〔摘" "要〕" 本文深度聚焦人工智能技術(shù)重塑傳統(tǒng)實驗教學(xué)模式，通過系統(tǒng)剖析亮度傳感器、溫度傳感器及聲音傳感器在典型實驗場景中的具體實踐案例，全面探討人工智能技術(shù)如何實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)采集、實時動態(tài)監(jiān)測與多維可視化呈現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，該技術(shù)的深度應(yīng)用能夠顯著提升學(xué)生的實驗操作實踐能力、數(shù)據(jù)分析邏輯思維及科學(xué)探究創(chuàng)新興趣，從而為教育信息化快速發(fā)展背景下的小學(xué)科學(xué)教學(xué)改革提供切實可行的實踐參考范式。

〔關(guān)鍵詞〕" 小學(xué)科學(xué)；人工智能；實驗教學(xué)；傳感器技術(shù)；教育信息化

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標(biāo)識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）20" " 0082-03

2025年，《教育部等九部門關(guān)于加快推進教育數(shù)字化的意見》正式落地實施，這一重要政策為我國教育領(lǐng)域的全面革新按下了“快進鍵”。該意見明確將教育數(shù)字化作為關(guān)鍵突破口，旨在全方位支撐教育強國建設(shè)的宏偉目標(biāo)，其中人工智能技術(shù)與教育教學(xué)的深度有機融合成為核心亮點，正有力促使傳統(tǒng)教育教學(xué)模式迎來前所未有的顛覆性重塑。

人工智能是對于人類智能進行相關(guān)理論、方法的研究，利用先進的技術(shù)和技能進行模擬、技術(shù)拓展的一種新型技術(shù)科學(xué)研究，其與教育教學(xué)領(lǐng)域的深度融合，正在從根本上重塑實驗教學(xué)模式。這種重塑不僅體現(xiàn)在教學(xué)工具的升級換代上，更重要的是推動教學(xué)理念和教學(xué)方法從傳統(tǒng)的定性分析向現(xiàn)代的定量研究轉(zhuǎn)變，為小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)開辟了全新的發(fā)展空間。

一、透明度數(shù)據(jù)化：讓抽象概念可視化

（一）實時監(jiān)測水質(zhì)，優(yōu)化凈水器設(shè)計

在蘇教版科學(xué)三年級上冊“設(shè)計凈水器”這一實驗教學(xué)中，創(chuàng)新性地利用亮度傳感器來測量凈水效果，已成為一種極具實用價值的創(chuàng)新方法。亮度傳感器能夠憑借其高精度的感知能力，精確測量水質(zhì)的透明度，進而通過透明度這一指標(biāo)間接反映水中雜質(zhì)和污染物的含量情況。這一技術(shù)的成功應(yīng)用，使凈水器的設(shè)計過程更加科學(xué)合理，有效提升了凈水器的凈水效率。

通過亮度傳感器的實時監(jiān)測功能，我們能夠動態(tài)追蹤凈水器處理水質(zhì)的全過程。當(dāng)水源進入凈水器的瞬間，傳感器便會迅速記錄下初始的水質(zhì)透明度數(shù)據(jù)。隨著凈水器的持續(xù)工作，水中的雜質(zhì)和污染物被逐步去除，水質(zhì)的透明度也隨之不斷提高。亮度傳感器能夠敏銳捕捉到這一細微的變化過程，并將其精準(zhǔn)轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)值，使師生能夠直觀、清晰地了解凈水器的實際凈水效果。

除了實現(xiàn)實時監(jiān)測外，亮度傳感器在凈水器的性能評估和優(yōu)化方面也發(fā)揮著重要作用。通過對比不同小組在同一水源條件下設(shè)計的不同凈水器的凈水效果數(shù)據(jù)，我們能夠客觀、科學(xué)地篩選出性能更優(yōu)的凈水器設(shè)計方案，這一數(shù)據(jù)對比也成為評價不同小組設(shè)計優(yōu)劣的重要指標(biāo)。同時，基于亮度傳感器反饋的詳細數(shù)據(jù)，學(xué)生和教師可以共同對凈水器的設(shè)計進行有針對性的改進和優(yōu)化，進一步提高其凈水效率和工作穩(wěn)定性。

（二）精準(zhǔn)測量透明度，探索巖石的奧秘

事實上，亮度傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域遠不止水質(zhì)監(jiān)測，它在其他科學(xué)實驗中同樣能發(fā)揮重要作用。在巖石和礦物質(zhì)透明度的教學(xué)過程中，透明度作為一項重要的物理性質(zhì)，以往的教學(xué)方式難以對其進行精準(zhǔn)測量和量化分析。而借助亮度傳感器，我們能夠精確測量不同巖石和礦物質(zhì)的透明度，為學(xué)生提供直觀、量化的數(shù)據(jù)支持，幫助他們更深入地了解這些巖石和礦物質(zhì)的本質(zhì)特點。

通過亮度傳感器，學(xué)生可以對不同巖石樣本的透光性進行測量和比較。這一實踐操作不僅有助于學(xué)生理解巖石的礦物組成和結(jié)構(gòu)特征，更能極大地激發(fā)他們對巖石成因和演化過程的探索興趣。例如，在觀察巖漿巖時，學(xué)生通過亮度傳感器測量其透光性，能夠據(jù)此推斷出巖石中礦物的結(jié)晶程度以及巖漿冷卻的速度等重要信息。對于沉積巖和變質(zhì)巖，亮度傳感器同樣能夠揭示出巖石中顆粒的大小、排列方式以及變質(zhì)作用的程度等關(guān)鍵特征。

在實驗教學(xué)環(huán)節(jié)，亮度傳感器的應(yīng)用更是發(fā)揮了不可替代的重要作用。教師可以基于亮度傳感器設(shè)計一系列富有啟發(fā)性的實驗，引導(dǎo)學(xué)生親手操作，通過測量不同條件下巖石樣本透光性的變化，深入理解巖石的物理和化學(xué)性質(zhì)。這種全新的教學(xué)方式，不僅有效提高了學(xué)生的動手實踐能力，更在實踐過程中培養(yǎng)了他們的實驗設(shè)計能力和數(shù)據(jù)分析能力。

二、溫度精確化：捕捉細微變化中的科學(xué)規(guī)律

（一）“熱水變涼”實驗中的動態(tài)溫度監(jiān)測

以蘇教版科學(xué)四年級下冊的“熱水變涼”實驗為例，在傳統(tǒng)的教學(xué)模式中，往往只能使用溫度計進行粗略的溫度測量，這種測量方式不僅精度有限，而且難以捕捉到溫度變化的細微過程。而引入溫度傳感器后，學(xué)生能夠更加精確地測量和記錄溫度數(shù)據(jù)，從而得以深入探究熱量傳遞和溫度變化的內(nèi)在規(guī)律。此外，學(xué)生還可以利用溫度傳感器進一步拓展實驗內(nèi)容和深度，探究如加入冰塊、冷水或不同種類的鹽等不同物質(zhì)對熱水冷卻速度的影響。

溫度傳感器的出現(xiàn)，為這一經(jīng)典實驗帶來了全新的變革。其極高的靈敏度能夠精準(zhǔn)感知溫度的細微波動，有效避免了因傳統(tǒng)測量誤差導(dǎo)致的對熱量傳遞和溫度變化規(guī)律的誤判。借助溫度傳感器提供的高精度溫度數(shù)據(jù)，學(xué)生能夠繪制出更為精確的溫度隨時間變化曲線，通過對這一曲線的分析，學(xué)生可以直觀發(fā)現(xiàn)熱水冷卻過程中速率的階段性差異，進而深入理解熱傳遞在不同階段的特性。

（二）“種子萌發(fā)條件”實驗中的溫度控制

在蘇教版科學(xué)三年級下冊“種子萌發(fā)條件”的探究實驗中，溫度傳感器扮演著關(guān)鍵角色。在以往的實驗中，學(xué)生只能依靠簡單的環(huán)境感知或簡單的溫度計進行溫度測量，難以精確把控種子所處環(huán)境的溫度，導(dǎo)致實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性受到影響。而如今，借助溫度傳感器，學(xué)生能夠精準(zhǔn)監(jiān)測不同環(huán)境下種子周圍的溫度細微變化，為實驗的精確開展提供了有力保障。

在實驗過程中，學(xué)生可以靈活設(shè)置不同的溫度環(huán)境，例如利用恒溫箱和冷藏柜分別營造溫暖和寒冷的環(huán)境。通過溫度傳感器的實時反饋，學(xué)生能夠清晰觀察到在溫暖環(huán)境下，當(dāng)溫度維持在約25℃ 時，種子能夠較早開始萌動，幼芽突破種皮的速度也較快；而在寒冷環(huán)境中，當(dāng)溫度處于5℃ 左右時，種子的萌發(fā)進程明顯受阻，發(fā)芽數(shù)量稀少。

隨著實驗的持續(xù)進行，學(xué)生以一周為周期，每天定時記錄種子的萌發(fā)數(shù)量，并將這些數(shù)據(jù)與溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)進行有機結(jié)合。通過詳細的數(shù)據(jù)統(tǒng)計與深入分析，學(xué)生不僅能夠直觀了解溫度對種子萌發(fā)速度和發(fā)芽率的影響，還能利用計算機技術(shù)生成發(fā)芽率與溫度的對應(yīng)曲線，從而清晰界定出種子萌發(fā)所需的適宜溫度范圍。這一過程不僅培養(yǎng)了學(xué)生的數(shù)據(jù)收集和分析能力，更讓他們親身體驗了科學(xué)探究的基本方法和過程。

三、分貝可視化：讓聲音特性數(shù)據(jù)化

（一）音量量化傳導(dǎo)：探究不同介質(zhì)傳聲效率

在蘇教版科學(xué)三年級下冊“探究聲音在不同介質(zhì)中傳播”的實驗教學(xué)中，聲音傳感器如同連接抽象聲學(xué)世界與具象數(shù)據(jù)的橋梁，將聲波在不同介質(zhì)中的傳播特性轉(zhuǎn)化為可測量、可對比的分貝數(shù)值。當(dāng)聲源在空氣、水、固體等介質(zhì)中振動時，傳感器以毫秒級響應(yīng)捕獲聲信號強度，為學(xué)生構(gòu)建起“介質(zhì)特性—傳聲效率”的直觀認(rèn)知鏈條：如固體傳聲的高效性驗證：選取50厘米長的金屬棒作為實驗樣本，用相同力度敲擊一端時，貼附在另一端的聲音傳感器顯示分貝值達75dB，較空氣中高出30dB。當(dāng)金屬棒受敲擊振動時，分子間的緊密連接使機械波傳遞幾乎無能量損耗，而空氣分子因間距大、碰撞概率低，導(dǎo)致聲能快速衰減。學(xué)生通過觸摸金屬棒振動端與空氣傳聲的聽覺延遲對比，進一步感知到固體傳聲“速度快、損耗小”的特點。

在蘇教版科學(xué)三年級下冊“土電話”的實驗中，經(jīng)典的棉線傳聲實驗中，學(xué)生自主對比了棉線繃緊與松弛兩種狀態(tài)的傳聲效果。當(dāng)棉線被繃緊時，傳聲分貝值達65dB；而松弛狀態(tài)下僅為50dB，15dB的差異直觀驗證了介質(zhì)緊張度對傳聲的影響。通過更深入地探究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)棉線張力達到一定程度時，聲波沿直線傳播的能量損耗最小，若張力不足，棉線會因橫向振動消耗聲能，這一現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生關(guān)聯(lián)到弦樂器中“琴弦松緊影響音高”的生活實例，實現(xiàn)知識遷移。

（二）振動幅值量化：解析音量與振動的關(guān)聯(lián)

在蘇教版科學(xué)三年級下冊《不同的聲音》一課中，通過聲音傳感器與鼓面振動實驗的結(jié)合，將“振動產(chǎn)生聲音”的科學(xué)原理轉(zhuǎn)化為可視化的動態(tài)數(shù)據(jù)模型。學(xué)生在敲擊鼓面的實踐中，通過“力度控制—振動觀察—數(shù)據(jù)記錄”的探究流程，建立起多變量之間的因果關(guān)聯(lián)。敲擊力度與音量的動態(tài)對應(yīng)：輕敲鼓面時，傳感器記錄的分貝值約為60dB，此時鼓面泡沫顆粒的跳動高度為1cm～2cm；而重敲鼓面時，分貝值迅速升至85dB，顆粒跳起高度達到4cm～5cm。這種“力度—振幅—音量”的同步變化，通過高速攝像機的慢放畫面進一步驗證——重敲時鼓下面皮革的形變幅度是輕敲時的3倍，印證了“振動幅度越大，聲波能量越強”的物理規(guī)律。學(xué)生可以同步利用相關(guān)軟件繪制形成“敲擊力度—分貝值”曲線，呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)關(guān)系，強化了對變量關(guān)聯(lián)的數(shù)學(xué)表達能力。

更換不同材質(zhì)的鼓面（牛皮紙、塑料膜）進行對比實驗時，傳感器數(shù)據(jù)揭示了振動介質(zhì)的差異化影響。厚度0.3毫米的牛皮紙鼓面在相同敲擊力度下，分貝值比0.1毫米的塑料膜低10dB。這是因為牛皮紙纖維結(jié)構(gòu)疏松，振動時內(nèi)部摩擦消耗更多能量；而塑料膜質(zhì)地均勻、彈性好，能維持更長時間的振動。傳感器反饋的數(shù)據(jù)差異能夠進一步揭示振動介質(zhì)對音量的影響，拓展學(xué)生的科學(xué)認(rèn)知。

四、教學(xué)實踐成效與未來發(fā)展路徑

經(jīng)過一段時間的教學(xué)實踐，引入人工智能傳感器技術(shù)的教學(xué)班級取得了顯著的教學(xué)成效。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，學(xué)生實驗報告中的數(shù)據(jù)引用量較傳統(tǒng)教學(xué)模式有所提升，實驗設(shè)計的創(chuàng)新性方案增加了65%，科學(xué)探究興趣測評得分提高了42%。這些數(shù)據(jù)表明，人工智能技術(shù)與傳感器技術(shù)的深度融合，不僅大幅提升了教學(xué)效率，更重要的是有效培養(yǎng)了學(xué)生“用數(shù)據(jù)說話”的科學(xué)思維方式，為學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)提升奠定了堅實基礎(chǔ)。

展望未來，人工智能技術(shù)在小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用可以從以下三個維度進一步深化：首先拓展傳感器類型，除了目前應(yīng)用較廣的亮度、溫度和聲音傳感器外，還可以引入濕度、壓力、距離等更多類型的傳感器，以覆蓋更多的科學(xué)實驗場景，滿足多樣化的教學(xué)需求。其次是積極探索跨學(xué)科融合路徑，將傳感器采集的數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)建模、編程設(shè)計、藝術(shù)創(chuàng)作等學(xué)科有機結(jié)合，例如可以嘗試用聲音數(shù)據(jù)生成可視化藝術(shù)作品，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和跨學(xué)科應(yīng)用能力。最后是構(gòu)建云端實驗數(shù)據(jù)平臺，通過這一平臺實現(xiàn)不同學(xué)校、不同地區(qū)之間的實驗數(shù)據(jù)共享與對比分析，形成區(qū)域性的科學(xué)實驗數(shù)據(jù)庫，為科學(xué)教育研究和教學(xué)實踐提供更廣闊的發(fā)展空間。

人工智能與傳感器技術(shù)在教育領(lǐng)域的深度應(yīng)用，正在深刻重塑小學(xué)科學(xué)實驗的教學(xué)范式。這種變革不僅僅是教學(xué)工具的簡單升級，更是科學(xué)思維培養(yǎng)模式的根本性革新。它讓每個小學(xué)生都能在數(shù)據(jù)化的實驗過程中，親身體驗科學(xué)家探索未知世界的基本過程和方法，這或許正是教育數(shù)字化轉(zhuǎn)型賦予科學(xué)教育的深層價值和意義所在。未來，隨著技術(shù)的不斷進步和教學(xué)實踐的深入開展，人工智能必將在小學(xué)科學(xué)教育中發(fā)揮更加重要的作用，推動小學(xué)科學(xué)教育邁向新的發(fā)展高度。

【本文系廈門市思明區(qū)教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2022年度課題“STEM視域下小學(xué)人工智能課程設(shè)計與實踐研究”（課題號：Z2022X0523）和福建省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃2024年度課題“生態(tài)文明教育融入小學(xué)科學(xué)課程的實踐研究”（課題號：FJJKXX24-340）的研究成果】

參考文獻

[1]白書華，李素玲，丁良喜.人工智能在教育發(fā)展中的問題及對策[J].中國高?？萍迹?019（9）：94-96