利用信息技術(shù)創(chuàng)新教具提升科學(xué)探究活動的有效性

【摘要】本文基于小學(xué)科學(xué)部分教具存在操作煩瑣、現(xiàn)象不明顯或難以被觀察等問題，建議教師借鑒教材實驗的原理、借助一定的信息技術(shù)手段對教具進(jìn)行改進(jìn)，從而有效提升科學(xué)探究活動的有效性，更好地達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

【關(guān)鍵詞】科學(xué) 信息技術(shù)創(chuàng)新教具 探究活動 有效性

【中圖分類號】G62 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】0450-9889（2022）13-0093-04

小學(xué)科學(xué)是一門實踐性課程，探究活動是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的重要方式。在探究活動的八大環(huán)節(jié)中，收集證據(jù)和處理信息是否科學(xué)、高效直接影響該實驗?zāi)酥猎摴?jié)課的有效性。影響學(xué)生在探究活動中收集證據(jù)、處理信息的因素有很多，其中實驗方法及教具的選用是關(guān)鍵之一。部分現(xiàn)有教具因需要兼顧成本和通用性而存在一定的局限性，導(dǎo)致一些探究活動的操作過程設(shè)計繁雜低效，現(xiàn)象不明顯，學(xué)生難以運(yùn)用感官直接觀察、感受，阻礙了教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

“磁的認(rèn)識”這一板塊的探究活動便存在這樣的情況。由于磁無法被人體的視覺、觸覺、聽覺、嗅覺等感官直接感知，因此在具體教學(xué)中，教師往往需要通過轉(zhuǎn)換法將磁信息轉(zhuǎn)換為其他形式呈現(xiàn)。以教科版科學(xué)六年級上冊《電磁鐵的磁力》為例，在比較不同電池數(shù)量組成的電磁鐵磁力大小的實驗中，為了測量和比較磁力，學(xué)生需要將電磁鐵產(chǎn)生的磁力轉(zhuǎn)換為吸引大頭針的個數(shù)進(jìn)行比較，這樣的操作較為繁雜低效。同時，每變更一種影響電磁鐵磁力的因素，就要重新安裝一次電磁鐵，這無形中會消耗大量的課堂時間。為了讓探究活動更高效，讓現(xiàn)象和數(shù)據(jù)更明顯和直觀，更便于學(xué)生分析比較、發(fā)現(xiàn)規(guī)律，在準(zhǔn)確把握這一課的探究活動目的及重難點的情況下，筆者借鑒教材實驗的原理，借助一定的信息技術(shù)手段，嘗試對教具進(jìn)行改進(jìn)，以創(chuàng)新的測量方式和直觀的現(xiàn)象、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式改進(jìn)課堂教學(xué)。

一、以學(xué)定教，明確改進(jìn)目標(biāo)

發(fā)展學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)是小學(xué)科學(xué)課的重要目標(biāo)，因此該課程一切有關(guān)教與學(xué)的行為都應(yīng)該圍繞該目標(biāo)展開。對于教具的改進(jìn)創(chuàng)新也是這樣，一切教具的改進(jìn)與創(chuàng)新都是為了更好地達(dá)成教學(xué)目標(biāo)和發(fā)展學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。這就要求教師明確科學(xué)課堂中每一個探究活動的目標(biāo)，充分把握每一個探究活動的編排意圖。否則，很容易出現(xiàn)改進(jìn)后的教具不僅不能提高探究活動效率，還會出現(xiàn)干擾因素多、誤差大等情況。

在《電磁鐵的磁力》一課中，第一個探究活動——驗證電磁鐵的磁力大小與哪些因素有關(guān)是本節(jié)課的重點，這一活動的有效開展有助于學(xué)生對電磁鐵全面的認(rèn)知。因此，改進(jìn)的目的需要明確，即提升學(xué)生探究電池數(shù)量、鐵芯粗細(xì)長短等因素與電磁鐵磁力大小關(guān)系的活動效率，減少不必要的干擾因素，讓學(xué)生運(yùn)用高效、直觀的數(shù)據(jù)分析方式比較、發(fā)現(xiàn)電磁鐵磁力大小與多個因素的關(guān)系。改進(jìn)教具、優(yōu)化數(shù)據(jù)采集方式，提升學(xué)生測量各種變量因素下電磁鐵的磁力大小操作效率便可確定為改進(jìn)的一個方向;另一個方向可以聚焦到探究活動的數(shù)據(jù)分析環(huán)節(jié)，通過改進(jìn)教具讓數(shù)據(jù)呈現(xiàn)更明顯直觀，排除不必要的干擾項，讓學(xué)生能專注于數(shù)據(jù)的分析和比較。

二、分析原因，確定改進(jìn)方向

教具的改進(jìn)必須有針對性，針對的是導(dǎo)致探究活動效率降低的操作環(huán)節(jié)、容易出現(xiàn)誤差的測量方式、繁雜的不直觀的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式。要發(fā)現(xiàn)這些問題，需要科學(xué)教師在課堂中時刻關(guān)注學(xué)生探究活動的開展，敏銳地洞悉學(xué)生在探究活動中出現(xiàn)的每一個問題，分析其背后的原因，從教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)而針對這些問題做出改進(jìn)方案。

為了檢驗電磁鐵磁力大小與電池數(shù)量、鐵芯粗細(xì)、鐵芯長短等因素是否有關(guān)，學(xué)生在這一課中需要依次測量不同變量下的電磁鐵磁力大小。采用的操作方式是在鐵芯上纏繞導(dǎo)線制作電磁鐵，以吸引大頭針數(shù)量的形式反映和比較磁力，同時為了減小誤差、確保實驗嚴(yán)謹(jǐn)性，每個變量都要重復(fù)測量三次，取三次測量的平均值進(jìn)行比較分析。這樣的實驗編排，要想讓學(xué)生在有限的課堂中都能完成，對教師和學(xué)生來說都有挑戰(zhàn)性。通過教學(xué)反思，以及對多個班級的學(xué)生訪談，筆者發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致探究活動低效、無效的原因主要有以下四個。一是學(xué)生反復(fù)纏繞線圈消耗了大量的時間與精力，導(dǎo)致每個小組只能在課堂上驗證一至兩種因素。在測量不同粗細(xì)、長短鐵芯的電磁鐵磁力時，學(xué)生需要反復(fù)解開導(dǎo)線更換鐵芯，再繞回導(dǎo)線，并且每次都要高度集中注意力數(shù)線圈圈數(shù)，消耗了大量的課堂時間和注意力，導(dǎo)致在驗證實驗的操作中每個變量的控制均有可能發(fā)生偏差，同時學(xué)生也只能在課堂上驗證一至兩種因素，與高效課堂理念不符。二是大頭針難數(shù)且易數(shù)錯。教材實驗設(shè)計采用了轉(zhuǎn)換法的思維，將難以被觀察的電磁鐵磁力大小轉(zhuǎn)換為更容易被觀察測量的大頭針重力大小，以吸引大頭針數(shù)量的形式反映磁力大小。而在測量三顆電池等較大磁力的電磁鐵時，電磁鐵往往吸引起數(shù)十枚大頭針，學(xué)生需要在有限的時間內(nèi)數(shù)清大量的大頭針，不但耗費(fèi)時間，不便于數(shù)清數(shù)量，而且容易出現(xiàn)數(shù)錯的情況。三是大電量的電池鐵發(fā)熱快，存在安全隱患。在測量大電量電磁鐵磁力時，接通電源后電磁鐵線圈發(fā)熱很快，學(xué)生手拿電磁鐵3次吸引大頭針的操作稍慢，就極易燙傷手，存在安全隱患。四是表格式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)不夠直觀，不利于發(fā)現(xiàn)規(guī)律。以數(shù)字表格的形式呈現(xiàn)數(shù)據(jù)，表格內(nèi)數(shù)據(jù)繁多，呈現(xiàn)形式不夠直觀，不利于學(xué)生從中尋找各變量因素與電磁鐵磁力大小的關(guān)系。從學(xué)生的實驗記錄表也可以發(fā)現(xiàn)，一些小組最多只能在課堂中完成兩個影響因素的驗證實驗。有的小組同一變量的3次數(shù)值相差很大，阻礙了本課教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成。

進(jìn)一步分析以上四點可以發(fā)現(xiàn)，制約整個探究活動有效性根本原因在于該實驗零散的實驗儀器、煩瑣的操作方法和抽象的實驗現(xiàn)象。因此，解決好這三個問題便是改進(jìn)的方向所在。

三、精準(zhǔn)施策，制訂改進(jìn)方案

小學(xué)科學(xué)實驗教學(xué)的改進(jìn)角度主要有改進(jìn)實驗方法、改進(jìn)實驗儀器兩個方面。實驗方法改進(jìn)指的是在不改變實驗原理和實驗器材的基礎(chǔ)上，調(diào)整和優(yōu)化實驗操作方法，以達(dá)到規(guī)范實驗操作、提升實驗效率、減少實驗誤差，讓實驗現(xiàn)象更明顯、更容易被觀察和感知的目的。改進(jìn)實驗儀器是指對實驗儀器或材料的優(yōu)化改進(jìn)。它可以是用低成本、易取得的實驗材料替換高成本或當(dāng)?shù)仉y以取得的實驗材料，可以是用更適應(yīng)當(dāng)?shù)刭Y源環(huán)境或氣候條件的實驗材料替代不適合當(dāng)?shù)厥褂玫膶嶒灢牧希部梢允怯媚墚a(chǎn)生更明顯的實驗現(xiàn)象或更容易被學(xué)生觀察和感知的儀器材料替代原有實驗使用的材料，還可以是用模塊化的、集成度高的實驗套材替代零散的功能單一的實驗材料，以降低學(xué)生的操作難度，提升實驗的效率。實驗儀器的改進(jìn)往往也伴隨著實驗方法的改進(jìn)隨之變化。

為了讓探究活動更高效，讓電磁鐵磁力大小對比的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)更明顯、更直觀，結(jié)合教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)的四點影響探究活動有效性的因素，筆者借鑒教材實驗原理，遵循控制變量法，自制了信息化創(chuàng)新教具電磁鐵磁力實驗盒，以創(chuàng)新的測量方式和直觀的呈現(xiàn)形式助推高效課堂的形成。

針對課堂中出現(xiàn)的為了測量和對比不同電池數(shù)量、不同粗細(xì)、長短鐵芯的電磁鐵磁力大小，學(xué)生被迫完成反復(fù)纏繞導(dǎo)線、連接電路等煩瑣耗時實驗操作的問題，同時為了減少師生難以管理零散實驗材料的困擾，筆者以優(yōu)化實驗方法為目標(biāo)，從改進(jìn)實驗儀器入手，將電磁鐵磁力與電池數(shù)量、鐵芯粗細(xì)、長短關(guān)系等多個實驗材料集中在一起，巧妙布局電路，封裝在一個用亞克力材料制作的實驗盒中，在改變實驗儀器的同時，實驗方法也得到了優(yōu)化。實驗時學(xué)生僅需連接對應(yīng)不同數(shù)量電池的開關(guān)便可完成不同電池數(shù)量電磁鐵的磁力大小測量。測量和對比電磁鐵磁力時，由于電池已經(jīng)被安裝在電池盒內(nèi)，且被固定在實驗盒上并通過導(dǎo)線連接好，電磁鐵也被安裝在實驗盒的固定位置，學(xué)生實驗時無須再用手一直拿著電池和電磁鐵，有效避免了因電磁鐵發(fā)熱產(chǎn)生的安全隱患。改進(jìn)后的實驗盒采用可更換鐵芯的電磁鐵，在測量不同粗細(xì)、長短鐵芯的電磁鐵磁力時，學(xué)生只需拔出電磁鐵原有的鐵芯，依次換入不同粗細(xì)、不同長短的鐵芯即可開展電磁鐵的磁力大小與鐵芯粗細(xì)長短關(guān)系的實驗，避免了每更換一次鐵芯就要重新纏繞一次導(dǎo)線的煩瑣操作，省去了反復(fù)纏繞導(dǎo)線的麻煩，大大提升了實驗的時效性。

為了解決實驗中現(xiàn)象觀察和數(shù)據(jù)記錄環(huán)節(jié)學(xué)生需要反復(fù)數(shù)大頭針耗時、易操作錯的問題，實驗盒還在距離電磁鐵一厘米處安裝了一枚線性霍爾傳感器，通過電子信息技術(shù)化手段采集電磁鐵產(chǎn)生的磁信號，通過單片機(jī)將磁信號轉(zhuǎn)換為電流信號輸入計算機(jī)，再通過計算機(jī)軟件生成的數(shù)據(jù)柱狀圖（如圖1），將不同變量下電磁鐵的磁力大小轉(zhuǎn)化為柱狀的長短，以更為直觀的信息化方式呈現(xiàn)多組數(shù)據(jù)，更利于學(xué)生比較和分析數(shù)據(jù)，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)規(guī)律。同時，電磁鐵和磁信號傳感器被固定在實驗盒上，它們之間的距離數(shù)據(jù)也一同被固定了下來，不會因為其他變量的改變而發(fā)生變化，從而使實驗更為嚴(yán)謹(jǐn)，有效減少了誤差的出現(xiàn)。采用電子信息化傳感器取代傳統(tǒng)的手動測量采集磁信號數(shù)據(jù)，學(xué)生在課堂中得以親身體驗新技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用對人類生產(chǎn)生活的影響，感受到了科學(xué)技術(shù)進(jìn)步給人類帶來的便利，達(dá)成了信息技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)中工程與技術(shù)板塊關(guān)于“知道重大的發(fā)明和技術(shù)會給人類社會發(fā)展帶來深遠(yuǎn)影響和變化”的重要教學(xué)目標(biāo)。

改進(jìn)后的教具在研發(fā)設(shè)計時充分考慮到課堂教學(xué)需要，同時結(jié)合小學(xué)科學(xué)儀器配備情況，制成本教具的主要零部件電池盒、開關(guān)、導(dǎo)線等均為小學(xué)科學(xué)實驗室配備的材料，可更換鐵芯的電磁鐵、線性霍爾傳感器和單片機(jī)在許多電商平臺均有銷售，易獲取且成本較低。本教具將這些材料整合起來使用，學(xué)生操作簡便快捷，數(shù)據(jù)呈現(xiàn)快速直觀，大大提升了小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)的有效性。

此外，本教具中的線性霍爾傳感器、單片機(jī)等電子信息化磁數(shù)據(jù)采集組件還可用于比較磁鐵的磁力大小的實驗教學(xué)中，既能在電磁鐵模塊中使用，又適用于磁鐵模塊的實驗教學(xué)，具備較強(qiáng)的通用性和實用性。該教具具有操作簡單高效、數(shù)據(jù)呈現(xiàn)直觀的特點，通過信息化手段減輕學(xué)生在課堂中機(jī)械性、重復(fù)性操作的負(fù)擔(dān)，將實驗過程合理化，更好地幫助教師和學(xué)生突破教學(xué)重難點，能讓學(xué)生在課堂中擁有充足的時間驗證更多影響電磁鐵磁力大小的因素，幫助學(xué)生對電磁鐵建立起更為深入、全面的認(rèn)知，同時讓學(xué)生真切地體驗到了科學(xué)技術(shù)替代傳統(tǒng)操作所帶來的便捷性。

四、合理使用，提升探究活動的有效性

任何教學(xué)改進(jìn)都是從課堂中來，再回到課堂中去。針對課堂探究活動出現(xiàn)的問題進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新的教具，也要回到課堂中進(jìn)行檢驗。創(chuàng)新教具在課堂教學(xué)中的使用要以學(xué)生的學(xué)為主，因此，使用新教具后對探究活動的方式方法進(jìn)行調(diào)整也要遵循科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑瓌t。本著以上原則，筆者將新教具電磁鐵的磁力實驗盒帶回到課堂教學(xué)中，并對探究活動進(jìn)行了重新設(shè)計。

探究電磁鐵磁力大小與電池個數(shù)的關(guān)系的實驗相對簡單，實驗教學(xué)活動中教師可圍繞“電磁鐵磁力大小與什么因素有關(guān)”這一問題，引導(dǎo)學(xué)生利用電磁鐵的磁力實驗盒展開驗證實驗，使學(xué)生在完成數(shù)據(jù)測量的同時熟悉電磁鐵磁力實驗盒的使用方法。有了電磁鐵磁力實驗盒的使用經(jīng)驗后，學(xué)生便可以借助該實驗盒自主設(shè)計實驗步驟，探究電磁鐵磁力大小與鐵芯粗細(xì)、鐵芯長短甚至其他更多因素的關(guān)系。這樣的探究活動過程設(shè)計，既能幫助學(xué)生快速接受并掌握新教學(xué)儀器的使用方法，又能為學(xué)生留下充足的自主探究空間，學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新思維在課堂中均得到了有效發(fā)展。

筆者將使用原有教具與使用改進(jìn)教具的兩個班級進(jìn)行對比后發(fā)現(xiàn)，課堂中驗證電磁鐵磁力大小與電池數(shù)量、鐵芯長短、鐵芯粗細(xì)關(guān)系的三個實驗全部都能夠完成的小組占比提升了33.4%，在三個實驗中能夠得出正確結(jié)論的小組占比均有不同程度的提升（如表1）。由此可見，使用該信息技術(shù)創(chuàng)新教具后，探究活動的有效性得到了明顯提升。與之前相比，簡化的數(shù)據(jù)采集方式和直觀的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)形式，極大地提升了探究活動的實效性。使用可更換鐵芯的電磁鐵省去了反復(fù)拆繞導(dǎo)線的煩瑣操作，使學(xué)生能在課堂中對更多影響電磁鐵磁力大小的因素展開驗證。與之前只能驗證一兩種假設(shè)相比，學(xué)生的課堂體驗大幅提升，親手驗證各個因素所帶來的成就感和直觀感受也是之前無法比擬的。

在科學(xué)課堂中運(yùn)用信息技術(shù)手段對當(dāng)今小學(xué)生來說既熟悉又陌生。熟悉是因為他們是在信息化社會成長起來的一代，陌生則是因為將信息化手段用于科學(xué)測量的機(jī)會并不多。信息化手段的使用固然能為學(xué)生帶來許多便捷與樂趣，但也要辯證看待，絕不可剝奪學(xué)生操作原始材料帶來的直觀感受。在電磁鐵這一單元的學(xué)習(xí)中，筆者并未全部放棄讓學(xué)生在鐵釘上纏繞導(dǎo)線的方式制作電磁鐵，在本單元的前幾課中，學(xué)生依然能夠有機(jī)會體驗制作電磁鐵和使用電磁鐵吸引大頭針來感受磁力的存在。在學(xué)生有了之前的直觀體驗后，再在研究電磁鐵磁力大小與電池數(shù)量、鐵芯粗細(xì)、鐵芯長短等因素關(guān)系的《電磁鐵的磁力》一課中使用傳感器采集數(shù)據(jù)，既提升了課堂教學(xué)效率，又減少了誤差和干擾因素，達(dá)到了激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、提高實驗教學(xué)效率的目的。

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作者簡介：林凱（1987— ），廣西南寧人，一級教師，研究方向為小學(xué)科學(xué)教育、小學(xué)科普教育。

（責(zé)編 黎雪娟）