傳感器在小學科學探究實驗中的應用

◆徐春明

在科學教學中，教師要注重通過探究實驗再現科學發現的過程，從而讓學生體驗到“猜想—驗證—歸納”的科學探究過程。傳統條件下，相當一部分探究過程中學生探究需求受到限制，可進行科學探究實驗的內容相對較少，而且定性、模糊的研究居多。隨著數字技術的迅猛發展，尤其與科學實驗關聯度較大數字技術——傳感器，給解決這些問題帶來了契機。傳感器以其精確、智能、易于操作等優勢，可大大提高這種探究過程的實效。

將數字傳感器技術引入科學探究實驗，不僅是讓學生親歷探究活動更有保證，而且可以拓展研究內容，更好地滿足學生的好奇心和求知欲；降低實驗難度，提高實驗效率，讓學生有更多的時間和精力反思、交流自己和同伴的探究過程，整理、分析實驗現象和數據，完成對新知的自主建構；創新實驗方法，擁有更多定量實驗的機會，讓學生探究活動更接近科學本質。筆者結合課堂實踐，對傳感器在小學科學探究實驗中的應用談幾點自己的心得。

1 精確測量，拓展實驗內容

探究式科學教育的第一步就是“提出問題”，教師將學生引入情境，讓他們觀察和獲得有關的信息，逐步聚焦話題。從學生原有的概念和實際理解出發，由教師或在教師幫助下由學生歸結出將要進行探究的問題[1]。學生對原有概念和實際理解各異，產生的研究需求也是多樣化的，在需求和條件之間往往會產生矛盾，只有積極創造條件，才能進一步拓展研究內容，盡可能滿足學生多樣化的探究需求。

蘇教版小學科學四上，安排了研究內容——“熱水變涼”。但熱水變化不僅僅只有“溫度變化”這一方面，還包括“重量變化”。在傳統的教學中，受制于工具的限制（天秤的精度不夠，操作難度又非常大，容易出錯），我們通常刻意回避學生所關注的“重量變化”內容。

針對類似于以上的情況，重力傳感器技術很自然地成為了探究活動的重要工具。我們可以采用量程為200 g，精度為0.01 g的數字電子秤。利用其中的重力傳感器測量重量變化并通過數字屏顯示出來，實驗既容易操作，數據也能很直觀方便地讀取，使學生能很方便地搜集數據，分析、歸納和研究熱水重量的變化規律，拓展了探究內容。

2 智能控制，降低實驗難度

“小車下山的速度”傳統的做法是學生分工合作：一位學生手動放小車，一位學生用秒表計時，然后再對測得的數據進行分析與比較。實驗的弊端主要有兩個環節：一是手動放小車因為人的原因不能做到小車完全自然下滑；二是手動秒表計時易犯錯、數據誤差大。技術限制導致的測量不準確，可能引起學生對實驗設計和初始判斷的否定，對學生探究未知形成障礙。

解決的方案理論上有兩種：一種加長斜坡，使運動時間增加，從而相對減小數據誤差；第二種是改進實驗設計，獲得更精確的數據。其中第一種方法在實驗室中較難實現；第二種方案可采用“傳感器”技術來實現，比較可行。如引導學生利用“光電門傳感器”對“小車下山的速度”進行精確測量，效果很好。但“光電門傳感器”整套設備比較昂貴，普及相對困難。我們可以利用這一原理，制作“土傳感器”，來幫助學生開展科學探究：一是利用電磁鐵來控制小車的下滑；二是在斜坡的上、下端制作兩個動觸點開關，將兩個開關并聯并與秒表控制鍵中接出的兩根線相連。這樣電磁鐵斷電后磁性消失，小車失去吸引后在重力牽引下自動下滑，接觸上端開關，秒表開始計時，小車下滑至下端開關，秒表自動停止計時。實驗中利用傳感器原理進行智能控制，排除了兩個主要引起誤差的因素，降低了實驗難度，提高了實驗準確性，一組組精確的實驗數據，為學生進一步的思考、討論、各抒己見提供了科學的依據，學生歸納獲得的探究結果更真實更準確。

3 即時測量，提高實驗效率

郁波老師曾在題為“科學探究與人是如何學習的”講座中提到：如果僅僅讓學生經歷探究活動，這還不能幫助他們學會如何學習。讓學生運用批判性的眼光對自己和同伴的探究過程和結果進行監控和評價，可以使他們不斷明白自己在做什么，以及為什么這么做[2]。這就要求老師在組織科學探究實驗過程中，既要保證親歷、體驗的過程，又要確保學生有足夠的時間“思考”“交流”。

在學習蘇教版科學五上“測量呼吸和心跳”一課時，學生進行心跳的測量實驗費時費力。原因有三：一是用手摸心臟部位測量心跳，既費時也易錯；二是運動后，學生注意力不能馬上集中，測量準確性不高；三是要測多個“一分鐘”。整個一節課時間，被測量、糾錯活動占去了大半，探究的重心完全放在了“做”，而學生的“想”和“交流”的時間和機會被迫減少甚至忽略。

應用數字技術——心率傳感器，也可以利用智能手機中的心率傳感器軟件。學生就可以利用這些數字化的工具，即時測得不同狀態下的精確心率數值，既節約的時間，又排除了其他因素的干擾提高了數據準確性。讓學生的注意力從“摸心跳”“數數”等轉向對“呼吸和心跳”關系的深層分析與探究，有更多的時間交流、分析、概括實驗現象和數據，實現“思”“做”“說”等各個環節時間的靈活分配，提高探究實驗效率。

4 定量研究，創新實驗方法

當前小學科學教材上的科學實驗大多是以簡陋、不精確、定性為特征的，很少有定量研究[3]。其中主要的原因是小學科學實驗儀器配備標準已有近十年未更新，老舊的實驗器材依然是主流。傳感器的引入，并不僅僅是實驗工具的更新，更重要是它為定性實驗轉變為定量實驗提供了現實的可能，必然帶來實驗方法的新變化。探究活動中，定性的描述與推理減少，以某種數值或數量間關系為證據揭示現象背后的奧秘增多。

如研究“不同物體的反光能力”，傳統的方法靠眼睛感覺做出主觀的定性描述，在反光能力相差較大的物體之間學生能形成共識，而對反光能力相差不大的物體往往容易產生分歧。如果用智能手機中的光線傳感器，反光能力細微的變化都會被傳感器捕捉到，通過數值反映出來，在這個過程中，學生需要做的不再是仔細分辨，而是創新性地設計各種合理的實驗方法，嚴格控制實驗中的變量，大膽實驗，小心求證，用證據揭示物體反光能力的強弱規律。

數字傳感器的優勢，使科學探究實驗更豐富、更規范、更科學、更有效。但我們同時也應該認識到，“技術”是一把雙刃劍，傳感器的應用也有些不足，如雖然使數據的獲得更加直接和直觀，卻弱化了計算、作圖、操作等重要能力的培養；傳感器的原理復雜，增加了學生對儀器原理的認知難度等。因此，傳感器帶來的實驗條件改變的背后，是更加深層次的科學教育目標的改變，目標的改變最終會帶來教與學的方式的變革[3]。需要根據實際情況，作出相應的改變。

[1]韋鈺,Rowell P.探究式科學教育教學指導[M].北京:教育科學出版社,2005.

[2]郁波.科學探究與人是如何學習的[EB/OL].http://www.zjxxkx.com/bbs/dispbbs.asp?boardid=4&id=12331.

[3]吳向東.數字時代的科學教育[M].廣州:華南理工大學出版社,2012(8).