傳感器技術(shù)在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

孫梅芳

一、引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，出生在數(shù)字時(shí)代的小學(xué)生們從小就接觸了豐富的數(shù)字產(chǎn)品，他們體驗(yàn)到了這些先進(jìn)設(shè)備帶來(lái)的便利和樂(lè)趣。相比之下，傳統(tǒng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室里的一些瓶瓶罐罐們，有時(shí)很難滿(mǎn)足學(xué)生發(fā)展的需要。一方面，有的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材使用起來(lái)費(fèi)時(shí)，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效率很低，有的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材操作過(guò)程復(fù)雜，導(dǎo)致學(xué)生的時(shí)間和精力都用在操作過(guò)程上，沒(méi)有了觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、思考問(wèn)題和得出結(jié)論的時(shí)間。另一方面，小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)劃中涉及力學(xué)、電磁學(xué)、聲學(xué)等領(lǐng)域，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較難獲取。因此在科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，往往實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差較大，只能勉強(qiáng)得出一些所謂的科學(xué)結(jié)論。長(zhǎng)此以往這樣的科學(xué)教學(xué)既限制了學(xué)生獲取數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)能力的提高，也阻礙了學(xué)生科學(xué)探究精神的培養(yǎng)。

在傳統(tǒng)小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中往往只進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的定性描述和推理實(shí)驗(yàn)，定量實(shí)驗(yàn)很難開(kāi)展。隨著數(shù)字技術(shù)走進(jìn)校園，傳感器測(cè)量技術(shù)為小學(xué)科學(xué)教學(xué)開(kāi)展定量實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了條件。它為學(xué)生提供了一個(gè)自主探索的平臺(tái)，給他們展示了更直觀、生動(dòng)的教學(xué)內(nèi)容，優(yōu)化了小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)情境。從而也激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，解決了我們傳統(tǒng)科學(xué)教學(xué)中所解決不了的問(wèn)題，讓我們的科學(xué)課堂教學(xué)效率大大提升。

二、完善小學(xué)科學(xué)探究設(shè)計(jì)，突出傳感器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

1.巧用傳感器技術(shù)使科學(xué)過(guò)程具體化

戴爾指出“教育應(yīng)從具體經(jīng)驗(yàn)入手，逐步進(jìn)入抽象，有效地學(xué)習(xí)之路必須是鋪滿(mǎn)著具體經(jīng)驗(yàn)。”小學(xué)科學(xué)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，由于實(shí)驗(yàn)器材限制，有些實(shí)驗(yàn)在傳統(tǒng)小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室中無(wú)法完成。而數(shù)字化探究實(shí)驗(yàn)室突破了這些限制，利用傳感器技術(shù)替代傳統(tǒng)的測(cè)量?jī)x器完成力、熱、聲、光、電等多種數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)據(jù)采集器處理后上傳到計(jì)算機(jī)，由教學(xué)軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理與分析。例如傳統(tǒng)的彈簧測(cè)力計(jì)在課堂中學(xué)生一般只關(guān)注最終的測(cè)量結(jié)果，很少關(guān)注彈簧測(cè)力計(jì)的讀數(shù)變化，不會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的記錄，更談不上給學(xué)生提供有分析價(jià)值的數(shù)據(jù)。而傳感器技術(shù)把過(guò)程數(shù)據(jù)詳細(xì)記錄下來(lái)，并且繪制出了相關(guān)曲線，使科學(xué)過(guò)程變得具體化，讓學(xué)生親身經(jīng)歷了探究過(guò)程。

2.巧用傳感器技術(shù)使科學(xué)現(xiàn)象直觀化

聲音的大小和高低這兩個(gè)概念很容易混淆，小學(xué)生在學(xué)習(xí)這兩個(gè)概念前往往認(rèn)為聲音越大音調(diào)也會(huì)越高。因此在教學(xué)《聲音》這一內(nèi)容時(shí)，怎樣讓學(xué)生了解并區(qū)分聲音大小和高低概念成為讓教師頭疼的事情。自從聲音傳感器走進(jìn)了校園，問(wèn)題一下子迎刃而解了，聲音傳感器可以直接檢測(cè)出整個(gè)聲音的衰減過(guò)程，并且在計(jì)算機(jī)上清晰地呈現(xiàn)出這一過(guò)程。傳感器技術(shù)將看不見(jiàn)的波變成了直觀化的曲線，用動(dòng)態(tài)圖的形式減輕了學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān)。

3.巧用傳感器技術(shù)檢驗(yàn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)成效

傳感器測(cè)量的數(shù)值精度較高，這是感官感受無(wú)法比擬的，因此將傳感器技術(shù)運(yùn)用在檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)成效時(shí)可以減少感官的“誤判”。例如學(xué)生進(jìn)行保溫裝置的設(shè)計(jì)時(shí)，為了弄清自己設(shè)計(jì)的保溫裝置的效果，可以讓學(xué)生打開(kāi)溫度傳感器，將溫度傳感器放入保溫裝置中一段時(shí)間，通過(guò)觀察分析系統(tǒng)軟件中顯示的溫度變化值和曲線變化，檢驗(yàn)學(xué)生設(shè)計(jì)的保溫裝置的成效。此外還可以將數(shù)據(jù)圖表生成為實(shí)驗(yàn)報(bào)告，為學(xué)生進(jìn)一步改進(jìn)自己的裝置提供證據(jù)。同時(shí)也為教師評(píng)價(jià)學(xué)生的最終設(shè)計(jì)成效提供了精確的過(guò)程性資料和證據(jù)，避免傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)條件下靠手摸一摸的不準(zhǔn)確。

三、轉(zhuǎn)變小學(xué)科學(xué)探究形態(tài)，注重定量研究和分析

1.轉(zhuǎn)變當(dāng)前重定性輕定量研究的現(xiàn)狀。傳感器的技術(shù)的運(yùn)用為定量研究創(chuàng)造了條件，一方面教會(huì)學(xué)生將觀察的結(jié)果用物理量、動(dòng)態(tài)曲線來(lái)表示，另一方面還引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會(huì)將無(wú)法直接觀察到的物理量轉(zhuǎn)化為可見(jiàn)的物理量，從而間接觀察。比如聲音看不見(jiàn)摸不著，我們可以通過(guò)聲音傳感器進(jìn)行定量測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)用波的變化曲線表示出來(lái)。定量分析是科學(xué)研究的重要思想，我們很多實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)并不是直接觀察的結(jié)果，而是對(duì)轉(zhuǎn)變后的物理量進(jìn)行觀察統(tǒng)計(jì)，從而間接得出科學(xué)結(jié)論。

2.正確認(rèn)識(shí)定量統(tǒng)計(jì)分析的意義。學(xué)生運(yùn)用傳感器技術(shù)進(jìn)行測(cè)量之后，更為重要的是必須對(duì)這些物理量進(jìn)行有效的統(tǒng)計(jì)分析，教師應(yīng)指導(dǎo)學(xué)生如何正確理解實(shí)驗(yàn)誤差，很多時(shí)候?qū)W生只知道要多次測(cè)量取平均值，但不知道為什么要這樣做，不知道平均值的意義，這也造成了學(xué)生難以真正理解誤差。因此建議教師在指導(dǎo)學(xué)生測(cè)量前，一要提醒嚴(yán)格控制實(shí)驗(yàn)條件，減少誤差；如果測(cè)量的數(shù)值相差較大，可能是實(shí)驗(yàn)控制出現(xiàn)了問(wèn)題，應(yīng)重新改進(jìn)實(shí)驗(yàn)；在正式測(cè)量前要多練習(xí)幾次，等熟練之后再取測(cè)量值，確保測(cè)量值的信度。

3.應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析建立科學(xué)模型。心率傳感器可以測(cè)量人的心跳，課堂上指導(dǎo)學(xué)生分組測(cè)量自己的心率，讓學(xué)生先安靜下來(lái)，然后用心率傳感器技術(shù)結(jié)合軟件應(yīng)用來(lái)進(jìn)行測(cè)量，并在大屏幕上進(jìn)行全班數(shù)據(jù)匯總繪制成條形圖，統(tǒng)計(jì)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，人在安靜狀態(tài)下心跳頻率集中在一個(gè)什么樣的范圍內(nèi)。根據(jù)這個(gè)范圍我們可以建立清晰的模型?？茖W(xué)模型往往離不開(kāi)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)，這也是我們強(qiáng)調(diào)定量研究分析的意義所在。

四、豐富小學(xué)科學(xué)探究?jī)?nèi)容，超越傳統(tǒng)教材設(shè)計(jì)

一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)，我們的教材就作為課后拓展或者直接忽略。我們將傳感器技術(shù)引入課堂，就需要對(duì)教材進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，首先得讓學(xué)生懂得傳感器的原理以及相關(guān)的軟件是如何利用傳感器來(lái)采集分析數(shù)據(jù)的。教師和學(xué)生只有都對(duì)傳感器的知識(shí)有一定的了解，知道該軟件應(yīng)用的大致設(shè)計(jì)原理后，才能有效地利用它。此外，一些新的物理量也要列入小學(xué)科學(xué)教學(xué)內(nèi)容。例如引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)噪音的單位分貝（dB），不同環(huán)境的噪音大致的范圍是多少，噪音會(huì)對(duì)人體健康產(chǎn)生影響嗎。

傳感器技術(shù)在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，使教學(xué)方法上實(shí)現(xiàn)了多樣化；在教學(xué)模式上使交互式教學(xué)成為可能；在教育理念上為教育的發(fā)展提供了新思路，體現(xiàn)了信息技術(shù)與小學(xué)科學(xué)的整合。

【作者單位：太倉(cāng)市港城小學(xué) 江蘇】