靈活運用數字探究 提升學生科學素養

廣東省中山市東升鎮文體教育局教育事務指導中心(528414) 張宏齊

課程改革的核心理念,就是要強化學生通過自主探究性學習,掌握新的知識,獲得新技能,培養科學探究的能力。在中學理科教學中,很多知識、規律需要學生通過探究性實驗來獲得,但是在傳統的實驗教學中,由于傳統實驗儀器的分辨率不高、傳統實驗室中實驗數據的記錄只能采用手工記錄,數據采樣率不高,加上中學生分析處理數據的能力不強,導致學生參與實驗的熱情不高、興趣不濃,學生的科學素養無法得到有效的提升。

隨著信息技術不斷滲透到教學的全過程,數字化探究實驗室近年來得到了推廣與運用。由于數字化探究實驗是用傳感器和數據采集器獲取原始實驗數據,將數據采集器與電腦連接,利用電腦上相應的軟件對數據進行系統分析,并以數字圖表和曲線等方式呈現分析結果,因此相比傳統實驗更精確、更科學、更容易操作、更有說服力。“數字化實驗能實時記錄實驗數據并及時進行處理和分析,呈現物理動態變化的過程,在探索物理規律方面,有著一些傳統實驗無法比擬的優勢。”將數字探究運用于課堂教學,不僅能彌補傳統實驗教學中很難完成的實驗探究,還能讓學生參與科學探究的全過程,激活學生科學探究的熱情,讓學生體驗到科學探究的魅力,這對提升學生探究能力,培養學生科學素養起到很重要作用。“數字化物理實驗恰恰為學生的自主探索提供了有利的條件。學生通過能看得見、聽得著,還能動手操作的實驗,手腦并用,積極主動獲取信息,并在互動中整合學習知識。”下面,筆者談談數字化實驗在提高課堂教學效率、提升學生科學素養方面的點滴認識。

1 激發學生探究興趣,促進學生科學素養提高

在義務教育8年級物理“汽化1”的課堂教學中,教師將溫度傳感器與數據采集器連接電腦,再連接多媒體。按如圖1所示組裝器件,開啟電腦,打開Addestation5.0軟件,設置每秒鐘采集10個樣本,時長設置為10min。給燒杯倒一定量的熱水(高于80℃),點燃酒精燈,給水加熱,當水溫接近90℃時開始采集數據,觀察給水加熱至沸騰后一段時間的水溫隨時間變化的曲線,學生目不轉睛地盯上大屏幕,大屏幕上的溫度曲線隨時間的推移穩步上升,水沸騰時,溫度就不變了。教師蓋上蓋子,溫度又開始上升,一段時間后,溫度又不變了,如圖2所示。我們發現學生在驚嘆實驗魅力之余,注意力也很集中。這些高科技元素融入課堂給學生注入了一支興奮劑,學生熱情高了,興趣濃厚了,課堂教學效率自然也就高了。

圖1 實驗裝置

《義務教育物理課程標準》明確提出,要通過物理學科的學習不斷提升學生的科學素養,但學生所學的物理知識大多源于18世紀前實踐經驗總結,當時實驗工具比較粗糙,實驗手段比較原始,實驗方法也比較簡單,致使學生的探究思維與現代科學技術和信息技術嚴重脫節,不利于學生創新能力的激發和培養。隨著數字實驗融入課堂,有效整合了先進教學資源,為學生探究提供了高科技元素,讓學生掌握科學知識的同時,還掌握了一些先進探究方法,學生探究熱情、探究意識、探究能力和創新能力等科學素養得到很好的培養和提升。

圖2 溫度曲線圖

2 簡化實驗操作,提高課堂教學效率

課堂是教學的主陣地,因此課堂內的40min顯得十分珍貴,在“汽化1”教學中許多教師因水沸騰耗時長,而省去水沸騰實驗的探究,這種做法筆者雖能理解,但不贊成。水沸騰的數字實驗探究,為我們的課堂教學開辟了一個新思路。該數字探究實驗由于省去了學生卡表計時、設計表格、每分鐘記錄一個數據以及繪制圖像等多個環節,學生有更多的精力投入到數據采集過程的觀察上,避免了因計時不準或因溫度讀數有誤,導致數據記錄的偏差,從而影響數據分析。由于采集水沸騰數據的時間不足10min,但有了采集到水沸騰溫度變化的圖像,水沸騰的歸納也水到渠成、順理成章,節省的時間則用于沸點講解和習題鞏固上,確保了物理課堂教學的效果。

3 數字實驗采集的圖像,有利于學生分析數據、總結規律

實驗為課堂教學提供佐證,為學生認知構建提供事實依據,實驗效果越直觀,越容易引發學生共鳴,學生理解掌握知識的效果越好。傳統測量工具測出的數據是靜態的,而數字傳感器采集的數據是隨時間變化的動態數據圖像,從動態的圖像中,我們不僅可以捕捉到某一時刻的數據,還可以直接觀察到數據隨時間的變化規律,這更方便學生總結規律和教師課堂授課。若實驗探究有需要,一個采集器還可連接多個傳感器,同時采集多組數據,更有利于數據的對比,省時省力,大大提高了實驗教學的效率。

在練習和測試中常常會出現圖像分析的題目,但學生體會不到圖像的來源。實行數字探究實驗教學讓學生見證了圖像的采集過程,由于采集的數據隨時間變化,直觀引領學生總結物理規律。比如,在比較不同物質吸收熱本領的探究中,將質量相同的食用油和水放在同一酒精燈加熱,采集器采集到油和水吸收熱量后溫度升高的圖像,如圖3所示,很容易得出油升溫快,水吸熱的本領強。因此,數字探究采集到的動態圖像,有利于學生分析圖像和總結物理規律。

圖3 油和水吸熱升溫圖像

4 數字實驗探究精確度高,可實現傳統實驗不可能完成的探究

實驗室測量器材的精度一般不高,致使一些高精度實驗探究無法達到預期效果。而數字探究實驗中的高精度傳感器,可以探測到數據的細微變化,使一些傳統實驗不可能完成的科學探究變成可能。同樣在“汽化1”的實驗中,在采集器捕捉到的水溫變化圖像中,蓋上蓋子,溫度立即上升,如圖2中的CD段,但過一會兒后溫度又不變了,這是傳統實驗很難實現的。溫度傳感器不僅精度高,還可以通過點擊最佳比例工具,將圖像上下大幅度拉動,讓我們清晰看到：蓋上蓋子后,水的沸點隨氣壓的增大而升高。

數字探究實驗為我們的實驗教學提供了許多新思路。比如在探究電磁感應的實驗中,因為有靈敏的微電流傳感器,就可以實現單根導線在磁場中切割磁感應線運動便可以產生感應電流。又如在探知聲波特性的實驗中,可以利用聲波傳感器將聲波的波形圖錄下來,通過點擊工具,再點圖像,則可將圖像放大,很方便計算聲波的頻率和振幅。數字實驗的精度高,可以實現傳統實驗不可能完成的探究,是實驗教學的有力補充。

5 數字實驗演示可連接多媒體,提高學生實驗參與率

傳統實驗數據常需要人工讀取和記錄,實驗的交流主要靠實驗者的匯報,然而匯報時不尊重實驗事實,臆造實驗數據的情況屢見不鮮。數字實驗探究的實驗數據直接由電腦采集,將采集器連接電腦和多媒體,實驗采集的數據可以直接輸送到電腦和多媒體大屏幕上,讓全班學生都能很好觀察到實驗采集數據的全過程,為師生分析實驗數據和交流評估提供更直觀更有力的證據,大大提高了實驗教學效果。在傳統實驗教學中,探究水隨溫度的變化規律時,教師安排一個學生卡表計時,安排一個學生讀溫度計,安排一個學生觀察水沸騰時氣泡的變化情況,參與實驗的學生只是少數,大多數學生在看熱鬧,時間長了,課堂混亂,甚至難以把控,教學效果大打折扣。這也是許多教師不愿組織學生探究水沸騰溫度變化規律的原因。數字探究走進課堂,數據采集直接進入電腦和多媒體,每個學生通過多媒體大屏幕觀察水溫隨加熱時間變化的規律,學生雖沒有動手操作實驗,但參與了觀察、體驗和總結,教學效果較好。

6 數字實驗探究多測量,少轉換,有利于學生設計實驗

傳統實驗測量工具的種類和精度有限,要度量某些量的變化時,常需要借用轉換法,這無形給學生的實驗設計和操作帶來難度,不利于學生的自主探究。然而數字探究實驗中增添了許多傳感器,除了溫度傳感器外,還有磁場強弱傳感器、氣壓計傳感器、微電流傳感器、聲波傳感器、濕度傳感器等,只要學生熟知各類傳感器的功能,就可以挑選需要的傳感器來測量自己所需要的數據,從而達到自己實驗探究物理規律的目的。如探究通電螺線管周圍磁場分布是否與條型磁體相同,只需要一個磁場傳感器,就能隨意測出相應位置的磁場強弱,就可以從測量的數據中分析通電螺線周圍的磁場和條形磁體相似；若探究大氣壓與高度的關系,只需要一個氣壓計傳感器連接采集器,從一樓步行到五樓,就可觀察到大氣壓隨高度的增大而減小。

數字化時代,數字技術除了呈現大量的科學信息之外,還能實現對探究數據的收集、整理和分析,從而培養學生的科學素養,這是時代賦予科學教育的新內涵,也是這個新時代賦予我們廣大教育工作者的使命與擔當。