讓數(shù)字化實驗更好地為教學服務

一、小學科學傳統(tǒng)實驗教學中存在的問題2022年版《義務教育科學課程標準》指出：探究和實踐是科學學習的主要方式，要加強對探究和實踐活動的研究與指導，整合啟發(fā)式、探究式、互動式、體驗式和項目式等各種教與學方式的基本要求，設計并實施能夠促進學生深度學習的思維型探究和實踐。在義務教育階段，通過科學探究實驗可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神、實踐能力，提高學生的科學學習能力。然而，長期以來，小學科學的探究實驗由于實驗器材的局限性，往往很難得到精確的數(shù)據(jù)，實驗結果以模糊、定性為主，定量研究的開展較為困難。這在一定程度上影響了學生對科學本質的理解，不利于培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W思維。除此之外，傳統(tǒng)實驗還存在實驗操作時間較長、數(shù)據(jù)處理過程煩瑣、效率低等問題。二、小學科學數(shù)字化實驗概述教育部印發(fā)的《教育信息化2.0行動計劃》強調(diào)，一個國家的教育信息化要發(fā)揮全球引領作用、達到世界領先水平，先進的軟硬件基礎設施、豐富的優(yōu)質教育資源、數(shù)字化（乃至智慧化）校園環(huán)境、師生較高的信息技術應用能力與信息素養(yǎng)……這些都是必須具備的基礎與條件。數(shù)字化實驗作為信息技術與小學科學課程結合的平臺，為小學科學教學內(nèi)容的呈現(xiàn)、教學方式的轉化，提供了變革的契機。本文中的數(shù)字化實驗，特指運用數(shù)字化實驗系統(tǒng)開展的小學科學實驗。數(shù)字化實驗系統(tǒng)（DigitalInformationSystem，即DIS）由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、計算機、配套軟件包（通用軟件和專業(yè)軟件）、配套實驗材料等構成。從基于傳感器的數(shù)字化實驗模式來看，該模式是通過數(shù)字傳感器采集實驗數(shù)據(jù)產(chǎn)生的信息，通過數(shù)據(jù)采集器轉化信息并輸入計算機進行信息處理，通過軟件系統(tǒng)以數(shù)據(jù)表、圖像等形式輸出處理后的實驗數(shù)據(jù)。數(shù)字化實驗通常有以下特點。（一）實驗數(shù)據(jù)更精準國家標準GB7665-87對傳感器的定義是：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。傳感器中的敏感元件以電學方式采集數(shù)據(jù)，因而傳感器具有精度高、速度快，輸出信號便于傳輸、轉換、處理、顯示的特點。例如，力、電流、pH酸堿度等實驗變量的測量，分別使用力傳感器、電流傳感器、pH傳感器，將其轉化成電信號，輸入數(shù)據(jù)采集器。這是傳統(tǒng)的科學實驗儀器彈簧測力計、電流表和pH試紙等無法比擬的。有些傳感器則填補了傳統(tǒng)實驗測量的空白，如，電磁傳感器能夠測量磁感應強度，因此較大程度地擴展了實驗變量的測量范圍。（二）實驗結果更直觀清晰傳統(tǒng)的實驗設備，幾乎很難展現(xiàn)各個實驗變量之間的因果關系，需要學生進行數(shù)據(jù)記錄和計算，占用了課堂大部分的時間和精力，而數(shù)字化實驗系統(tǒng)則實現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)的采集、記錄、分析同步，實驗結果可以曲線、圖表等多種方式直觀地呈現(xiàn)出來。因此為學生分析實驗結果、得出結論爭取了更多的時間。由于數(shù)據(jù)采集器可以同時連接多個傳感器，實現(xiàn)多種實驗數(shù)據(jù)并行處理與顯示，幫助學生對科學規(guī)律有更清晰的認知，大大提高了實驗教學的效果。（三）實驗過程更有趣行為主義學習理論認為，學習是刺激與反應的聯(lián)結。利用數(shù)字化實驗系統(tǒng)可以將實驗的數(shù)據(jù)實時地展現(xiàn)在電腦或者平板的屏幕上，學生能得到更快、更精確的實驗反饋，能夠更迅速地做出響應，充分調(diào)動積極性。數(shù)字化實驗相對于傳統(tǒng)實驗，形式更加新穎，使復雜的認知活動變得簡單又輕松，能充分發(fā)揮學生在教學中的主體地位，激發(fā)學生學習科學知識和進行科學探究的興趣，有效地提升學生的課堂參與度。三、數(shù)字化實驗在小學科學課堂中的實踐本文以蘇教版小學科學六年級下冊《做個生態(tài)瓶》一課為例，分析如何將數(shù)字化實驗運用于小學科學課堂教學實踐。（一）課例研究背景《做個生態(tài)瓶》是蘇教版六年級下冊第二單元“生物和棲息地”的第三課。本課圍繞“做個生態(tài)瓶”這一主題層層展開，通過觀察、實驗、交流等學習方式，進一步理解生態(tài)瓶中生物與生物之間、生物與非生物之間的相互作用和依存關系，建立生態(tài)系統(tǒng)的概念，理解生態(tài)平衡的重要意義。本節(jié)課借助數(shù)字化實驗系統(tǒng)進行定量探究，代替了通過觀察生態(tài)瓶中生物的生存情況，模糊定性得出結論的傳統(tǒng)實驗教學方式。課程研發(fā)團隊通過反復修改，最終呈現(xiàn)如下教學設計。（二）課例實施過程1.創(chuàng)設情境，關聯(lián)學生日常生活播放電影《狼圖騰》片段：人們趕到大雪湖去尋找狼貯備的食物，發(fā)現(xiàn)一只活著的小黃羊，比利格阿爸卻要求把那只黃羊放了。教師拋出疑問：當時食物那么匱乏，為什么還要把那只黃羊放了呢？設計意圖：小學六年級的學生處于具體運算階段，抽象思維尚不完善，因此需要從學生熟悉的場景或者感興趣的事物引入。通過《狼圖騰》電影片段這一教學情境的創(chuàng)設，利用影片中相關情節(jié)設計問題：“為什么要放走黃羊？”“草原中的生物之間有一條怎樣的食物鏈？”進而引入“生態(tài)系統(tǒng)”和“生態(tài)平衡”兩個核心概念。2.開展數(shù)字化實驗，打破探究局限通過梳理電影《狼圖騰》食物鏈的關系，分析生態(tài)系統(tǒng)所具備的要素。小型池塘生態(tài)瓶的設計環(huán)節(jié)分為兩步，引導學生循序漸進地探究。生態(tài)瓶的初步設計。在教師的指導下，引導學生以小組為單位自主設計池塘生態(tài)瓶草圖，并進行分組匯報。通過這一環(huán)節(jié)，學生了解到一個池塘生態(tài)瓶里需要哪些基本要素：環(huán)境（陽光、溫度等）、植物、動物等。教師出示并介紹本實驗提供的材料：塑料瓶若干個、水藻若干棵、魚若干條、沙子若干、泥土若干、自然水域的水。生態(tài)瓶的優(yōu)化設計。通過教師提問、學生交流回答的方式，一步一步引出數(shù)字化傳感器。教師提問：為了使生態(tài)瓶實現(xiàn)相對平衡狀態(tài)，植物數(shù)量和動物數(shù)量應該如何控制？該探究實驗應該如何設計？學生交流：可以通過控制植物的數(shù)量，探究不同動物數(shù)量的變化對生態(tài)瓶穩(wěn)定性的影響；通過控制動物的數(shù)量，探究不同植物數(shù)量的變化對生態(tài)瓶穩(wěn)定性的影響。教師提問：我們設計好的生態(tài)瓶，如何判斷是否實現(xiàn)相對平衡的狀態(tài)？學生交流：可以通過觀察生態(tài)瓶中的水是否渾濁、魚是否還活著以及水藻是否枯黃。教師提問：如果要檢測生態(tài)瓶中水的狀態(tài)、水中魚的狀態(tài)，可以通過哪些指標檢測？學生交流：檢測水的pH酸堿度、氧氣含量、二氧化碳含量。教師提問：如何檢測？學生回答：可以利用工具測量生態(tài)瓶中的氧氣和二氧化碳的變化、水的pH酸堿度情況，觀察生態(tài)瓶中的生物是否處于健康狀態(tài)及水質的狀態(tài)。教師出示二氧化碳傳感器、溶解氧傳感器、pH傳感器，指導學生分小組實驗。每個小組做出四個生態(tài)瓶，分別是草多魚少、草多魚多、草少魚多以及無草魚多。在每個生態(tài)瓶中均接入二氧化碳傳感器、溶解氧傳感器、pH傳感器。設計意圖：傳統(tǒng)實驗評價一個生態(tài)瓶的微型生態(tài)系統(tǒng)是否達到平衡的標準，通常是觀察生態(tài)瓶中生物的存活狀態(tài)以及水的渾濁度。該評價標準有一定局限性：首先，學生會疑惑生態(tài)瓶中水渾濁與否是否就可以代表生態(tài)瓶的平衡狀態(tài)；其次，若魚死亡，死亡因素是什么，學生無從得知；最后，學生不希望看到死亡，如果一個實驗以生物的死亡為評判標準，就不利于樹立學生良好的生命觀，同時有悖實驗倫理。因此，“做個生態(tài)瓶”這一實驗利用傳統(tǒng)的實驗教學方式的弊端就此凸顯。將數(shù)字化傳感器技術融入實驗有以下優(yōu)勢：一是可以不依靠“死亡”讓學生判斷生態(tài)瓶是否實現(xiàn)生態(tài)平衡；二是影響生態(tài)瓶平衡的因素更容易顯現(xiàn)，不需要學生通過感覺來猜想；三是可以觀察生態(tài)瓶24小時的數(shù)據(jù)，保證實驗數(shù)據(jù)的完整性，有利于培養(yǎng)學生嚴謹?shù)目茖W觀。3.分析數(shù)據(jù)結果，提升能力根據(jù)數(shù)字化實驗系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)結果以及溶解氧含量、二氧化碳含量、pH酸堿度的動態(tài)曲線，分析生態(tài)瓶的狀態(tài)。總結遷移：回顧“生態(tài)平衡”的概念，通過列舉身邊大量生態(tài)系統(tǒng)被破壞的案例，引導學生從實際出發(fā)，從切實的行動中落實生態(tài)保護行動。設計意圖：科學探究最終是要進行實證研究，為驗證之前的假設開展具有真實性的科學探究，歸整學生零散的科學思維，達到完整縝密的狀態(tài)。《做個生態(tài)瓶》一課的教學方式有很多種，教材給出的教學流程更多是停留在學生動手操作上，但對于六年級的學生而言，不應該僅僅局限于此。本節(jié)課的重點應該放在生態(tài)瓶制作之后的數(shù)據(jù)分析上，以鍛煉學生的高階思維。四、數(shù)字化實驗在小學科學實驗教學中運用的反思與建議在數(shù)字化實驗的教學過程中，應注意以下幾點。（一）提前做好數(shù)字化實驗系統(tǒng)的培訓工作在第一次上數(shù)字化實驗課之前，全班學生均要先熟悉數(shù)字化實驗系統(tǒng)的操作，對每個小組的組長重點培訓，防止正式上課時因學生出現(xiàn)手忙腳亂的現(xiàn)象而降低教學效率。在課前調(diào)試好數(shù)字化實驗系統(tǒng)并且提前分發(fā)實驗材料，讓學生提前預熱，節(jié)約課堂上的寶貴時間。（二）做好教學設計在實驗教學實踐中，我們發(fā)現(xiàn)，學生往往看到教師準備好的傳感器，便清楚該節(jié)課將要使用傳感器做實驗，并不會深入思考為什么該實驗需要用傳感器。因此，教師在教學過程中應該設計好教學環(huán)節(jié)，首先引導學生發(fā)現(xiàn)該實驗采用傳統(tǒng)的實驗裝置存在弊端，因而需要一些工具解決，這時數(shù)字化實驗系統(tǒng)再隆重登場。（三）正確認識實驗誤差數(shù)字化傳感器可以精確測量人的感官無法感知的物質世界，或是人感知了但無法給出精確量化的數(shù)據(jù)世界。但是由于傳感器過于精確，使得學生過于關注數(shù)據(jù)的一致性，要獲得標準答案，而忽略誤差問題。因此，教師在教學過程中，需要和學生強調(diào)正視實驗誤差。（四）正確認識數(shù)字化實驗的地位數(shù)字化實驗雖然有明顯優(yōu)勢，但是也有一些不足之處，如，傳感器技術的使用提高了數(shù)據(jù)處理的效率，但是也弱化了學生的動手操作能力、計算能力以及作圖能力。因此應該將傳統(tǒng)實驗與數(shù)字化實驗優(yōu)勢互補，同時并重，不要陷入“既然有了數(shù)字化實驗系統(tǒng)，所有科學實驗都必須使用數(shù)字化展開教學”的誤區(qū)?？茖W實驗教學手段選擇的核心是實現(xiàn)實驗目的、培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。因此，實驗手段的選取必須從實驗教學的目的出發(fā)，遵循科學探究的底層邏輯，即課程標準的要求。在教育信息化的浪潮下，數(shù)字技術深刻地改變了人們的生活方式，也改變了