淺談數(shù)字傳感器在科學(xué)探究實驗中的優(yōu)勢

陳秋香

【摘 要】 數(shù)字傳感器在科學(xué)探究實驗中得到越來越廣泛的應(yīng)用，相比傳統(tǒng)實驗室，數(shù)字化實驗系統(tǒng)在測量、采集和處理實驗數(shù)據(jù)等方面具有明顯的優(yōu)勢。筆者將數(shù)字化探究應(yīng)用到小學(xué)科學(xué)課堂中，結(jié)合自己的課堂實踐，本文就傳感器在小學(xué)科學(xué)探究實驗應(yīng)用中的優(yōu)勢展開探討。

【關(guān)鍵詞】 數(shù)字傳感器；直觀化；降低難度；降低誤差；提高效率；定量研究

【中圖分類號】 G62.32 【文獻標識碼】 A 【文章編號】 2095-3089（2017）16-0-01

在科學(xué)教學(xué)中，教師要注重通過探究實驗再現(xiàn)科學(xué)發(fā)現(xiàn)的過程，從而讓學(xué)生體驗到“猜想一驗證一歸納”的科學(xué)探究過程。傳統(tǒng)條件下，由于實驗器材、實驗條件等的限制，相當(dāng)一部分探究不能進行，學(xué)生可進行探究的實驗內(nèi)容相對較少，而且定性、模糊的研究居多。隨著科技的迅猛發(fā)展，與實驗密切相關(guān)的數(shù)字傳感器進入了我們的科學(xué)課堂，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(yōu)勢，不僅讓學(xué)生親歷探究活動更直觀，而且可以更好地保持學(xué)生的興趣和求知欲；降低實驗難度，提高實驗效率，讓學(xué)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(xiàn)象和數(shù)據(jù)，完成對新知的自主建構(gòu)；改變目前多定性實驗的現(xiàn)狀，擁有更多定量實驗的機會，讓學(xué)生探究活動更接近科學(xué)本質(zhì)。筆者結(jié)合課堂實踐，對傳感器在小學(xué)科學(xué)探究實驗中的應(yīng)用優(yōu)勢談幾點自己的心得。

一、抽象變具體，使過程直觀化

教育應(yīng)從具體經(jīng)驗人手，逐步進人抽象，有效的學(xué)習(xí)之路必須是鋪滿著具體經(jīng)驗的。小學(xué)科學(xué)實驗中引入數(shù)字傳感器后，利用傳感器技術(shù)替代傳統(tǒng)的測量儀器完成力、熱、聲、光、電等多種數(shù)據(jù)的采集。數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集器處理后上傳到配套電腦，由教學(xué)軟件進行實時的處理與分析，這個采集數(shù)據(jù)的過程能通過軟件在電腦上具體呈現(xiàn)出來。如聲音的大小和高低這兩個概念很容易混淆，小學(xué)生在學(xué)習(xí)這兩個概念前往往認為聲音越大音調(diào)也會越高。因此在教學(xué)《聲音》這一內(nèi)容時，怎樣讓學(xué)生了解并區(qū)分聲音大小和高低概念成為讓科學(xué)教師頭疼的事情。利用聲音傳感器，問題一下子迎刃而解了，聲音傳感器可以直接檢測出整個聲音的衰減過程，并且在計算機屏幕上清晰地呈現(xiàn)出這一過程。傳感器技術(shù)將看不見的波變成了直觀化的曲線，用動態(tài)圖的形式讓學(xué)生“看見了聲音的變化”。

二、降低誤差，采集準確數(shù)據(jù)

在《我們的小纜車》一課中，使用傳統(tǒng)方法研究“拉力大小與小車運動快慢”的實驗，會出現(xiàn)下面的情況：（1）小車的運動軌跡是偏的，且拉力不同偏行的程度不同；（2）拴住小車的繩子跟桌面之間，特別是桌角邊緣，有摩擦。

這些因素會使學(xué)生采集到的數(shù)據(jù)誤差很大，進而引起學(xué)生對實驗設(shè)計和初始判斷的否定，對學(xué)生探究未知形成障礙。利用光電門傳感套件和配套車軌進行實驗，我們可以發(fā)現(xiàn)：小車會自動沿著車軌行駛（解決偏行問題），車軌邊緣安裝的滑輪消除了摩擦力對實驗的影響。由此可見，融入光電門傳感技術(shù)后，排除了傳統(tǒng)實驗中影響實驗結(jié)果的外在因素，提高了實驗準確性。一組組精確的實驗數(shù)據(jù)，為學(xué)生進一步的思考、討論、各抒己見提供了科學(xué)的依據(jù)，學(xué)生歸納獲得的探究結(jié)果更真實更準確。

三、智能控制，降低實驗難度

還是以《我們的小纜車》一課中“拉力大小與小車運動快慢”的實驗為例，傳統(tǒng)的做法是學(xué)生分工合作：一位學(xué)生手動放小車，一位學(xué)生用秒表掐時，然后再對測得的數(shù)據(jù)進行分析與比較。這樣的弊端主要有兩個：（1）放小車和掐秒表這兩個動作，學(xué)生一個人完成存在一定難度，如果讓兩個學(xué)生完成，又不能做到完全同步；（2）手動掐表計時，小車運動的信息由眼（耳）傳到大腦，再由大腦發(fā)出指令按下計時鍵，學(xué)生基本做不到小車被三角板擋住的一瞬間掐停秒表，而且不同學(xué)生的反應(yīng)時間不同，也易犯錯。

利用“光電傳感器”，在小車經(jīng)過的地方兩側(cè)架設(shè)光電門，小車經(jīng)過時，光就不能傳過去，此時就開始計時，小車過去后，光又能射過去，這就獲得了時間差。這個時間差通光電門傳感器傳到電腦上，不論小車運動速度多快，平板電腦上都會即刻顯示，都能精準記錄運動時間。數(shù)字傳感器的應(yīng)用，大大降低了實驗操作難度，讓學(xué)生對實驗更感興趣，更樂于對后續(xù)的數(shù)據(jù)分析、處理，從而得出更接近科學(xué)本真的結(jié)論。

四、提高效率，節(jié)省時間

如果僅僅讓學(xué)生經(jīng)歷探究活動，還不能幫助他們學(xué)會如何學(xué)習(xí)。讓學(xué)生運用批判性的眼光對自己和同伴的探究過程和結(jié)果進行監(jiān)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]。這就要求教師在組織科學(xué)探究實驗過程中，既要保證親歷、體驗的過程，又要確保學(xué)生有足夠的時間思考和交流。

例如在學(xué)習(xí)“測量呼吸和心跳”一課時，學(xué)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(xué)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(jié)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(xué)生的“想”和“交流”的時間和機會被迫減少甚至忽略。應(yīng)用心率傳感器，學(xué)生就可以即時測得不同狀態(tài)下的精確心率數(shù)值，既節(jié)約學(xué)生的時間，又排除了其他因素的干擾，提高了數(shù)據(jù)準確性。讓學(xué)生的注意力從“摸心跳”“數(shù)數(shù)”等轉(zhuǎn)向?qū)Α昂粑托奶标P(guān)系的深層分析與探究，有更多的時間交流、分析、概括實驗現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“思”“做”“說”等各個環(huán)節(jié)時間的靈活分配，提高探究實驗效率。

五、改變現(xiàn)狀，進行定量研究

定量分析是科學(xué)研究的重要思想，我們很多實驗發(fā)現(xiàn)并不是直接觀察的結(jié)果，而是對轉(zhuǎn)變后的物理量進行觀察統(tǒng)計，從而間接得出科學(xué)結(jié)論。傳感器技術(shù)的運用為定量研究創(chuàng)造了條件，可以轉(zhuǎn)變當(dāng)前實驗探究中重定性輕定量研究的現(xiàn)狀。傳感器測量的數(shù)值精度較高，一方面可以把測量的結(jié)果用物理量、動態(tài)曲線來表示，另一方面可以將無法直接觀察到的物理量轉(zhuǎn)化為可見的物理量，這是感官感受無法比擬的，因此運用傳感器技術(shù)可以減少感官的“誤判”。例如學(xué)生進行保溫裝置的設(shè)計時，為了弄清自己設(shè)計的保溫裝置的效果，就要對其進行定量分析，而不是單純靠“感覺來判斷。”溫度看不見摸不著，我們可以通過溫度傳感器，進行定量測量：讓學(xué)生打開將溫度傳感器放人保溫裝置中一段時間，通過觀察分析系統(tǒng)軟件中顯示的溫度變化值和曲線變化，檢驗學(xué)生設(shè)計的保溫裝置的成效。此外還可以將數(shù)據(jù)圖表生成為實驗報告，為學(xué)生進一步改進自己的裝置提供證據(jù)。

六、結(jié)束語

數(shù)字傳感器技術(shù)在小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)用，使科學(xué)探究實驗更豐富、更規(guī)范、更科學(xué)、更有效；使教學(xué)方法上實現(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。但我們同時也應(yīng)該認識到，“技術(shù)”是一把雙刃劍，傳感器的應(yīng)用也有些不足：（1）雖然使數(shù)據(jù)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(yǎng)；（2）傳感器的原理復(fù)雜，增加了學(xué)生對儀器原理的認知難度等。因此，我們需要根據(jù)實際情況，作出相應(yīng)的改變。

參考文獻：

[1]韋鈺.探究式科學(xué)教育教學(xué)指導(dǎo)[M].教育科學(xué)出版社，2005.

[2]郁波.科學(xué)探究與人是如何學(xué)習(xí)的.http：//www.zjxxkx.com.

[3]吳向東.數(shù)字時代的科學(xué)教育[M].華南理工大學(xué)出版社，2012，（8）.