S4A在小學科學教學中的應用

蘇雅萍 吳怡

摘要：本文基于傳統實驗教學及小學科學學情現狀，嘗試將S4A作為小學科學數字化實驗的載體。作者以“水的溫度變化”和“節約能源與開發新能源”兩個實驗為例，分別設計了S4A教學和傳統教學并進行對比，探索S4A在科學實驗以及促進小學生自主探究等方面所起的作用，明確其在自動化、高精度獲取可視化數據及拓展教學方面的優勢，指出教師可根據實際，有選擇地將S4A融入小學科學教學。

關鍵詞：S4A;科學實驗;自主探究

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2019）19-0070-04

● 引言

S4A原意是Scratch for Arduino，是Scratch為支持Arduino硬件而做出的修改版本，也可以理解為它是Scratch傳感器板的一個升級版本。[1]在中小學的創客教育和信息技術課程中，一般將Arduino作為微控制器，可以和多種類型的傳感器、電子器件連接，配合Scratch進行創意電子作品制作。在某個方面，S4A也可以理解成是Arduino及電子模塊等硬件與Scratch軟件的結合。它將“做中學”融入教學過程，讓學生在創造和制作過程中獲取知識，并將學到的知識應用到實際當中。

在小學科學課程的探究實驗中，有些實驗因為傳統操作導致數據不可定量、實驗精度和效率低，無法有效促進學生拓展、聯想、猜測能力的提升。[2]隨著數字化實驗在課堂的運用，部分教師開始嘗試將Arduino配合傳感器進行數字化實驗來解決傳統實驗的不足，微控制器與傳感器的運作需要一種編程語言形式作為中介，較為常見的是C語言，但對小學生來說，他們難以看懂以C語言為主的文本編程語言，更不要說學會獨立編寫。相比之下，S4A在促進小學科學教學方面有其優勢：一方面，它作為實驗教具，保證了實驗精度和效率;另一方面，S4A的多樣性和深度可以讓學生持續學習，特別是與項目結合的時候，學生的態度和學習動機非常高。[3]

● S4A教學與傳統實驗教學的對比

1.“測試水的溫度”實驗對比

在“測試水的溫度”實驗中，教學目標是讓學生認識不同溫度的水在相同時間內的變化。

（1）傳統教學

a.探究問題：常溫下，兩個燒杯中的水溫變化一樣嗎？

b.教師講解：“水的溫度測試”實驗的過程，如圖1～圖3所示。

c.猜測假設：學生猜測兩個燒杯中水溫的變化趨勢。

d.分組實驗：首先，在實驗過程中注意溫度計不可離開液體也不可觸碰燒杯;其次，觀察過程視線要與溫度計液面最低處等平，在十五分鐘內每隔兩分鐘記錄一次數據，得出水溫變化趨勢（如圖4）。

（2）S4A教學

a.探究問題：常溫下，熱水和溫水的溫度變化會一樣嗎？

b.教師講解：“水的溫度測試”實驗的過程。

c.猜測假設：學生猜想兩種燒杯中的水在常溫下的溫度變化趨勢。

d.分組實驗：搭建硬件，將LM35溫度傳感器連接至Arduino;理解試驗程序，并運行程序（如圖5）。

（3）S4A和傳統實驗教學對比（如表1）

結合圖4和圖5可以看出，S4A實驗和傳統實驗都能正確反映實驗結果，說明S4A和傳統實驗都能保證數據的精確。但學生在進行傳統實驗的過程中，可能會因為操作不當形成誤差，數據能否精確不能保證，同時傳統實驗讀取溫度和繪制圖形需要擠占大部分的課堂時間，這勢必會縮減觀察和討論時間，導致學生無法將注意力集中在實驗現象的觀察上。

相比之下，利用S4A自制教具首先滿足了高精度、自動化獲取數據和繪制圖形的需要，幫助學生成功完成實驗，為實驗結果分析和討論留出時間;其次，利用S4A可以促進學生對數學知識的理解和編程興趣[4]，在S4A中涉及到如相對位置、邏輯運算和四則運算等中高年級知識，教師可以將等待完整數據的教學時間充分利用起來，讓學生在潛移默化中理解數學概念。

2.“節約能源與開發新能源”實驗對比

在“節約能源與開發新能源”實驗中，需要學生明確可再生能源與不可再生能源的區別，區分不同能量的來源，引導學生從身邊小事做起節約能源。

（1）傳統教學

a.探究問題：白熾燈與熒光燈哪個效率更高？

b.教師講解：將瓦數相同的白熾燈和熒光燈同時開啟，10分鐘后用溫度計讀取二者溫度，并記錄數據。

c.猜測假設：學生猜想白熾燈和熒光燈將電能轉化為光能的效率。

d.分組探討：溫度和光能之間的關系;收集關于開發新能源的資料，匯報自己的觀點和看法。

（2）S4A教學

a.探究問題：以電燈為例，談談如何節約電能。

b.教師講解：將瓦數相同的白熾燈和LED燈同時開啟，利用光敏電阻傳感器讀取二者的亮度，并記錄數據（如下頁表2）。

c.猜測假設：學生猜想其他節約方式，如定時關閉、自動調整亮度等。

d.分組實驗：利用現有的電子模塊和Arduino，搭配Scratch設計制作一個節能電燈。

（3）S4A和傳統實驗教學對比

傳統實驗用測溫來推理光效率的方式，不僅費時，而且需要引導學生進行思維轉換。傳統實驗本身不能直接得出LED燈發光效率更高，它需要學生理解同樣瓦數的燈泡，其溫度越高則電能轉化為熱能越多，因此光能越少。而通過S4A改進教學思路，利用光敏傳感器輸出電壓與光照度呈線性的特點[5]，等電燈發光穩定后即可得到光亮度，結果明顯又精確。

傳統教學中分組資料收集和匯報的方式過于單一，且收集資料對學生來說可能會有些枯燥，未必能達到讓學生從身邊小事做起節約能源的目的。而引導學生借助S4A基于日常生活中接觸的節能電燈進行創意電子產品制作（如表3），能讓學生在探索、研究、實踐、分享的過程中，整合不同學科的知識，也改變了以往教學方式過于單一、學生被動學習的低效課堂模式。[6]同時，互動產品的制作，從設計草圖、選擇適當材料、利用編程技術和相關電子器件進行產品搭建及后續的改進，一定程度上體現了技術與工程的思想。

● S4A在小學科學教學中的應用策略

S4A在探究實驗中可以幫助教師改進實驗，提升實驗精度和效率;作為實驗載體，S4A可引導學生自主探究和提升相關設計、計算及制作能力。因此，教師在教學過程中可從實際出發，有選擇地使用它。

首先，選擇S4A提高教學效率。利用S4A自制教具免去了機械枯燥的觀測操作，同時這也是實現定量化研究的良好方式，如蠟燭燃燒的實驗，傳統實驗中學生單憑眼睛觀察很可能會誤認為燒杯內蠟燭熄滅是因為沒有氧氣，不能明確熄滅是因為氧氣含量低[7]，而用S4A搭配氣體傳感器來自制教具，學生可以得到量化的結果進行分析。傳統實驗和S4A實驗在幫助學生獲取精準數據和結果分析方面基本一致，但在保證較高的教學效率的情況下，教師可以選擇S4A來進行教學。

其次，合理確定S4A教學角色。由于不同學段和地區的學生對Arduino和Scratch的接觸程度不同，在小學低年級的教學中，教師可以將S4A作為實驗教學的載體，學生只需要學會搭建S4A的實驗教具來觀察實驗結果、獲取實驗數據和形成科學概念。但在小學高年級學段，由于信息技術課程已經開始教授Scratch，因此引導學生將S4A作為自主探究的載體，能夠改變單一的教學方式，讓學生將所學帶出教室，立足現實需要，在家庭、社區等場所通過團隊或個人的形式開展科學活動。

最后，避免機械使用S4A。S4A在小學科學教學中一般是作為科學數據獲取和探究、學生發揮創意思維、實現設計的途徑，而在傳統實驗和S4A實驗結果精確度差別不大的情況下，傳統實驗在觀察和繪圖方面具有較大優勢。當然，傳統實驗和S4A實驗并不矛盾，若是能夠將二者結合教學或者對比教學，發揮雙方的優勢，教學效果會更好。

● 結語

總之，S4A可以助力小學科學實驗朝著更加嚴謹、多樣的方向發展，它既能加強學科融合，也可以避免因實驗器件老舊、實驗內容落后帶來的實驗數據不準確等問題。同時，它可以增強學生的探究意識和實踐能力，所以教師可根據教學的具體要求，有選擇地開展S4A實驗和傳統實驗教學。

參考文獻：

[1]梁森山，武健，管雪沨.S4A在教育中的應用價值[J].中國信息技術教育，2014（05）：9-11.

[2]夏良英，李永洪，張喜林.DIS實驗和傳統物理實驗在教學實踐中的對比研究[J].物理教師，2014，35（04）：42-45+58.

[3]José-Manuel Sáez-López，Marcos Román-González，Esteban Vázquez-Cano.Visual programming languages integrated across the curriculum in elementary school： A two year case study using“Scratch”in five schools[J].Computers & Education，2016（97）.

[4]馬楠.基于Scratch的信息技術與小學數學課程整合的實例探究[J].中小學電教，2017（Z1）：62-64.

[5]王天會，李昂，王丹，等.光敏傳感器基本特性與應用教學研究[J].實驗技術與管理，2017，34（05）：170-173+177.

[6]吳鑫.小學創客教育初級人工智能作品的設計——以開源機器人“小菠蘿”存錢罐作品為例[J].現代教育技術，2018，28（06）：122-126.

[7]詹偉達.基于數字傳感器的小學科學探究教學[J].教育信息技術，2015（Z2）：85-88.

作者簡介：蘇雅萍，福建師范大學在讀碩士，研究方向為科學與技術教育。

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