信息化賦能開啟科學別樣課堂

張昊

【摘要】小學科學教材中，部分課程內容涉及到關于電學初步的介紹與探索，本文以科學四年級下冊《不一樣的電路連接》一課為范例，利用教師自行編寫的Scratch電路暗盒模擬程序，嘗試探索小學科學與信息技術這兩門學科之間互相促進、互為補充、相互融合的可能性。

【關鍵詞】小學科學;信息技術;Scratch;電路暗盒

在信息化時代的大背景下，傳統的小學科學教育應當借力科技發展趨勢，用好新生代的海量資源與優秀的教學軟件，努力嘗試將信息技術逐步融入到科學教學活動中去，努力探索科學教育信息化賦能的可行性。而在國家課程規劃層面，小學科學課程標準亦明確提出對電學實驗教學的要求。在實際教學工作中，如何探尋有效途徑讓信息技術與科學學科之間彼此相融、如何讓其二者相輔相成，收獲更好的教學成效等問題，逐漸發展為蘊藏極大價值的教科研課題。為切合實際，作者選用MIT（麻省理工學院）開發的Scratch軟件，該軟件界面簡潔，簡單易懂，并以鼠標拖拽為主要操作方式，使用難度低，符合小學階段學生的計算機認知與操作水平，適合小學科學課堂。

一、信息化對小學科學實驗教學的重要價值

（一）高效提取實驗知識重點

傳統小學科學課以教師引導學生通過實驗探究與理論教學相結合的形式來教授課本知識，推動課堂教學流程，其中實驗部分在科學教學中占有重要地位。課堂上學生通常需要完成多個實驗，教師亦需叮囑繁多的操作注意事項，致使在真正開展實驗任務之前，學生的精力與注意力往往已消耗殆盡。學生在實施實驗的過程中，一些細微處的操作失當，即可導致整個實驗無法推進下去，授課進程由此中斷，教學效果受到削弱，甚至造成教學事故。拆解分析一個過程復雜、鋪墊繁瑣的實驗，其核心往往只為證明或者探索一小個知識點，如果能將這一重點提煉出來，忽略鋪陳與細節，單方面反復強化訓練，會比重復研習整個實驗更加高效，收獲更多效益。

（二）有效提升學生實驗練習量

傳統科學課以實物操作來實行實驗的方式，無法有效達成此目標。故作者選用計算機模擬軟件，希冀充分發揮電學仿真程序的優勢，彌補傳統科學課堂之短處，提高學生的實驗練習量，引導學生熟練掌握實驗操作要點，切實有效地提升學生對實驗教學重難點的熟悉程度與理解深度。

（三）讓學生專注于實驗核心

《不一樣的電路連接》一課，其教學重點為：“用電路檢測器檢驗電路暗盒內電路的連接情況”。對學生而言，如果以實物操作為基礎，組裝一個功能完善的電路檢測器相當費時費力，導線頭與接線柱之間的插拔等實驗操作同樣十分耗時，課堂上更會出現如器材損壞等各類突發狀況，影響后續暗盒電路的檢測工作。學生亦難理清思路與排查錯誤，究竟是暗盒中接線柱之間為斷路，還是自身拼裝的電路檢測器存在問題，又或是導線未連接到位。種種因素疊加復合，對本課的教學成效產生消極影響，師生之悉力付出也事倍功半。為解決上述問題，作者著手在科學課堂內使用電路暗盒模擬程序，以期降低電學實驗的操作難度。學生使用該程序時，通過操縱鼠標拖動左右兩根U型頭導線，將其連接至電路暗盒的四個金屬觸點（ABCD），以此模擬真實的電路暗盒實驗。如此時兩觸點間存在通路，則燈泡亮起，否則燈泡熄滅。隨著程序的每次運行，暗盒內部都能隨機生成不同的電路連接情況，便于學生進行實驗練習。程序配有“顯示答案”按鈕，一鍵即可呈現暗盒內部真實的電路連接情況。

二、以信息化開啟小學電學實驗的教學策略

（一）分步教學，做好信息化教學過渡

以《不一樣的電路連接》一課為例，本課的教學過程主要包含兩個階段，以學生學習實物操作為第一階段，以模擬器軟件練習為第二階段。

第一階段，作者首先下發每組一套實物電路暗盒、導線等相關實驗器材，小組觀察暗盒外部四個接線柱及其對應的字母標號（ABCD），學生打開盒蓋，觀察到A號與C號接線柱在暗盒內用導線連接在一起，是為通路狀態。而后教師提問：“如何利用電路檢測器檢驗出哪兩個接線柱之間是通路？哪兩個接線柱之間是斷路？”學生在討論后匯報各自小組的思路，隨后學生動手完成實驗，實物操作練習，使用電路檢測器來探究實驗結果是否與前面的觀察結果一致。

第二階段是應用電路暗盒模擬程序的重要階段，學生在完成基于實物操作的電學實驗練習之后，將進行模擬程序練習，然則，鑒于科學課堂授課地點的特殊性，須涉及科學實驗室此類專業室場，而機房與計算機又是使用原始Scratch程序的充分條件。即教室環境須兼備機房與實驗室雙重功用，方可開展作者所期望的教學。問題在于，機房并不滿足實驗裝備要求，實驗室亦無裝機之可能，兩者難以兼得，難尋一處合適的教學地點。為妥善解決這一矛盾，作者將Scratch程序轉換為網頁式SPA單頁應用（Single-page application），預置于平板電腦（tablet）之內，學生使用平板電腦內置瀏覽器，經由訪問網頁的方式即可使用電路暗盒模擬程序。繼而只需在科學實驗室內配置一些tablet已完全合乎教學硬件的前提要求。

課堂實踐中，作者為每組學生配備一臺平板電腦，學生使用平板上預設的程序，進行模擬練習。實驗過程內學生依據小組分工安排，部分學生操縱平板，在觸控屏幕上以手指滑動或拖拽手勢，控制兩根U型頭導線，連接至不同的金屬觸點。另一部分學生通過觀察小燈泡的明滅情況，判斷兩個金屬觸點間的電路連通性，并將實驗結果填寫至記錄單。最后，學生綜合考慮各種連線情況下，電路的通斷路狀態，據此推測暗盒內的導線連接情況，將連接情況以圖畫的形式記載至實驗記錄單。

學生在完成一次模擬練習后，點擊程序內的“顯示答案”按鈕，查看正確答案，將其與本小組實驗結果進行比對，檢查正確性。如果出現問題，學生須回顧與反思整個實驗過程，尋找發生錯誤的關鍵處，及時糾正，總結與歸納實驗經驗，于反復練習中逐漸掌握解決問題的方法。使用程序時，刷新網頁即可出現下一題，此設計意在方便學生多次練習，鞏固所學新知。

（二）革新程序側建構策略，強化可視性交互體驗

Scratch以易用性、可視性與交互性見長，作者在建構電路暗盒模擬程序時，選取Scratch這一成熟軟件作為基礎，編寫而成的程序自然符合WYSIWYG（所見即所得）原則，實驗結果隨著學生的操作即刻顯示于界面之上，實驗過程更具可視性。在易用性方面，Scratch軟件專為兒童編程開發，界面友好，操作更人性化，符合小學生的計算機操作水準。整體而言，模擬程序切合小學科學課堂的實際教學需求。軟件專業性方面，電路暗盒模擬程序符合實際物理規律，完全滿足電路擬真實驗的嚴格要求。

本模擬程序的核心在于電路連通性的判定算法，學生每次移動U型頭導線后，程序都需要重新計算電路當時的連通情況，如果算法效率過低，程序界面需等待計算結果，從而導致軟件卡頓，降低軟件交互體驗。因此，作者將金屬觸點間的電路連通性問題，抽象為用鄰接矩陣表示的無向圖G（V， E）中兩頂點間長度為m的通路數量問題，如果通路數量大于零則表示電路通路，小燈泡亮起，反之則為斷路，燈泡熄滅。此算法能有效提升運算效率，降低時間復雜度。下面以一題舉例說明。

當A-C、A-D、B-D連通時，若計算B點到C點的連通性，需檢查A3中a23或a32的值是否大于零，易知C-A-D-B有通路，即B-C連通，此處略過計算，與上同理。

本算法通過圖（Graph）數據結構與無向圖通路等概念，運用鄰接矩陣，矩陣的冪運算等方法，在多重形式下構建性能更高、Bug更少、代碼冗余量更低的仿真程序。

（三）優勢互補，創共贏動能

俯覽課程整體設計思路，作者結合傳統實物實驗與模擬程序兩者的優勢，創造課堂共贏動能，讓模擬程序真正落地，讓實物實驗更加高效。依課堂實踐效果，使用Scratch電路暗盒模擬程序，能夠切實有效的提升學生對各類電路元器件的理解層次，增強學生對電路邏輯的剖析能力。

因此，Scratch模擬軟件與實物操作實驗的關系并不是一者取代另一者，兩者不是對立的關系，兩者都有其優劣，兩者互為依存。在科學實驗課堂上，要將其兩者優勢結合，互為補充，創造一加一遠大于二的課堂教學效果。

參考文獻：

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[2]徐珊珊，李賀春.信息技術讓小學科學教學更精彩[J].考試周刊，2020.61.