應用數字技術優化實驗教學

談梅芬

隨著高新科技的不斷研發，全球大數據云計算的信息時代已經到來，學校教育也從數字土著融入以數字技術為基礎的大環境中。我校順應教育趨勢，開展了“數字化實驗技術在小學科學教學中的應用研究”的課題研究活動，通過給學生提供一種操作性能強大的數字技術，鼓勵學生更有效地進行實驗探究。

數字化實驗系統裝置由傳感器、數據采集器、軟件、計算機四部分組成。傳感器是能感受規定的被測量，并按照一定的規律轉化成可用輸出信號的器件或裝置。小學科學實驗室中常用的傳感器有溫度傳感器、二氧化碳傳感器、pH傳感器、電流傳感器、聲音傳感器等。數據采集器能將實驗過程中的物理信號轉變為數字信號、模擬信號輸出，全程跟蹤實驗過程中的數據變化，并以多種形式顯示實驗結果的裝置。我校使用的“TriE iLab”是一款功能強大的教學用實驗數據處理軟件，支持實驗設計、數據采集和保存、數據分析計算等。其次，TriE iLab還增設了CCD光強分布模式和聲音測量模式，同時支持無線通訊，并設有數據導入向導，可以將TriE Smarta等具備存儲功能的數據采集器上存儲的數據導入并進行計算，也就是說可以單獨攜帶、輕巧方便地進行戶外探究。

在傳統小學科學實驗過程中，雖能同樣關注實驗的設計，實驗的過程，以及最終的實驗數據，但由于受到現實實驗器材的制約，很多時候只能做定性分析。即便是定量，比如力的大小，溫度的高低，容積的多少，時間的快慢，“差不多是”“接近是”是師生進行實驗結果分析時的專用名詞。但在實驗現象較接近且難以分辨時，比如音強的大小，酸堿的強弱等，數字化實驗定量化處理的優勢就很好體現出來了。同時，使用傳感技術，可以采集實驗過程的完整數據，并通過數據的分析，直觀地感受到實驗全程的變化，從而得出更加準確、科學的結論。

一、精準，用優于手工采集的技術，確保實驗探究的成功

結合溫度傳感器為主的數字化實驗技術與傳統手工采集數據實驗相對比，我校使用的溫度傳感器量程-50℃至150℃，分辨率0.1℃，精度+0.5℃，便捷的操作，精準的讀數在蘇教版小學科學四年級《冷熱和溫度》一課得以很好的體現。本課的教學目標是建立溫度的概念，學會使用溫度計測量水溫，能夠收集數據并發現熱水變涼的溫度變化規律。連續測量一杯50mL熱水溫度的變化是本課的主要探究活動，在傳統教學中，這個實驗的操作除了需要正確讀取數據外，另一個最至關重要的問題是計時員的選定，每隔一分鐘進行一次測量讀數，計時提前或落后會直接錯失實時數據的獲取；而如果忽視人員工作的責任心與實驗的嚴謹性，將會出現不可逆轉的無效數據，以至于最終無法發現其中的科學規律。而溫度傳感器的使用則有效攻克了實驗中準確讀數的難點， TriE iLab實驗數據處理軟件又很好地排除了實驗中計時的困惑，甚至不存在人腦神經的反應速率，時間能精準到秒，實時進行測量并自動記錄，體現數據采集的智能高效，科學客觀地測量了每一時間點的數據值。

二、優化，用明了的現象分析比較，提高實驗的可操作性

科學學習決不能只是別人做給他們看的過程，學生更需要參與真實的動手過程，把科學知識應用于新問題的解決中去。例《導體與絕緣體》一課，學生在對導體和絕緣體有了初步認知后，能夠輕松快速地檢測銅、鐵、鋁是導體，橡膠、塑料等是絕緣體，但由于鹽水、肥皂水、果皮、人體等電阻很大，學生無法用普通驗電裝置通過點亮小燈泡的方式進行檢測。因此，教師往往會對這一環節的處理轉變為演示實驗，用人體驗電器進行檢測人體是導體，用紐扣電池和LED小燈組裝新的實驗裝置測定其他液體也是導體。在此期間學生始終處于觀眾席位，沒能親手動手實驗。而微電流傳感器恰到好處地使用，方便學生人人參與到科學探究中去，用數據說明現象，用事實解釋分析，使學生在開放性、情景性的氛圍中進行多維度、廣角度的實驗探究，由此獲得思維力的提高。

三、個性，用便捷的數據采集方式，打造開放的實踐活動

科學學習決不只是四十分鐘課堂內的事，也不僅是能讀懂幾本與科學相關的書籍，實踐運用才是孩子們學科學用科學的廣闊舞臺。師生通過設計個性化的實踐活動，有效彌補課堂教學的狹隘，激發學生學習的內在動力，以及科學運用實際生活的應用能力。結合《測定教室中的CO2和O2》實踐活動案例介紹。學生通過以往課堂的學習、書本的閱讀，知道二氧化碳是空氣中的一種氣體，占空氣比例的0.03%左右，比空氣重，不能供給動植物呼吸，是一種窒息性氣體，但面對寒冷的冬季學生又習慣緊閉教室的門窗，而這污濁的空氣使人精神不振。學生通過資料的查閱，可以知道上課疲倦是因為教室中的二氧化碳含量過高導致的，可是怎么解決通風換氣與保暖御寒之間的矛盾呢，這就需要了解教室空氣中二氧化碳含量的變化與哪些因素有關。學生利用傳感器以及TriE Smarta具備存儲功能的數據采集器，通過測量人數一定的情況下，把教室封閉不同的時間及開窗通風不同的時間來測量二氧化碳和氧氣含量的變化量，以及人數不同的情況下，把教室封閉相同時間后的二氧化碳和氧氣含量的變化量，最終獲得空氣中各氣體比例的差異對人體健康的影響。整個活動歷時整天，這也是傳統課堂無法企及的，學生用數據分析更容易得出科學客觀的結論。

對比傳統教學，數字化實驗更關注對結果進行定量分析，從具體數據的分析歸納中得出實驗結論，側重于學生探究技能和思維能力的培養。但我們不能摒棄傳統，更不能為技術而技術，應始終保持現代與傳統的有效整合，充分挖掘兩者的教學價值，讓探究因數字化技術的引入，使學生對科學概念的理解和科學本質的認知更透徹！

【作者單位：宜興市湖濱實驗學校 江蘇】