數字化工具在科學實驗教學中應用的案例研究

陳小衛

[摘 要]在小學科學實驗教學中，使用數字化工具可以完成力、熱、聲、光、電等各類實驗，提高測量的精度和速度，完成常規儀器難以完成的實驗。基于此，需要對數字化工具在小學科學實驗教學中應用進行研究，系統梳理出教科版小學科學教材中適合應用數字化工具進行教學的實驗內容，并將這些內容編制成案例，為一線科學教師尤其是兼職教師更好地開展教學提供范本。

[關鍵詞]實驗教學;案例研究;數字化工具;應用

[中圖分類號] G623.6[文獻標識碼] A[文章編號] 1007-9068（2021）09-0074-02

國外研究者從不同的層次、不同的方向、不同的角度對數字化工具應用于實驗教學進行研究，結果表明：數字化工具應用于教學，可以促進學生認識能力、信息素養、自主探究能力及綜合能力的提升，對小學科學教學具有突破性意義，因為數字化工具的介入與使用，讓科學實驗獲得的數據更精準，解釋更有說服力。

伴隨著中小學課程教材改革，數字化教學理念也開始在我國逐步推廣。如上海著名的實驗教學專家、特級教師馮容士與山東遠大集團合作研發的“朗威數字化實驗系統”，加快了我國信息數字化教學的步伐。“十二五”期間，廣東省中山市鳳鳴小學的黎少容老師主持了一個課題，題目是《數字探究促進學生科學素養發展的研究》，該課題圍繞“朗威數字化實驗系統”設計了一些教學的活動方案，但不是依托科學教材進行的，類似于課外探究性實驗社團，形成獨立于小學科學教材之外的內容體系。另外，通過文獻查閱，一些中學物理、化學學科教師發表了關于使用數字化工具提高教學有效性的論文，這些論文雖然只是零星的、以碎片化的方式，用事例來說明數字化工具在教學中使用的意義，沒有進行系統的闡述和編制成教學案例，但也是學界對數字化教學的一種嘗試。基于此，我校開展了數字化工具在小學科學中應用的案例研究，系統梳理出教科版小學科學教材中適合使用數字化工具進行教學的實驗內容，并將這些內容編制成案例，在案例設計上加強指導，為一線科學教師尤其是兼職教師更好地開展教學提供范本，最大限度地保證實驗教學效果。

一、數字化工具簡介

數字化工具是一種建立在測量技術上的檢測裝置，能夠感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律轉化為需要形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。這里的數字化工具，指為完成小學科學教學目標而使用的系列傳感器和應用軟件，用它們可以完成力、熱、聲、光、電等各類實驗，提高測量的精度和速度，完成常規儀器難以完成的實驗。

我校通過對教科版小學科學教材中適合用數字化工具進行教學的實驗內容進行梳理，經過設計、實踐，使之形成一組獨立案例，借助案例的推廣使用，讓一線科學教師，特別是兼職教師，對數字化工具有一定的認識，并能將其運用于日常實驗教學中，提高課堂教學效率。同時，通過教師參與案例的設計和研究，實現其運用理論提高實踐水平的目標。

二、研究背景

1.科學課程發展的要求

實驗是科學教學的核心，想要學好科學必須從實驗開始，而實驗材料又是實驗教學的基礎，選擇有結構的實驗材料，可以讓學生獲取直接經驗和引發思考，揭示科學概念的內涵，促進認知發展。同時，教育部辦公廳《關于印發<2017年教育信息化工作要點>》中明確指出：“以構建網絡化、數字化、個性化、終身化的教育體系，建設‘人人皆學、處處能學、時時可學的學習型社會，培養大批創新人才為發展方向，貫徹落實教育信息化‘十三五規劃總體部署，按照‘服務全局、融合創新、深化應用、完善機制的原則，大力推動‘四個提升和‘四個拓展，充分發揮教育信息化對教育現代化的支撐和引領作用。”由此可見，將數字化工具應用在小學科學實驗教學中是教學手段變革的趨勢。

當前，小學科學教材中的科學實驗大多以不精確、定性為特征，很少有定量研究，主要原因是小學科學實驗儀器配備標準已有近十年未更新，老舊的實驗器材依然是主流。數字化工具的引入，不僅僅是實驗工具的更新，更重要的是為定性實驗轉變為定量實驗提供可能。而且，數字化工具以精確、智能、易于操作等優勢，可大大提高實驗教學的實效。

2.學生實驗素養提升的要求

受傳統教學理念和實踐的影響，小學科學實驗教學中普遍存在“重知識，輕探究”“重形式，輕實質”“重動手，輕思維”的假探究活動現象。如果將數字化工具引入科學探究實驗中，能夠讓學生親歷探究活動，拓展研究內容，更好地滿足學生的好奇心和求知欲;能夠降低實驗難度，提高實驗效率，讓學生有更多的時間和精力反思、交流自己與同伴的探究過程，整理、分析實驗現象和數據，完成對新知的自主建構;能夠創新實驗方法，擁有更多定量實驗的機會，讓學生的探究活動更接近科學本質。

3.科學教師專業水平發展的要求

目前，很多一線科學教師是兼任教師，他們對教材的研究不夠，如何使他們勝任科學課程的教學任務，是一個既現實又迫切需要解決的新課題。基于此，我校提出這個課題，意在從小學科學探究實驗教學的設計與研究切入，梳理出教材中適合使用數字化工具進行教學的演示實驗和學生的分組實驗，并形成優秀的教學設計、教學范例，使科學教師能夠更好地理解和進行這些實驗，提高科學實驗教學的效果。為了更好地理解和把握教材中適合使用數字化工具的探究實驗，教師還需要學習相關理論、文獻資料和數字化工具的使用方法。

三、研究思路與策略

1.研究思路

2.研究策略

（1）開展前期調研。

為了解目前宿遷市中心城區各校對數字化工具的使用情況及課堂教學效果，我校以發放調查問卷的形式，向中心城區39所學校的390名科學教師展開前期調研工作，收到有效問卷322份。調查結果顯示，在學校層面，各校均能夠執行科學課程計劃開設的科學課，規范配備科學實驗室和實驗器材，但很多實驗器材為常規、老舊器材，教學中存在實驗現象不明顯、實驗數據不精確等現象;只有7所學校增添購置了數字化工具，能正常使用數字化工具進行實驗教學的只有3所學校。在教師層面，大多數教師由于是科學兼職教師，科學素養不高，沒有時間思考科學教學，普遍的教學方式是拿著書本講知識、講實驗，也有一些優秀的年輕教師，能對數字化工具與傳統實驗器材在精確程度、實驗速度、培養學生能力、實驗誤差等方面做詳細的比對分析和匯總。從調查結果可以看出，在小學科學實驗教學中應用數字化工具迫在眉睫。

（2）對小學科學教材中適合應用數字化工具教學的內容進行系統梳理。

我校按照“主題引領，活動整合，突出探究”的思路，對教科版小學科學教材中適合應用數字化工具教學的內容進行系統梳理，形成了40個典型的實驗主題，其中物質科學20個，生命科學12個，地球與宇宙科學8個。如在《變色花》一課中使用酸堿指示筆進行教學，解決了紫甘藍汁無法檢測弱堿和弱酸性物質的問題，使學生進一步認識酸堿性的本質。又如，在《觀察一朵花的結構》一課教學中使用體視顯微鏡，拓展感官的局限，使學生更準確地區分完全花和各種不完全花。

（3）研討確定案例的基本格式。

為了形成獨特的研究成果，我校在案例編制過程中，本著實用、有效、簡潔的原則，形成三個主體的結構框架：基本設計思想—實驗活動設計—數字化工具介紹。

基本設計思想，主要闡述教學中使用常規儀器有哪些弊端，應用數字化工具對達成教學目標、建構科學概念有怎樣的幫助，重點體現學生哪方面的能力得到培養和提升。

實驗活動設計，重在選擇符合學生認知規律、有利于激發學生探究興趣、發展學生思維、體現學生親歷探究過程的活動，引入教學環節。這一主體主要由兩個教學活動組成：一是使用常規儀器進行教學，強調教師要選擇有結構的材料，既要有使用常規儀器檢測可以得出結果的材料，又要有使用常規儀器無法得出結果的材料。如《測量力的大小》一課中使用彈簧測力計測量身邊常見物體的重力時，教師可以為學生準備這樣一些物體：鉤碼、科學課本、文具盒、修正液、橡皮筋。學生掌握彈簧測力計的正確使用方法后，可以準確測量出鉤碼、科學課本、文具盒、修正液的重力，但由于彈簧測力計的精確度不夠，所測橡皮筋的重力為0牛，難道橡皮筋不受地球引力的影響？學生形成認知沖突，也為下面數字測力計的出現埋下伏筆。二是使用數字化工具進行教學時，教師要引導學生從橫向和縱向兩個方面對數據進行分析，重點培養學生分析、歸納、推理等能力。每個教學活動結束后，案例編制教師要寫清設計意圖。

數字化工具介紹部分，主要由數字化工具圖片、使用方法、帶來的優點組成，為一線教師使用數字化工具展開教學提供了借鑒。

（4）關于使用案例開展實驗教學的應用。

為了研判案例的價值和效果，我校利用同課異構、專題沙龍、教學研討等形式對所編寫的案例進行實踐應用，以檢驗案例的實用效果。如在同課異構活動中，可先分組，讓一組教師使用常規儀器進行教學，另一組教師使用數字化工具進行教學，形成實驗對比，從而分析出哪種方式更有利于促進學生科學素養的提升。通過各項活動的開展，我校對執教人員的案例設計進行點評、分析，逐步完善，強化了教學案例的效果。

（特約編輯 木 清）