發揮數字化實驗在探究中的作用

楊帆

小學科學課程倡導探究式學習。學生應通過親身經歷和體驗科學探究活動，積極主動地獲取科學知識和解決科學問題。但在實際的科學探究中，許多實驗現象通過傳統的實驗材料無法很明顯地呈現出來，在教學中給科學教師造成了許多困擾。

教育部新頒布的2017版《義務教育小學科學課程標準》在 “教學媒體建議”部分明確指出：現代教學媒體及技術不僅可以為科學知識的學習服務，也可以為科學探究的學習服務，如利用數字化信息技術進行科學探究?？梢?，運用數字化實驗助力科學探究已成為必然。

數字化實驗，是指在小學科學課程中運用傳感器等數字化設備進行實驗探究。小學階段經常使用到的傳感器有光照度傳感器、溫度傳感器、力傳感器、氧氣傳感器、二氧化碳傳感器等，并且傳感器數據可以通過數據采集器處理后上傳到計算機，由教學軟件進行實時的處理和分析。數字化實驗為小學科學探究提供了多元的解決方案，為探究活動的開展提供了創新的土壤。本文將在充分了解數字化實驗應用優勢的基礎上，就數字化實驗在小學科學探究中的應用策略展開深入研究。

一、數字化實驗在小學科學探究中的應用優勢

（一）數據測量“精準”，讓探究結論更可信

在探究活動中，我們需要對實驗過程中獲取的數據進行歸納分析，從而得出結論。但由于傳統器材本身的限制，獲取的數據往往存在一定的誤差，有時候學生不能得出準確的結論，使得教學目標難以實現。而數字化實驗中運用到的各種傳感器具有分辨率高的特點，采集到的實驗數據精度大大提高，提高了探究實驗的可信度，有利于學生得出更為嚴謹的科學結論。

（二）實驗過程“可視”，讓探究現象更直觀

對于小學階段的學生來說，清晰直觀的實驗現象更有利于他們理解科學概念。但在實際的探究活動中，有些實驗現象并不明顯，學生運用肉眼進行觀察時很難察覺，這就對學生的科學探究造成了困難。而數字化實驗的運用，可以將難以觀察的細微現象以數據的方式直接呈現，這樣學生就能直觀探究現象，實現實驗過程“可視化”。

（三）實驗結果“定量”，讓科學探究更深入

定量研究是科學探究中常用的研究方法，但由于傳統實驗中器材的限制，有時定量研究難以實現。數字化實驗能夠實現高精度采集、高速度傳輸、高靈敏度顯示，為學生的定量研究提供了平臺，有效地減小了實驗誤差，使不少傳統的探究實驗從定性分析上升到定量研究，拓寬了學生實驗探究的深度與廣度。

二、數字化實驗在小學科學探究中的應用策略

（一）前置訓練，讓學生掌握數字化器材的使用方法

學生初次接觸數字化器材時，往往既興奮又茫然，即使教師已經詳細介紹了數字化器材的使用方法和注意事項，但學生在實際操作的過程中還是會出現很多狀況。例如有學生由于第一次接觸數字化器材，出于好奇和濃厚興趣，就會常常把注意力放在擺弄器材上，全然忘了我們實驗探究的目的;也有學生對數字化器材的陌生和使用方法的不熟練，導致實驗效率過低或者數據采集不準確等，打擊了學生使用數字化器材進行科學探究的積極性。因此，教師在將數字化實驗融入科學探究前，要先帶領學生認識數字化器材并進行體驗學習，只有學生對數字化器材有了深入的了解和掌握其使用方法后，才能在科學探究中靈活應用。

例如，在學期開始之初，我們可以利用2～3節課的時間帶領學生走進實驗室，教師先對數字化設備進行一個整體的介紹，包括連接方法和軟件的使用等，再向學生逐一介紹小學的數字化實驗中主要配備的傳感器：光照度傳感器、溫度傳感器、力傳感器、聲波傳感器等，并設置一些小活動讓學生進行充分體驗。例如，在介紹完光照度傳感器后，教師可以讓學生嘗試測量教室內和戶外的光照度分別是多少;在介紹完溫度傳感器后，教師可以讓學生嘗試測量一杯熱水在三分鐘內的溫度變化;在介紹完力傳感器后，教師可以讓學生嘗試測量提起教室中或者學生身邊的一些物體用了多大的力;在介紹完聲波傳感器后，教師可以讓學生分別播放一段嘈雜的聲音和一段輕音樂，觀察不同的聲音的波形。當學生充分體驗并熟練掌握數字化器材的使用方法后，就能更好地激發學生使用數字化器材進行科學探究的興趣，實驗探究的效率也會大大提高，為后續運用數字化設備進行科學探究打下基礎。

（二）雙軌實驗，讓傳統實驗與數字化實驗并行開展

數字化實驗能對傳統實驗起到輔助和優化的作用，兩者具有不同的特點。我們在科學探究的過程中，應該理性對待兩種實驗方式，根據教學內容、教學目標、實際學情等，讓傳統實驗與數字化實驗并行開展、有機融合，激發學生的學習興趣，培養學生的科學探究能力。

例如，我們在教學蘇教版科學三年級下冊“聲音的奧秘”這一單元時，我們可以先進行一系列傳統實驗：一手壓住尺子，另一手彈撥;把氣球掛在正在發聲的音箱前方;摸著喉嚨，發出“啊——”的聲音;試管里放些泡沫屑，吹試管口;敲擊音鈸，然后輕輕按住等。這樣，讓學生可以直觀地看到聲音的產生與“振動”有關，幫助學生探究聲音產生的原因，然后引導學生進行數字化實驗，運用聲波傳感器探究聲音的強弱、聲音的高低、不同樂器的聲音、不同物質對聲音傳播的影響等特性。

再如，蘇教版科學三年級下冊《人的呼吸》一課，教學目標之一是通過探究活動，了解人體吸進和呼出氣體的不同。我們可以先運用傳統實驗，在兩種氣體中倒入澄清石灰水，初步比較吸進的和呼出的氣體有什么不同，進行定性分析，再引導學生運用二氧化碳傳感器和氧氣傳感器具體測量吸進和呼出氣體中氧氣和二氧化碳的含量，完成定量研究。

在科學探究中，靈活選用傳統實驗和數字化實驗，有利于兩種實驗的教學優勢互補，使學生在獲取知識和經驗的同時，又能獲取直觀體驗，進一步提升科學探究的效果和質量，從而有利于培養學生的科學素養。

（三）指導分析，將數據轉換成能夠理解的科學解釋

學生在運用數字化實驗進行科學探究時，不需要對繁雜的數據進行處理，只需要對數據進行深入分析，但由于學生數據意識的薄弱，所以不容易得出實驗結論，失去了對事物現象本質的求解。因此，教師要引導學生關注在數字化實驗中測量到的數據，指導學生對數據的變化規律進行分析，探究數據背后的科學規律，將數據轉換成能夠理解的科學解釋，加深學生的理解。

以蘇教版科學五年級上冊第二單元“熱傳遞”中《物體的傳熱本領》一課為例。本課的教學重點為通過對比實驗，了解不同材料傳熱的快慢。由于在傳統實驗中我們無法保證每根材料棒上凡士林的用量都完全一致，因而實驗結果存在偶然性，并且有時候幾個材料棒上的珠子差不多時間脫落，我們用肉眼無法辨別究竟是哪個材料棒上的珠子更快脫落。于是我引入溫度傳感器，將其夾在材料棒的同一位置，放入熱水中，實驗數據就會及時、動態地呈現出來。實驗結束后，教師要引導學生關注實驗過程中的數據，讓學生說說通過數據你發現不同材料棒的溫度變化是怎樣的？你是怎么看出它們的變化的？從中又能得出什么結論呢？通過分析，學生不難發現銅棒溫度變化最快，然后依次是鋁棒、鋼棒、塑料棒和木棒，從而很容易得出這幾種材料傳熱快慢的順序由快到慢分別是銅、鋁、鋼、塑料、木。

再如，蘇教版科學五年級上冊《光的反射》一課中，其中一個教學活動是觀察光照射到不同物體表面時發生的現象，了解不同物體表面反光效果不同，歸納出反光效果好的物體表面的特點。于是，在這個活動中，我創設了激光打靶的任務情境，此時激光筆和靶子都是固定的，激光筆無法直接照射到靶子，想要擊中靶子，必須借助物體，我提供一組有結構的材料：相同顏色的塑料板、紙、布供學生進行對比實驗。通過實驗，學生發現這些物體都能反射光到靶子上，但效果有所不同，究竟誰的反光效果更好呢，學生用肉眼無法辨別，這時我給提供學生光照度傳感器測量數據，接著引導學生對測量的數據進行比較，說說通過數據你發現它們的反光效果有什么不同？學生將測量的數據進行排序，并將數據與反光效果建立起聯系，發現塑料板的反光效果最好，然后依次是紙、布。繼續對比觀察這三種材料，得出物體表面越光滑，反射效果越好的結論。

在運用數字化實驗進行科學探究時，教師通過指導分析，幫助學生將數據轉換成能夠理解的科學解釋，有利于學生更好地理解科學概念、掌握科學規律。

（四）拓展研究，將數字化實驗引入廣闊的科學實踐

數字化實驗在學生的科學探究中，不僅可以運用于課堂知識的學習，還可用于學生的研究性學習、項目式學習等多種形式的學習活動，拓展了學生的探究范圍和學習空間，讓科學探究更貼近學生的生活，有利于學生核心素養的提升。

例如，我校開展了無土栽培的項目式學習——水培青菜大比拼，要求學生在班級里利用環保材料，設計制作一個無土栽培的裝置，每班50顆青菜種子，利用這個裝置種植青菜，在收獲日，每個班選擇10棵生長最好的青菜，現場收割，進行稱重，最終評選出最佳設計獎、最佳紀錄獎、最佳成果獎若干。青菜的生長需要適宜的溫度，當溫度降低的時候，青菜的長勢會慢下來，我們可以利用溫度傳感器實時監測溫度，必要時做個小溫室進行保溫，保證青菜更好地生長。另外，營養液中的含氧量對青菜的生長也有影響，我們可以使用溶解氧傳感器，了解營養液中的含氧量，及時調節，以便維持最佳的生長條件。

再如，我們學校的操場有一個音樂臺，每次學習完聲音這個單元時，學生總是會向我提出這樣的疑惑：“老師，為什么音樂臺能放大聲音呢？”于是，我決定帶學生去音樂臺一探究竟。在了解了回聲的作用后，學生又通過聲波傳感器測量發現音樂臺圓心處聲音會放大，偏離了聲音就不會放大了，我讓學生仔細觀察一下音樂臺的結構，學生很快發現音樂臺的臺階是圓弧形的，而音樂臺中央恰巧是圓心，聲波從臺階反射回來在圓心會聚。

學生進行科學探究的過程是一個連續發展的過程。教師應根據學生的需求，拓展研究，將數字化實驗引入廣闊的科學實踐，解決生活中的實際問題，提升學生的科學探究能力。

三、結語

在小學科學探究中應用數字化實驗具有數據測量“精準”，實驗過程“可視”，實驗結果“定量”等優勢，但在具體應用的過程中也要注意策略的使用?？傊?，教師應該厘清思路、靈活應用，發揮數字化實驗在科學探究中更大的作用，提高科學探究的效率，促進學生科學素養的形成與發展。