王思緒

〔摘? ? 要〕? 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)系越來越緊密，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)器材在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造能力和核心素養(yǎng)時(shí)的不足，使實(shí)驗(yàn)更直觀、精確的同時(shí)，也拓寬了學(xué)生的視野與思考問題的角度。本文以《光的反射》為例，具體說明數(shù)字傳感器在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的作用，并對(duì)傳感器的使用做出思考。

〔關(guān)鍵詞〕? 小學(xué)科學(xué)；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；研析

〔中圖分類號(hào)〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號(hào)〕? 1674-6317? ? （2024）? 10? ? 067-069

隨著教育數(shù)字化戰(zhàn)略的推進(jìn)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)系越來越緊密。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)就是在數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的幫助下完成科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)，例如傳感器等。在業(yè)內(nèi)，數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)也被稱作“數(shù)字化信息實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，簡(jiǎn)稱DIS。其在教育部頒布的裝備標(biāo)準(zhǔn)中被稱為“計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)”或“理科綜合／生物／理科綜合實(shí)驗(yàn)微機(jī)接口及輔助教學(xué)系統(tǒng)”，它是計(jì)算機(jī)信息技術(shù)應(yīng)用到理科實(shí)驗(yàn)中的一種現(xiàn)代化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（2022年版）旨在培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，為學(xué)生的終身發(fā)展奠定基礎(chǔ)，引導(dǎo)學(xué)生掌握基本的科學(xué)方法，具有初步的探究實(shí)踐能力和初步的技術(shù)與工程實(shí)踐能力。而探究實(shí)踐作為科學(xué)學(xué)習(xí)的主要方式，對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、思維能力、探究能力有很重要的作用，教師如何根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和教學(xué)內(nèi)容，利用傳感器等數(shù)字化實(shí)驗(yàn)器材更好地引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，就顯得尤為重要。傳感器等數(shù)字化實(shí)驗(yàn)器材的使用有利于教師突破教學(xué)重難點(diǎn)、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、開闊學(xué)生的視野。傳感器能提高實(shí)驗(yàn)測(cè)量的精度和速度，使實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象更加形象，是常規(guī)實(shí)驗(yàn)儀器所做不到的，也是一種深層次的信息技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的整合。這在教學(xué)中，不僅增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和對(duì)科學(xué)的喜愛，還能使學(xué)生比較牢靠地掌握所要學(xué)習(xí)的知識(shí)，并進(jìn)一步領(lǐng)略到現(xiàn)代科學(xué)實(shí)驗(yàn)的技術(shù)和手段。

一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究中應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)

科學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生科學(xué)思維的培養(yǎng)與創(chuàng)新、從科學(xué)角度分析事物之間存在的聯(lián)系與規(guī)律、用科學(xué)方法解決問題等方面有重要作用。小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)以探究實(shí)踐為核心，學(xué)生在自主探究實(shí)踐中收獲相應(yīng)的科學(xué)知識(shí)，得到科學(xué)思維能力的提升與核心素養(yǎng)的發(fā)展。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合，對(duì)提高學(xué)生科學(xué)探究能力有很大的幫助。

（一）培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力

相較于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)可以最大程度地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，讓學(xué)生在自己動(dòng)手操作的過程中，自己分析數(shù)據(jù)、觀察現(xiàn)象，理解其中蘊(yùn)含的實(shí)驗(yàn)原理，得出結(jié)論。學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)得出結(jié)論，應(yīng)用于實(shí)際并自主解決問題，充分發(fā)揮自主性，培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)造能力，其思維認(rèn)識(shí)發(fā)展能力也可以得到提升。

（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果更準(zhǔn)確

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)以計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)運(yùn)行，傳感器和采集器使實(shí)驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)更精確。由機(jī)器替代人工讀取，在一定程度上避免了學(xué)生人手不足、讀取時(shí)間錯(cuò)誤導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯(cuò)等等原因所帶來的實(shí)驗(yàn)誤差。同時(shí)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)根據(jù)數(shù)據(jù)自動(dòng)生成圖像，學(xué)生可以更直觀地實(shí)時(shí)觀察到數(shù)據(jù)的變化，增加實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

二、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足

小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)基本圍繞探究實(shí)踐展開，在大多數(shù)的教學(xué)中都需要學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。在傳統(tǒng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，學(xué)生通過自己動(dòng)手參與實(shí)驗(yàn)的過程，獲得科學(xué)知識(shí)，解決實(shí)驗(yàn)問題，提高學(xué)習(xí)能力和自主學(xué)習(xí)能力，促進(jìn)核心素養(yǎng)的發(fā)展。同時(shí)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)也培養(yǎng)了學(xué)生了解、正確使用實(shí)驗(yàn)器材的能力，但在此過程中，也存在一些不足。

（一）部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠精確

在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，“物質(zhì)與能量”部分對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的精確度要求較高，失之毫厘，差之千里。而在現(xiàn)實(shí)的科學(xué)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與分析基本都要依靠學(xué)生自己手動(dòng)完成，受人為因素的影響大，在觀察記錄的過程中往往會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)偏差，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果不準(zhǔn)確。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)器材的精確度也會(huì)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果，器材的分度值范圍具有局限性，數(shù)據(jù)精確度也會(huì)降低。

（二）部分實(shí)驗(yàn)效率較低

小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中的瞬發(fā)性實(shí)驗(yàn)對(duì)學(xué)生的注意力以及操作有所要求，人為因素影響很容易造成學(xué)生錯(cuò)過重要的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，導(dǎo)致從頭再來。一些需時(shí)較長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)，其操作時(shí)間也會(huì)相應(yīng)拉長(zhǎng)，造成實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象觀察以及數(shù)據(jù)分析部分會(huì)被操作過程的時(shí)長(zhǎng)所占，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)重心偏移。

三、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究中應(yīng)用的實(shí)踐

本文在小學(xué)科學(xué)課堂《光的反射》一課中，運(yùn)用傳感器進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)探究。

（一）創(chuàng)設(shè)任務(wù)情境，引發(fā)學(xué)生興趣

直接出示已經(jīng)制作完成的光的反射現(xiàn)象玩具，將激光筆從入口射入，猜測(cè)光線會(huì)從A、B哪個(gè)孔出現(xiàn)？觀察現(xiàn)象并思考：為什么光線會(huì)從玩具A孔出現(xiàn)？由此引出光的反射現(xiàn)象。通過直接出示制作玩具的任務(wù)，使學(xué)生意識(shí)到可通過改變光的行進(jìn)路徑改變方向，引導(dǎo)學(xué)生思考怎么樣或者利用什么改變光的行進(jìn)路線。學(xué)生知道了光的反射現(xiàn)象，卻不清楚具體概念，這為后面明確光的反射定義并選擇制作玩具的材料打下了基礎(chǔ)。

教學(xué)片段一：

師出示玩具盒：老師今天帶來了一個(gè)玩具，上面有3個(gè)孔，分別是入口與對(duì)面的A孔以及側(cè)邊的B孔，激光筆的光線從入口進(jìn)入，會(huì)從哪個(gè)孔出來呢？

思考A與B孔哪一處的光屏上會(huì)出現(xiàn)光斑。

師展示玩具：光線從B孔出來了，為什么？

活動(dòng)一：

過渡：光線為什么會(huì)從B孔出來？

學(xué)生說一說自己的猜測(cè)。（里面有鏡片）

過渡：那接下來我們就利用鏡子嘗試使光線從B孔出來，做一做這個(gè)玩具。

實(shí)驗(yàn)：小組合作畫出設(shè)計(jì)圖并利用激光筆與光屏進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

交流展示：學(xué)生交流自己的設(shè)計(jì)并展示最終結(jié)果。

提問：我們通過擺放鏡片改變了什么？

明確光的反射概念：通過改變光的行進(jìn)路線完成要求，光線照射到物體表面后會(huì)折返，這種現(xiàn)象叫作光的反射。

（二）明確任務(wù)，展開數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

學(xué)生在親歷光的反射玩具之后，發(fā)現(xiàn)問題并需想辦法解決問題：如何改進(jìn)玩具以減弱光線強(qiáng)度，保證用眼安全？傳感器的出現(xiàn)可以很好地解決問題，利用光強(qiáng)傳感器，測(cè)試反射出的光線的強(qiáng)度大小，對(duì)比數(shù)據(jù)分析選擇出最適合制作玩具的材料。

教學(xué)片段二：

活動(dòng)二：

過渡：在嘗試使光線從B孔出來的過程中你有什么感受？人眼可接受的光強(qiáng)度應(yīng)＜2000Lux，介紹光強(qiáng)傳感器，測(cè)試鏡片反射出的光線強(qiáng)度是多少。

談話：55000Lux遠(yuǎn)超出安全范圍，怎么改進(jìn)玩具，減弱光線強(qiáng)度，保證用眼安全？

學(xué)生思考如何改變光線的強(qiáng)弱（反射次數(shù)、顏色、材料……）。

談話：今天這節(jié)課我們就先來研究材料。你能想到什么材料？為什么用這些材料來替換？（出示材料）這些材料可以幫助你們研究嗎？你覺得哪個(gè)材料最符合要求？怎么設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)？

學(xué)生小組討論并分享交流。

實(shí)驗(yàn)：學(xué)生利用光強(qiáng)傳感器，測(cè)試各材料從B孔反射出來后的光線強(qiáng)度數(shù)值，分析數(shù)據(jù)，選擇最符合要求的材料。制作最終玩具。

匯報(bào)交流：總結(jié)我的發(fā)現(xiàn)，表面越光滑的物體，反射效果越好。

通過制作玩具，學(xué)生自己動(dòng)手測(cè)試，認(rèn)識(shí)到鏡片可以改變光的行進(jìn)路線，初步認(rèn)識(shí)光的反射。在匯報(bào)交流之后明確光的反射定義，在做中學(xué)，體會(huì)科學(xué)研究的過程，激發(fā)科學(xué)探究的興趣，符合學(xué)生的發(fā)展水平和認(rèn)知特性，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情被激發(fā)，能順利完成操作。

課本上強(qiáng)調(diào)材料表面的光滑與粗糙，至于究竟有多大的區(qū)別，學(xué)生經(jīng)常使用最直觀的方式——用眼睛去觀察。但在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，需要對(duì)比不同材料反射光的效果，那么，如何對(duì)比？用眼睛觀察能否保證實(shí)驗(yàn)的精準(zhǔn)？這時(shí)，可利用傳感器測(cè)量不同材料反射光的效果，將感官轉(zhuǎn)化為更直觀的數(shù)據(jù)，提高實(shí)驗(yàn)的精確性。并且，直觀地使用眼睛觀察光線強(qiáng)弱以判斷物體反射光線的強(qiáng)度往往具有主觀性，因而就會(huì)出現(xiàn)各種不同的卻又無法得到解決的問題。而利用數(shù)字傳感器，在一節(jié)課的時(shí)間內(nèi)將問題通過直接的數(shù)據(jù)得到解決，實(shí)驗(yàn)效率也大大地得到了提高，學(xué)生在做實(shí)驗(yàn)上的時(shí)間減少，就有足夠多的自主思考和交流的時(shí)間。

數(shù)字傳感技術(shù)因其具備很高的靈敏度，可用于捕捉實(shí)驗(yàn)中的微弱變化，同時(shí)，它能夠連續(xù)采樣，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)收集和處理能力，能以數(shù)據(jù)或圖形形式實(shí)時(shí)呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。利用光敏傳感器，將光線反射在不同材料表面，通過感應(yīng)端，將光的反射效果數(shù)字化，學(xué)生讀取顯示屏上的數(shù)據(jù)，很容易就能得出結(jié)果，通過整理、分析數(shù)據(jù)得出結(jié)論。

（三）分析數(shù)據(jù)，層層遞進(jìn)

學(xué)生對(duì)比分析數(shù)據(jù)，得到最適合用于改進(jìn)玩具的材料，認(rèn)識(shí)到物體表面光滑程度會(huì)影響光的反射效果。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中，想辦法改變光線強(qiáng)度，進(jìn)一步對(duì)比觀察幾組反射物材料，發(fā)現(xiàn)物體表面越光滑，反射效果越好，在自主學(xué)習(xí)中歸納光的反射規(guī)律。最后，他們互相評(píng)價(jià)了解還有很多其他原因會(huì)影響光的反射，加深了對(duì)光的反射概念和規(guī)律的理解，課后，讓學(xué)生繼續(xù)尋找生活中的光的反射，提出“光污染”等現(xiàn)實(shí)生活中的問題，延續(xù)學(xué)習(xí)。

教學(xué)片段三：

活動(dòng)三：

過渡：我們成功改進(jìn)了玩具，做得怎么樣呢？有沒有達(dá)標(biāo)呢？請(qǐng)按照這份評(píng)價(jià)表對(duì)你們的玩具進(jìn)行公正評(píng)價(jià)，并根據(jù)今天這節(jié)課上自己的表現(xiàn)，完成小組合作評(píng)價(jià)表。

為什么大家都是按要求制作的，評(píng)價(jià)結(jié)果卻有不同呢？在分析數(shù)據(jù)時(shí)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)，黑色塑料片與白色塑料片雖然都是塑料片，但它們反射光的效果的數(shù)據(jù)卻有差別，這時(shí)就又引出了另外一個(gè)影響光的反射效果的因素：相同材料不同顏色的物體，反射光的效果如何？由不同材料轉(zhuǎn)向相同材料不同顏色，實(shí)驗(yàn)探究不斷深入，提高了學(xué)生的思維水平與科學(xué)探究能力。

利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)優(yōu)化科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將實(shí)驗(yàn)生動(dòng)化、形象化、直觀化，激發(fā)學(xué)生的好奇心，學(xué)生能夠更好地掌握科學(xué)知識(shí)，并將科學(xué)知識(shí)與實(shí)際生活聯(lián)系起來，完成知識(shí)的內(nèi)化。同時(shí)，可讓科學(xué)學(xué)習(xí)更簡(jiǎn)便，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中不斷發(fā)現(xiàn)新問題，強(qiáng)化自主學(xué)習(xí)能力，培養(yǎng)自己的科學(xué)思維能力。

四、結(jié)語(yǔ)

數(shù)字傳感器的使用讓科學(xué)課堂更精彩，實(shí)驗(yàn)操作更便捷，實(shí)驗(yàn)過程更規(guī)范，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更直觀，有效培養(yǎng)了學(xué)生科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度。但是，完全放棄傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的確定性，過度依賴傳感器等數(shù)字化實(shí)驗(yàn)器材，會(huì)減弱學(xué)生自主思考的能力，弱化學(xué)生的操作、記錄等重要能力的培養(yǎng)，學(xué)生會(huì)跳過更加重要的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程，摒棄更加重要的實(shí)驗(yàn)原理。所以，教師應(yīng)根據(jù)教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)目標(biāo)，合理、恰當(dāng)?shù)夭捎脭?shù)字化實(shí)驗(yàn)，才能將數(shù)字化教學(xué)的益處最大化。

參考文獻(xiàn)

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