引入數字化實驗優化課堂教學

胡超

對于小學生來說，通過親歷實驗過程獲得直觀體驗是其認識和理解科學的最佳方式。在小學科學與技術教學中，有一些科學概念和原理通過傳統實驗不容易讓學生理解，尤其是一些實驗現象不明顯的（如比較固體物質的熱脹冷縮能力實驗）、實驗現象變化難以分辨的（如探究水的導電能力實驗）、需要大量樣本進行數據分析的（如使用不同方法的散熱能力實驗），更容易變成不能做、講不清、效率低的實驗，致使課堂教學效果大打折扣。

數字化實驗系統（Digital Information System，下文簡稱DIS）主要由傳感器和配套軟件等組成，能和計算機連接并進行定量采集和處理數據，它具有直觀、精確、顯示方式多樣等特點。教學中運用DIS，能使學生置身于數字化的學習環境中，親歷實驗探究的過程，優化課堂教學。

在《熱輻射》一課教學中，我們在傳統實驗多次實踐的基礎上，借助DIS迅速直觀的實時演示、準確多樣的數據呈現，引導學生進行數字化實驗探究，解決原有教學中受時間、工具和環境等因素制約的問題，改進無法實現的、實驗效果不明顯的、實驗效率低下的部分實驗，優化教學過程并提高教學效率。

教學分析

《熱輻射》是上海教育出版社出版的《科學與技術》第七冊《加熱與保溫》單元第五課的內容，隸屬于“能與能源”模塊。

本單元是繼三年級第二學期《熱脹冷縮》單元以后又一個與“熱”有關的學習內容，在后續五年級第二學期的《能源》單元中也有熱能的相關知識。在數據統計方面，本單元在三年級學習圖表繪制的基礎上有很好的延續，為學生實驗數據的收集、分析、統計提供了較好的學習途徑。

本課教學內容上承熱傳導與熱對流內容，通過實驗認識熱傳遞的第三種形式——熱輻射，了解物體表面顏色的深淺與物體吸收輻射熱的本領的關系，下啟保溫技術和散熱技術相關應用的內容。本節課，學生主要通過比較熱輻射與熱傳導、熱對流特點的區別，認識熱輻射;通過簡單設計、完成對比實驗、分析圖表，知道物體吸收輻射熱的本領大小與表面顏色深淺有關;通過運用所學的熱輻射知識解釋一些生活中的現象，為之后的學習運用做好準備。

實驗主要突破點

本課引入DIS后，教師主要幫助學生推理熱輻射沿直線傳遞的特點，并探究物體吸收輻射熱本領與物體表面顏色深淺的關系。

1.推理熱輻射的基本特點

實驗以浴霸燈作為熱源，下方放置熱傳感器（如圖1），以檢測溫度的變化，觀察發現傳感器受熱溫度上升，分析傳熱方向可推理得出這種熱傳遞方式不是熱對流。如果認為熱傳遞方式為熱傳導，則主要介質只能是空氣，但用木片遮擋傳感器后發現傳感器溫度基本不再上升，而空氣這一介質依然存在，且與熱源和傳感器都直接接觸，可推理這種熱傳遞方式不是熱傳導，進而認識其熱傳遞主要方式為熱輻射。

實驗中，通過反復比較沒有遮擋、遮擋單只傳感器、遮擋兩只傳感器時實時數據的變化，就能直觀地推導出熱輻射沿直線傳遞。

2.探究熱輻射與物體表面顏色深淺的關系

通過上一輪實驗，學生對裝置的使用和注意事項已經有所了解，這里教師提供黑白兩種金屬螺母，利用之前演示過的實驗裝置，由學生設計對比實驗。學生先開展熱輻射與物體表面顏色深淺關系的第一輪實驗（如圖2-1），每隔2秒自動采集一次數據，1分鐘后將所得數據自動繪制成圖表（如圖2-2），學生很容易發現實驗現象的不同，教師不必急于得出結論。

接著，引入第二組實驗，教師提供深淺不同的紅、黃、藍、綠（分別對應光的三原色和色彩的三原色）共四組材料，再進行第二輪實驗。根據第二輪實驗所獲數據繪制的圖表（如圖3），結合第一輪實驗數據圖表，有力地證明了：物體吸收輻射熱的本領大小與物體表面顏色的深淺有關，且物體表面顏色越深，吸收熱輻射能力越強，反之越弱。

數字化實驗對教與學的優化

1.數字化實驗改變著學生的探究習慣

分析案例可以發現，由于DIS有著快速、直觀（直接顯示數值）、精確（最小刻度為0.1攝氏度）、顯示方式多樣（可直接將數據整理成表格、圖表）的特點，利用DIS開展實驗探究，正在悄悄地改變著學生的探究習慣。

從觀察習慣上講，在需要數據記錄的實驗中，學生從原有的主要觀察點與點、割裂的、缺少過程性觀察的實驗方式，轉變為重視實驗過程與過程中數據變化的觀察方式，實驗中的每一個變化都是進行邏輯推理的佐證，包括傳統實驗中出現的操作誤差，也可以通過觀察實驗中實時的數據變化及時發現和調整，實驗中的每個數據都值得去觀察與思考。

從數據分析習慣上講，DIS能將實驗獲得的數據轉化成表格、圖表等形式以呈現數據變化的趨勢，更符合小學生的認知特點，學生不再把時間花在數據整理、繪制圖表上，而是用節省下來的時間進行數據和圖表的對比、分析，課堂教學中更側重學生對實驗數據分析和處理能力的提高。

從探究設計習慣上講，由于DIS的引入使實驗效率大大提高，學生探究活動的有效時長大大增加，實際耗時反而有所減少。學生會有更多的課堂生成，催生出更多的探究問題，而高效的實驗過程和因此留出的更多的課堂時間，恰好能滿足學生的探究需求，讓學生在更短的時間內可以進行更多的對比實驗，獲得更多的數據和圖表，深化探究過程，由教師主導的單一探究活動逐漸轉化成學生課堂生成的自主探究活動。

2.數字化實驗促進教師更多的思考

案例比較直觀地體現了運用數字化實驗后課堂實驗方法的改變，但改變實驗方法并非一朝一夕之功，實驗中工具和材料是一對重要的“伙伴”，只有兩者相輔相成，才能發揮最大的效用，滿足實驗的需求。

DIS在工具上跨出了突破性的一步，但還需教師在設計數字化實驗時發揮聰明才智，找到或改進能與之匹配進行實驗探究的材料和相關器材，才能有效發揮作用。在本案例中，傳統實驗材料方面存在兩個主要問題：

第一，實驗時塑料袋包裹很難做到統一，精度比較低。

第二，實驗中的熱源是陽光，很大程度上受天氣、溫度、太陽照射角度等因素影響，課堂實驗完成率比較低。

課前，教師要在熱源和對比材料兩方面進行多次匹配（見右表），找到最佳的匹配效果。

在熱源方面，先嘗試用實驗室常用的熱源——酒精燈替代太陽，實踐中發現酒精燈雖然比陽光要穩定，但是輻射量少，必須在較近的距離內使用，這樣在操作中就容易引發安全隱患。隨后又嘗試從學生熟悉的生活中去尋找其他熱源，最終確定了使用小號浴霸燈這一穩定、安全、可控制的熱源作為實驗器材，并在器材設計上加上燈罩來保護學生的眼睛（如圖4）。

在感溫材料方面，要滿足能夠與溫度傳感器探頭契合的、有不同種顏色的選擇，基于這兩點，教師最先嘗試的是彩色紙卷，但是在實踐中發現，不同彩色紙的顏色存在色差，除此以外，因為是手工做的，加工的過程中難免在厚度、間隙等方面有差異，對實驗結果有一定的影響。之后教師又改用了標準化的樂高塊，但樂高塊本身是熱的不良導體，存在傳熱慢的問題，因此最終將材料鎖定在了金屬螺母，效果雖然比前兩種材料好，但是輻射面比較小，也不能將溫度傳感器敏感的探針前段完全遮擋，幾經嘗試后才改用了特殊的長金屬螺帽作為感溫材料。