問題，但對于小學(xué)與初中如何銜接，目前還沒有給予更多的指導(dǎo)。

由于小學(xué)和初中在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法存在分野，導(dǎo)致中小學(xué)教師各自為戰(zhàn)。具體表現(xiàn)為：①教學(xué)內(nèi)容前后不統(tǒng)一，同一內(nèi)容多次出現(xiàn)但概念表述不同；②教學(xué)活動重復(fù)設(shè)置，甚至前后矛盾；③小學(xué)和初中科學(xué)教師缺乏溝通與協(xié)作，甚至互相埋怨。課標要求教師基于學(xué)生的認知水平和知識經(jīng)驗設(shè)計進階方案：內(nèi)容應(yīng)當(dāng)由淺入深、由表及里、由易到難，活動要從單一到綜合，課程目標和內(nèi)容螺旋式上升。教師梳理中小學(xué)科學(xué)教學(xué)內(nèi)容，科學(xué)開展“中小學(xué)銜接性科學(xué)探究活動”可以促進中小學(xué)科學(xué)教學(xué)的“雙向奔赴”。

教師開展科學(xué)探究活動，揭示條件對于物質(zhì)、運動和相互作用及能量之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，是引導(dǎo)學(xué)生認識科學(xué)概念、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的重要內(nèi)容之一。美國《國家科學(xué)教育標準》（NSES）在第六章“科學(xué)內(nèi)容標準”針對三個學(xué)段的學(xué)生給出了借助工具開展科研活動的指導(dǎo)意見：對五至八年級學(xué)生，要讓他們了解科學(xué)家應(yīng)用數(shù)據(jù)采集技術(shù)提高實驗精度并實現(xiàn)定量分析；對九至十二年級學(xué)生，要讓他們看到科學(xué)家依靠技術(shù)優(yōu)化了數(shù)據(jù)的收集和處理。新技術(shù)可以用于收集所需的數(shù)據(jù)，為探究提供證據(jù)，有助于科學(xué)進步。教師將“數(shù)字化實驗”引入科學(xué)課堂，有助于提高科學(xué)探究活動的有效性。教師借助“數(shù)字化實驗”促進中小學(xué)科學(xué)教學(xué)的銜接，能有效彌合中小學(xué)科學(xué)教育教學(xué)斷點。

一、數(shù)字化實驗有利于中小學(xué)科學(xué)探究活動的銜接

“中小學(xué)銜接性科學(xué)探究活動”是基于對小學(xué)和中學(xué)科學(xué)教材的歸納、匯集得到的多次出現(xiàn)且其間存在有序進階關(guān)系的探究活動。其中，進階關(guān)系最為清晰、邏輯最為順暢的是物理學(xué)科的內(nèi)容?！读x務(wù)教育物理課程標準（2022年版）》指出，物理觀念是物理課程核心素養(yǎng)的組成部分，物理觀念主要包括物質(zhì)觀念、運動和相互作用觀念、能量觀念等要素^[2]。由于物理概念具有抽象性，上述要素均屬于學(xué)生的認知難點。筆者對浙江省使用的教科版小學(xué)科學(xué)教材和浙教版中學(xué)科學(xué)教材進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)兩者“物理領(lǐng)域”中存在銜接關(guān)系的相關(guān)單元共有七個，具有顯著的銜接性、進階性的探究活動超過30個。筆者認為，充分考慮“物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域”科學(xué)概念的進階關(guān)系和銜接作用，在精心設(shè)計的基礎(chǔ)上有效開展銜接性探究活動，使中小學(xué)物理概念保持一致，對于彌合不同學(xué)段，尤其是小學(xué)和中學(xué)兩個學(xué)段之間的教學(xué)斷點，實現(xiàn)課標要求的教學(xué)銜接，具有重要意義。

數(shù)字化實驗系統(tǒng)是借助信息技術(shù)對傳統(tǒng)實驗教學(xué)改進的產(chǎn)物。數(shù)字化實驗與傳統(tǒng)實驗貌似大相徑庭，其實兩者都是面向真實對象的實驗。以目前浙江省配備較多的DIS為例（Digital Information System，即“數(shù)字化信息系統(tǒng)”^[3]），該系統(tǒng)由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+實驗軟件包+計算機”組成，能夠高速、精準地采集幾乎所有類型的實驗數(shù)據(jù)并交由專用軟件進行分析。教師應(yīng)用DIS能有效克服傳統(tǒng)實驗手段讀數(shù)緩慢、誤差過大、儀器笨重等弊端，并借助對微小信號的放大、暫態(tài)信號的捕捉和能夠顯示過程的曲線功能，實現(xiàn)諸多實驗現(xiàn)象的可視化、直觀化，顯著降低科學(xué)探究活動的難度，極大地豐富學(xué)生的科學(xué)體驗^[4]。

學(xué)生使用交互式計算機“微型世界”來學(xué)習(xí)力學(xué)中力和運動的知識，同時獲得了動手和動腦的經(jīng)驗，對科學(xué)有了深入的理解。與許多十二年級學(xué)生相比，使用數(shù)字化學(xué)習(xí)工具的六年級學(xué)生能更好地理解加速度和速度的概念^[5]。

教師科學(xué)地開展數(shù)字化實驗，讓學(xué)生在小學(xué)就為初中的科學(xué)概念學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)，尤其是將抽象的物理概念教學(xué)適當(dāng)前置到小學(xué)階段，使學(xué)生獲得豐富的經(jīng)驗。如此，教師可以在小學(xué)階段為初中的科學(xué)教學(xué)鋪平道路。

二、數(shù)字化實驗應(yīng)用于中小學(xué)銜接性探究活動的實踐

表1所列的七個探究實踐活動屬于典型的中小學(xué)銜接的科學(xué)探究實踐活動。對于其中涉及的物質(zhì)科學(xué)等領(lǐng)域的概念，教師開展數(shù)字化實驗，可以使學(xué)生在小學(xué)階段獲得經(jīng)驗，深化理解。

（一）認識酒精燈的火焰

學(xué)生在三年級學(xué)習(xí)“水”單元“水沸騰了”的知識時會接觸酒精燈，其中多數(shù)學(xué)生可能是第一次。教材在此處僅針對酒精燈給出相關(guān)安全提示，但在教學(xué)中，教師往往會告知學(xué)生酒精燈火焰的外焰溫度最高，要求用外焰加熱。小學(xué)生會心生疑問：為什么外焰溫度最高？如果教師此時給出實驗測量的支架，小學(xué)生就能輕松翻過認知陡坡，從而對酒精燈火焰的特性形成完整的認知，構(gòu)建起火焰的三層結(jié)構(gòu)模型。

學(xué)生在三年級系統(tǒng)地學(xué)用酒精燈，在七年級參與“走進科學(xué)實驗室”活動，但教材給出的實驗依然是基于木條炭化程度的間接驗證。由于木條炭化程度由木條材質(zhì)、溫度、受熱時間和氧氣含量等因素共同決定，該實驗的現(xiàn)象往往給學(xué)生增添更多困惑，甚至讓教師陷入尷尬境地。

針對上述問題，筆者使用高溫傳感器開展實驗（如圖1），從焰心開始測量，依次延伸到內(nèi)焰、外焰。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示可知：酒精燈火焰不同位置的溫度各不相同，其中溫度最高的是外焰部位。在小學(xué)三年級開展此實驗后，經(jīng)訪談和測試，筆者發(fā)現(xiàn)結(jié)合酒精燈火焰結(jié)構(gòu)圖，三年級學(xué)生也可以輕松建立酒精燈火焰溫度分布的物理模型（如圖2），這樣酒精燈火焰溫度分布問題被“一站式”解決。到初中后，只要教師稍加點撥，學(xué)生就會認識到火焰不同部位之間溫度差異的主要成因在于氧氣的多寡。借助此番點撥，氧氣作為燃燒的條件之一這個重要概念也就植入了學(xué)生的腦海。

（二）物質(zhì)的三態(tài)變化

三年級學(xué)生參與“水”單元的“水沸騰了”“水結(jié)冰了”“冰融化了”等活動，初步感知，當(dāng)溫度變化后水的形態(tài)會發(fā)生變化。五年級學(xué)生學(xué)習(xí)“熱”單元的“溫度和水的變化”“水的蒸發(fā)和凝結(jié)”時，教師讓學(xué)生測量水的三態(tài)變化中的溫度變化，得出水結(jié)冰和冰融化時的臨界溫度。七年級學(xué)生學(xué)習(xí)“物質(zhì)的特性”單元“熔化與凝固”時，教師將研究對象擴展到固體物質(zhì)的熔點及其他物質(zhì)形態(tài)變化對溫度的要求。這三個活動彼此孤立，學(xué)生的認知進階缺乏手段支撐，影響教學(xué)效果。為此，筆者將溫度傳感器引入探究活動中，利用溫度傳感器將上述三個活動有機統(tǒng)合。在精準的實驗數(shù)據(jù)的支持下，對五年級探究活動和三年級的教學(xué)內(nèi)容進行整合，讓小學(xué)生在觀察水的三態(tài)變化的同時，獲得水三態(tài)變化的支持條件——特定的溫度（如圖3）。教師可將水的冰點和沸點作為研究起點，使學(xué)生進入初中（學(xué)習(xí)對象被擴展到其他物質(zhì)）時能自然地使用溫度傳感器，開展相應(yīng)的自主學(xué)習(xí)和自主探究。如在七年級探究活動中，筆者使用溫度傳感器教學(xué)，讓初中生測量獲取松香、海波和焊錫熔化時的溫度（如圖4），不僅確保了他們對科學(xué)概念的認知效果，而且促進了學(xué)段之間的概念銜接。

（三）看不見的磁場

二年級學(xué)生學(xué)習(xí)“磁鐵”單元“磁鐵的兩極”時，被要求利用回形針來判定磁鐵各個部分磁力大小。六年級學(xué)生學(xué)習(xí)“能量”單元“電力和磁力”時，被要求通過判定電磁鐵吸引大頭針的數(shù)量研究電磁鐵的磁力大小。八年級學(xué)生學(xué)習(xí)“電與磁”單元“電生磁”時，被要求基于研究電力和磁力的對應(yīng)變化來探究電磁鐵磁力變化規(guī)律。教材通過從磁鐵到電磁鐵的逐級進階，完成概念體系的構(gòu)建。但因磁場本身不可見，學(xué)生只能借助回形針、大頭針來進行定性觀察，實驗結(jié)果容易出現(xiàn)偏差，概念建構(gòu)遭遇困境。

筆者將磁感應(yīng)強度傳感器引入“磁場”相關(guān)的銜接性活動中后，指導(dǎo)學(xué)生研究磁鐵不同部位對回形針、大頭針的吸引現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)傳感器給出的測量數(shù)據(jù)能夠讓小學(xué)生對磁場形成更為全面的認知。有了數(shù)據(jù)支持，二年級學(xué)生也能針對磁鐵的性質(zhì)給出符合科學(xué)規(guī)律的解釋。筆者借助磁感應(yīng)強度傳感器顯示的負值（如圖5），定義磁場的南極（S極）和北極（N極）。結(jié)果學(xué)生對負值所代表的磁場方向的理解大大超出了教師的預(yù)期。學(xué)生在小學(xué)階段有了測量磁感應(yīng)強度的經(jīng)驗與基礎(chǔ)，到了初中階段，能夠更好地理解磁場線的疏密與磁場的關(guān)系。

（四）認識力

力與磁場相仿，也是不可見的物理現(xiàn)象。測量力的大小是典型的中小學(xué)銜接性探究活動，在教材中多次出現(xiàn)。四年級學(xué)生學(xué)習(xí)“運動和力”時，被要求探究“彈簧測力計”，了解測力計的使用方法和工作原理。教師為七年級學(xué)生講授“運動和力”單元“重力”“牛頓第一運動定律”“摩擦力”“水的浮力”，涉及彈簧測力計的工作原理，并要求學(xué)生利用測力計測量力的大小、探究力和物體運動之間的規(guī)律。但因彈簧測力計的量程和精度有限，且只能測拉力不能測壓力，阻礙了學(xué)生在探究活動中對力現(xiàn)象的直觀感受，限制其認知體系內(nèi)有關(guān)力的物理模型的構(gòu)建。教材設(shè)置的進階活動始終圍繞著彈簧測力計原地踏步，提升學(xué)生認知效果有限。

筆者將數(shù)字化實驗嵌入相關(guān)銜接性探究活動中，讓四年級學(xué)生依次使用彈簧測力計和力傳感器（如圖6），在精確的數(shù)字變化和“力—時間”曲線的幫助下，探究運動與摩擦力的關(guān)系。在研究“水的浮力”過程中，筆者利用浮力數(shù)字化實驗實驗裝置（排水法裝置和直觀法裝置），將重物掛在力傳感器之下，依次浸入水中（如圖7），并將浮球借助剛體連接在力傳感器之下，逐步浸入水中，讓學(xué)生認識到浮力的存在，并探究浮力與物體排開水的體積之間的關(guān)系。有了經(jīng)驗與知識儲備，學(xué)生在初中學(xué)習(xí)“牛頓第一運動定律”時，具備了借助數(shù)字化實驗系統(tǒng)自主設(shè)計簡單實驗的思維基礎(chǔ)和能力?？梢?，定量實驗手段的適當(dāng)應(yīng)用可成功實現(xiàn)概念下沉，有效彌合學(xué)段間的教學(xué)斷點，促進學(xué)生對物理模型的構(gòu)建。

（五）學(xué)習(xí)簡單機械

六年級學(xué)生學(xué)習(xí)“工具與技術(shù)”單元“斜面”和“不簡單的杠桿”時，被要求利用測力計測量使用簡單機械前后物體受力的變化，以驗證簡單機械的效用。九年級學(xué)生學(xué)習(xí)“能量的轉(zhuǎn)換與守恒”單元“簡單機械”時被要求通過測量和計算，了解機械運作中力和能量的轉(zhuǎn)換情況。筆者使用力傳感器開展與力相關(guān)教學(xué)并積累了一定經(jīng)驗之后，將傳感器引入簡單機械領(lǐng)域，讓六年級學(xué)生初步接受原本為九年級學(xué)生設(shè)置的概念，引導(dǎo)他們借助傳感器給出的正負號，更好地理解和認識力的方向，降低“簡單機械”的學(xué)習(xí)難度。

（六）熱傳遞

學(xué)生在五年級和七年級都要學(xué)習(xí)有關(guān)熱的知識，熱在不同物體中的傳遞方式是學(xué)生認知的難點。熱的傳遞相對抽象，學(xué)生使用溫度計測量難以發(fā)現(xiàn)熱在傳遞中的溫度變化。教材給出的建議有：手摸感覺溫度變化，利用溫變油墨的顏色變化判斷，比較凡士林的熔融次序等。以金屬熱傳導(dǎo)實驗為例，凡士林所粘的火柴棒會受到金屬棒加熱速率、凡士林涂抹均勻性和空氣流動等因素的影響，導(dǎo)致掉落順序出現(xiàn)偏差，干擾學(xué)生建構(gòu)正確的科學(xué)概念。

在小學(xué)的熱傳導(dǎo)實驗教學(xué)中，筆者先讓學(xué)生在溫度傳感器輔助下，構(gòu)建針對金屬熱傳導(dǎo)的物理模型，區(qū)分不同金屬的導(dǎo)熱屬性，再讓學(xué)生用溫度傳感器測量空氣溫度與體積變化，破除了學(xué)生的認知障礙。到了初中，學(xué)生可以更好地理解熱量的概念，測量和計算熱量的變化。

（七）振動與發(fā)聲

由于缺乏定量測量手段，小學(xué)四年級“聲音的高與低”單元教學(xué)與七年級“對環(huán)境的察覺”單元教學(xué)（“聲音的產(chǎn)生和傳播”和“耳的聽覺”等活動）變化不大，難以讓學(xué)生進階。為解決上述問題，筆者在小學(xué)引入聲波傳感器和聲強傳感器，強化振動發(fā)生的概念；在初中引入聲學(xué)教學(xué)軟件包，幫助學(xué)生厘清“聲的三要素”；進而讓學(xué)生借助DIS振動與發(fā)聲實驗器了解樂器的振動原理和發(fā)聲規(guī)律。筆者依托數(shù)字化實驗，引導(dǎo)學(xué)生三步進階，有效地促進了學(xué)生了解聲現(xiàn)象并認識科學(xué)規(guī)律。

三、結(jié)論和展望

針對中小學(xué)科學(xué)教學(xué)過程中存在的銜接不暢的問題，教師借助數(shù)字化實驗改進探究活動的設(shè)計，可以促進中小學(xué)科學(xué)教學(xué)的有效銜接，實現(xiàn)實驗現(xiàn)象的可視化、直觀化。教師使用多樣化、可定制的技術(shù)手段能更好地滿足不同學(xué)段學(xué)生的需求，讓學(xué)生深化概念理解，實現(xiàn)能力進階。中小學(xué)科學(xué)教師應(yīng)在數(shù)字技術(shù)的助力下，結(jié)對開展跨學(xué)段的交流，共同研討如何利用數(shù)字化實驗促進課堂教學(xué)，定期深度溝通，針對需求設(shè)置適合的前置性活動，促進中小學(xué)科學(xué)教學(xué)的有序進階。

參考文獻

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[5] 約翰·D·布蘭思福特，等.人是如何學(xué)習(xí)的：大腦、心理、經(jīng)驗及學(xué)校（擴展版）[M].程可拉，孫亞玲，王旭卿，譯.上海：華東師范大學(xué)出版社，2013.

（作者系浙江省杭州市競舟第二小學(xué)教科室主任，高級教師，杭州市西湖區(qū)項目制名師工作室導(dǎo)師）

責(zé)任編輯：祝元志