《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》高度重視科學(xué)思維的培養(yǎng)，明確提出學(xué)生應(yīng)具備推理論證能力。推理論證能力具體表現(xiàn)為：學(xué)生能夠基于證據(jù)和邏輯，運(yùn)用分析與綜合、比較與分類、歸納與演繹等思維方法，建立證據(jù)與解釋之間的聯(lián)系，并提出合理見解。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集是發(fā)展學(xué)生推理論證能力的重要途徑之一。然而，大部分學(xué)生的思維尚處于具體運(yùn)算階段，他們?cè)趯?shí)驗(yàn)過程中常常存在操作不規(guī)范、變量控制不嚴(yán)、注意力分散，甚至篡改數(shù)據(jù)等問題。這在一定程度上影響了他們科學(xué)思維的發(fā)展。

隨著信息技術(shù)與教育的深度融合，智能工具為科學(xué)實(shí)驗(yàn)帶來了全新的可能，如智能傳感器、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，不僅提升了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的效率與精確度，還為科學(xué)實(shí)驗(yàn)注入了新活力。但是，智能工具能否完全替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)工具尚待商權(quán)。經(jīng)過長期的實(shí)驗(yàn)和觀察，筆者發(fā)現(xiàn)智能工具在采集數(shù)據(jù)快速、準(zhǔn)確的同時(shí)，也可能削弱學(xué)生對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)的基本理解與掌握。因此，本文以教科版五年級(jí)下冊(cè)《溫度不同的物體相互接觸》為例，通過對(duì)比傳統(tǒng)與智能兩種采集方式，分析科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)智能采集的利弊與適用場景，探討如何在數(shù)字化技術(shù)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法之間達(dá)成平衡，以此為小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供實(shí)踐啟示。

一、對(duì)比案例：傳統(tǒng)與智能兩種采集方式

本課的實(shí)驗(yàn)旨在測(cè)量溫度不同的兩種液體相互接觸后的溫度變化。按照教材要求，學(xué)生每2分鐘采集1次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，共采集7次，歷時(shí)14分鐘。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄繪制溫度變化折線圖。針對(duì)這一實(shí)驗(yàn)，筆者選擇所在學(xué)校五年級(jí)的4個(gè)平行班（每班45人）為對(duì)象進(jìn)行對(duì)照教學(xué)。其中，2個(gè)班的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中采用DS18B20防水溫度傳感器（精度 ），通過預(yù)先編程的掌控板每隔2分鐘自動(dòng)顯示實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后使用Arduino（中小學(xué)通用的開源電子平臺(tái)）智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)（如圖1），并同步生成溫度折線圖。以上2個(gè)班被劃分為“智采組”。

另外2個(gè)班的學(xué)生則采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法，使用酒精溫度計(jì)（分度值為1℃）、機(jī)械秒表及紙質(zhì)記錄表進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，每隔2分鐘由2名學(xué)生分別讀取冷熱水的溫度，第3名學(xué)生負(fù)責(zé)記錄數(shù)據(jù)（如圖2）。上述2個(gè)班被劃分為“傳統(tǒng)組”。

二、快課堂，智能數(shù)據(jù)采集的優(yōu)勢(shì)

通過對(duì)比教學(xué)發(fā)現(xiàn)，智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠在加快實(shí)驗(yàn)進(jìn)程和提升教學(xué)效率兩方面發(fā)揮積極作用。

（一）精準(zhǔn)高效的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

在傳統(tǒng)組，學(xué)生使用溫度計(jì)和秒表采集數(shù)據(jù)時(shí)，其結(jié)果很容易受到多種因素的干擾，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)失真，降低了采集效率。而在智采組，學(xué)生實(shí)驗(yàn)時(shí)可以有效規(guī)避上述干擾，使數(shù)據(jù)采集變得更加精準(zhǔn)和高效。

傳統(tǒng)的酒精溫度計(jì)分度值為 1^°C ，學(xué)生即使細(xì)致估讀，也只能讀到 0.5^°C ；而智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的精度可調(diào)整，最高可達(dá)到 0.1^°C ，能夠捕捉“冷水在12～14分鐘內(nèi)溫度僅上升 0.3^°C \"等細(xì)微變化。學(xué)生在使用酒精溫度計(jì)采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，常因操作或讀數(shù)不規(guī)范引發(fā)小組成員間的分歧，甚至有人因爭議而更改數(shù)據(jù)。而智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅可以有效避免這些人為誤差，還可以通過系統(tǒng)定時(shí)顯示和記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。這個(gè)數(shù)據(jù)能夠得到團(tuán)隊(duì)成員的共同認(rèn)可。

（二）可控的實(shí)驗(yàn)過程

在智能采集工具正確安裝的前提下，實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虬凑占榷ǔ绦蚍€(wěn)定運(yùn)行。在智采組，除1個(gè)小組因傳感器連接松動(dòng)導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集部分失敗外，整個(gè)操作過程大大減少了人為不確定性的影響。在本次實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生只需按下“開始\"鍵，每隔2分鐘屏幕便會(huì)自動(dòng)顯示溫度數(shù)據(jù)，同時(shí)這些結(jié)果也會(huì)被自動(dòng)記錄在文檔中。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程在14分鐘內(nèi)準(zhǔn)時(shí)完成。而在傳統(tǒng)組，因前期小組分工討論、過程中返工等因素，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集通常需要20分鐘，遠(yuǎn)超過智采組的平均時(shí)長。此外，在實(shí)驗(yàn)過程中，筆者發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)組因記錄匆忙或分工不明，部分小組出現(xiàn)了漏記數(shù)據(jù)的情況；而智采組的學(xué)生可以完整記錄全部測(cè)量得到的數(shù)值。

（三）靈活充分的教學(xué)環(huán)節(jié)推進(jìn)

高效精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，不僅節(jié)約了課堂時(shí)間，還為數(shù)據(jù)分析和現(xiàn)象探究等教學(xué)環(huán)節(jié)提供了充足的保障。

1.更充分而深入的實(shí)驗(yàn)研討

高效的智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為學(xué)生贏得了更多進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究和討論的時(shí)間，讓他們能夠更充分地分析和理解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)背后的科學(xué)意義。在本案例中，智采組學(xué)生僅用了14分鐘便完成了實(shí)驗(yàn)及折線圖的繪制；而傳統(tǒng)組則用了25分鐘才完成同樣的任務(wù)?？梢?，智采組比傳統(tǒng)組少用了近10分鐘時(shí)間，這10分鐘可以用于圍繞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)開展研討活動(dòng)。在充足的研討時(shí)間中，學(xué)生逐漸接觸到熱能守恒的概念。有的學(xué)生還意識(shí)到，當(dāng)熱水和冷水混合達(dá)到溫度平衡時(shí)，其溫度并非兩者的簡單平均，而是受到水量等因素的影響，并據(jù)此對(duì)水溫變化趨勢(shì)進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

2.更便捷的后續(xù)實(shí)驗(yàn)探究

本次實(shí)驗(yàn)共安排了14分鐘7次的數(shù)據(jù)采集。傳統(tǒng)組中，一些學(xué)生未能在規(guī)定時(shí)間內(nèi)觀察到水溫環(huán)境溫度完全均衡就結(jié)束了實(shí)驗(yàn)。而智采組則能輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的延續(xù)一一即使學(xué)生離開，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)依然可以被自動(dòng)上傳和記錄。圖3是智采組某小組的后續(xù)部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與折線圖，實(shí)驗(yàn)一共持續(xù)了2個(gè)多小時(shí)。后續(xù)，學(xué)生可以直觀地觀察到水溫均衡后冷、熱水的變化過程，并最終發(fā)現(xiàn)水溫會(huì)與環(huán)境溫度趨于一致。這樣的實(shí)驗(yàn)過程讓學(xué)生印象更深刻。相比之下，傳統(tǒng)組只能通過前期實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行推斷，難以獲得像智采組那樣直觀、深刻的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

三、慢傷害，智能數(shù)據(jù)采集的不足

盡管智能數(shù)據(jù)采集技術(shù)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但考慮到7～11歲學(xué)生仍處于具體運(yùn)算階段，他們的認(rèn)知結(jié)構(gòu)以直觀和具象為主，結(jié)合筆者的長期觀察，在實(shí)驗(yàn)過程中引人智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可能會(huì)對(duì)學(xué)生產(chǎn)生一些慢傷害。

（一）具身體驗(yàn)的缺失

學(xué)生通過身體與環(huán)境的互動(dòng)來獲取經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和情感。智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)代替了學(xué)生親自測(cè)量和記錄的過程，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中的感官互動(dòng)體驗(yàn)被大大削弱。例如，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可以通過觸摸玻璃壁感受熱脹冷縮、觀察液柱升降理解溫度變化等。這些具身體驗(yàn)都是智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)無法獲取的。同時(shí)，完全依賴智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)操作技能，如在實(shí)驗(yàn)中讀取刻度、同步計(jì)時(shí)與記錄等的弱化，影響學(xué)生日后獨(dú)立完成測(cè)量任務(wù)的能力。

例如，熱水在前4分鐘內(nèi)溫度下降最快，這一細(xì)節(jié)在傳統(tǒng)組中幾乎都能被學(xué)生及時(shí)發(fā)現(xiàn)，原因在于他們能夠直觀看到溫度計(jì)液柱快速下降的過程。而在智采組中，超過一半的學(xué)生未能注意到這一現(xiàn)象，因?yàn)樗麄兛吹降闹皇菙?shù)字變化，所以難以理解其背后的物理意義。可見，缺乏具身體驗(yàn)，使學(xué)生難以建立“數(shù)據(jù)一現(xiàn)象一原理\"的深層聯(lián)系。

（二）批判性思維的削弱

對(duì)信息技術(shù)基礎(chǔ)較弱的學(xué)生來說，智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)常常是一個(gè)難以理解的“技術(shù)黑箱”。他們不了解傳感器的測(cè)量原理，只能無條件相信儀器輸出的數(shù)據(jù)，把這些結(jié)果當(dāng)作“權(quán)威答案”，以致對(duì)數(shù)據(jù)來源缺乏基本的懷疑和思考。此外，智能采集系統(tǒng)簡化了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和變量控制等環(huán)節(jié)，減少了學(xué)生自主思考的機(jī)會(huì)，久而久之，學(xué)生容易形成“只信數(shù)據(jù)，不問過程\"的思維惰性。例如，智采組中有一個(gè)小組在實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)了冷水溫度比熱水溫度高2℃的異常數(shù)據(jù)，這實(shí)際上是由傳感器連接松動(dòng)導(dǎo)致的，但學(xué)生并未產(chǎn)生任何質(zhì)疑，直接采信了這個(gè)數(shù)據(jù)。

反觀傳統(tǒng)組，學(xué)生在使用傳統(tǒng)測(cè)量工具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，采集數(shù)據(jù)不可避免地會(huì)出現(xiàn)誤差。在這一過程中，學(xué)生不僅需要理解和掌握測(cè)量工具的原理，還要學(xué)會(huì)過濾環(huán)境干擾（如門窗開關(guān)引起的溫度變化），并通過規(guī)范操作來盡量減小誤差。他們也會(huì)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)是否合理進(jìn)行獨(dú)立判斷和質(zhì)疑。例如，在展示溫度變化折線圖時(shí)，傳統(tǒng)組由于存在操作誤差，有幾組學(xué)生在熱水與冷水溫度達(dá)到平衡時(shí)，測(cè)得的溫度并不完全相同，與其他小組的數(shù)據(jù)結(jié)果產(chǎn)生了顯著差異。學(xué)生為此展開了激烈的討論，逐步認(rèn)識(shí)到所有測(cè)量都是近似的，并最終在實(shí)驗(yàn)結(jié)論上達(dá)成了共識(shí)。通過對(duì)誤差原因的探討，學(xué)生不僅提升了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中控制變量的能力，還對(duì)“科學(xué)的真實(shí)”有了更深刻的理解。相比之下，過于完美、毫無差異的數(shù)據(jù)反而可能使學(xué)生形成“科學(xué)等同于絕對(duì)真理\"的誤解，不利于其科學(xué)素養(yǎng)的全面發(fā)展。

此外，長時(shí)間依賴智能化數(shù)據(jù)采集還會(huì)削弱學(xué)生的協(xié)作能力。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生需協(xié)作完成“計(jì)時(shí)、讀數(shù)、記錄、監(jiān)督\"等任務(wù)，自然形成責(zé)任意識(shí)與溝通能力；而智采組學(xué)生僅需在屏幕上點(diǎn)擊“開始”，就能獨(dú)立操作，完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)。

綜上所述，學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展不僅依賴于“高效的數(shù)據(jù)”，更離不開“有溫度的過程”，包括儀器的觸感、合作中的討論、對(duì)錯(cuò)誤的反思。這些寶貴的體驗(yàn)才是科學(xué)思維扎根的地方。對(duì)比智采組與傳統(tǒng)組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的優(yōu)劣可知，低年級(jí)科學(xué)實(shí)驗(yàn)更適合以傳統(tǒng)工具為主，這既契合學(xué)生現(xiàn)有的思維認(rèn)知水平，也有助于培養(yǎng)他們的動(dòng)手能力和對(duì)測(cè)量誤差的理解。高年級(jí)則可采用傳統(tǒng)與智采并重的方式一一注重觀察過程的實(shí)驗(yàn)以傳統(tǒng)采集為主，注重終極數(shù)據(jù)比對(duì)或需要長時(shí)觀測(cè)的實(shí)驗(yàn)則可利用智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)正處于數(shù)字化轉(zhuǎn)型階段，教師應(yīng)保持理性，在用智能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提高效率的同時(shí)，還要注重學(xué)生的動(dòng)手與觀察體驗(yàn)，防止技術(shù)過度介入導(dǎo)致的“慢傷害”發(fā)生。

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（浙江師范大學(xué)附屬小學(xué)）

《教學(xué)月刊·小學(xué)版》（綜合）征稿啟事

《教學(xué)月刊·小學(xué)版》（綜合）追蹤教育動(dòng)態(tài)，聚焦小學(xué)英語、科學(xué)、道德與法治、音樂、體育、美術(shù)、信息與科技、勞動(dòng)等科目。本刊特別關(guān)注教學(xué)理念的更新、課程與教材的改革、教學(xué)研究與教師的專業(yè)發(fā)展，致力于呈現(xiàn)具有探索性的教學(xué)思路、具有操作性的教學(xué)方法以及具有前瞻性的教學(xué)理念，為廣大教師及基礎(chǔ)教育研究者提供方向。為更好地推進(jìn)一線教學(xué)，探索教學(xué)的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題，本刊近期重點(diǎn)關(guān)注以下內(nèi)容，歡迎讀者積極參與探討，踴躍投稿。同時(shí)，本刊也熱忱期待相關(guān)教研機(jī)構(gòu)和名師工作室就以下選題的專題組稿事宜與本刊取得聯(lián)系。

1.重大主題教育（中華優(yōu)秀傳統(tǒng)文化、革命文化、社會(huì)主義先進(jìn)文化等等）

2.數(shù)智賦能教育教學(xué)研究

3.人工智能課程與教學(xué)

4.小學(xué)各學(xué)科新教材的分析與使用

5.“教—學(xué)—評(píng)”一致性研究

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10.小學(xué)生身心健康教育

11.校家社協(xié)同育人

12.表現(xiàn)性評(píng)價(jià)

13.音樂舞蹈教學(xué)研究（舞蹈教學(xué)實(shí)踐案例、舞蹈教學(xué)對(duì)學(xué)生非認(rèn)知能力提升的影響）

14.館校合作（實(shí)證研究、相關(guān)案例的呈現(xiàn)）