數字技術支持下的小學科學實驗教學優(yōu)化設計

科學探究作為培養(yǎng)學生科學素養(yǎng)的重要路徑，其成效高度依賴于實驗教學這一關鍵載體。當學生親身經歷假設、推理與驗證的完整過程時，科學概念的深層理解與方法掌握才能真正實現。當前，“雙減”政策的縱深推進與數字校園建設的蓬勃發(fā)展，為小學科學教師創(chuàng)造了獨特的時代語境：既要運用批判性思維整合資源，設計高效直觀的實驗活動以實現課堂提質增效；又要把握數字技術與學科教學深度融合的契機，革新傳統(tǒng)實驗教學模式。“聲音的傳播”作為小學科學課程的經典主題，承載著幫助學生理解聲波振動特性及其介質傳播規(guī)律的重要使命。然而，該實驗長期受困于多重技術限制，難以有效支撐科學概念的建構與核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。本文通過剖析教材設計的局限，梳理教師的改進經驗及不足，最終依托學校現有數字資源，開發(fā)出具有突破性的“發(fā)音一接收”數字化實驗裝置。該裝置通過聲源精準控制與信號量化接收，徹底解決傳統(tǒng)實驗中的干擾難題，使實驗過程更具嚴謹性、結果更具客觀性。以下將系統(tǒng)闡述該裝置的設計邏輯、實施路徑及其在培養(yǎng)科學思維與證據意識方面的教學價值，為小學科學實驗教學的數字化轉型提供可復制的實踐范式。

一、現有實驗設計的不足

在《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）[中，“聲音的傳播”是“物質的運動與相互作用”這一核心概念在小學三、四年級的重要學習內容。課標在學業(yè)要求中明確指出，通過該內容的學習，學生“能說明聲音可以在不同物質中傳播”。在課標中，“聲音的傳播”教學內容安排在中年級。學生要在知道聲音由振動產生的基礎上，研究聲音的傳播特點。在教學中，筆者發(fā)現教材中對于“聲音可以在不同介質中傳播”和“聲音在不同介質中的傳播效果不同”實驗的教學設計存在若干問題。

（一）介質純凈度不足導致驗證失真

在驗證“聲音可在水中傳播”時，教材通常采用浸人式音叉或密封手機置于水槽的聽聲方案。這種設計存在根本性科學漏洞：學生接收的聲音信號實際經歷了“水 - 玻璃 - 空氣”的多介質傳導過程。真正科學的驗證應確保聲源發(fā)射器與信號接收器處于同一介質環(huán)境中，避免傳導路徑污染。這種介質混雜現象導致學生建立的“液體傳聲”概念存在認知偏差。

（二）量化機制缺失制約效果對比

針對傳播效果差異的驗證，主流方案存在三重困境：其一，“人耳貼桌聽聲”實驗中，聲音需經“桌面-空氣 - 耳膜”的多介質傳導；其二，“密封袋聽聲”方案雖嘗試控制介質變量，但“同等力度敲擊”無法實現精確量化控制；其三，人耳生理局限難以識別細微聲強差異。這三種局限共同導致“固體傳聲效果優(yōu)于氣體”的關鍵結論缺乏實證支撐。當學生無法獲得可測量的數據時，科學概念的建構便如同空中樓閣。

二、破解 “聲音的傳播” 實驗現實困境的歷程回顧

從核心概念建構的角度來看，“聲音的傳播”主要包括兩方面的教學內容：一是聲音可以在水、空氣、固體等不同介質中傳播；二是聲音在不同介質中的傳播效果不同。如何引導學生親歷實驗探究，理解科學現象，建構核心概念？諸多教師進行了嘗試。

早期，教師非常注重緊密聯(lián)系學生在生活中的感性認知，通過啟發(fā)學生積極思考與交流的方式，“梳理”出聲音傳播的特點。例如在21世紀之初，關于“聲音能在哪些物體中傳播”的教學中往往出現這樣的場景：學生A提出“在盛水的水槽中敲擊兩塊石頭能聽到聲音，所以液體可以傳播聲音”；而B同學認為，“聲音不光是通過水傳播的，因為在水和耳朵之間還有空氣”；更有C同學進一步進行更嚴謹的分析，“不對，還有玻璃水槽，聲音是通過水、玻璃水槽、空氣三種物質傳到我們耳朵里的。”教師提出，通過這樣的思維論證，可以得出聲音可以通過固體、液體、氣體傳播的結論[2。學生在熱烈討論中展現出質疑與求真的科學精神，值得肯定。然而，教師還應進一步思考如何引導學生進行深度探究。僅讓學生結合生活經驗進行分析是不夠的，教師應通過創(chuàng)設實驗情境，引導他們參與實際的實驗觀察活動，并基于實證數據得出科學結論，從而培養(yǎng)他們的證據意識。

隨著教學理念的更新，很多教師認識到，關于聲音的傳播實驗教學，由于在現實生活中接收到的聲音往往經過氣體、固體等多種介質疊加，在實驗設計、實驗條件控制等方面存在一定困難，往往難以采用控制變量法進行對比實驗，這在一定程度上影響了該內容教學中學生科學核心素養(yǎng)的達成[3]。

有教師自制聲音傳播效果采集器，通過將3個聲音傳播效果采集器（由噪聲器改裝）分別插入裝有空氣、水、沙子的塑料瓶中，用小棒敲擊音叉，采用聲音采集器顯示收集到的聲音強度數據的方式，探究固體、液體、氣體傳聲效果的不同[4。一方面，對以人耳采集聲音的方式進行了優(yōu)化，提出以噪聲器改造的聲音傳播效果采集器作為數據搜集“工具”，試圖通過量化的數據得出聲音傳播效果差異的結論。但是，另一方面，發(fā)出聲音的過程仍是采取難以量化控制的“小棒敲擊音叉”的方式。改進后的實驗是否能嚴謹地得出科學結論仍值得商榷。

同時，針對“聲音的傳播方向和聲音在不同介質上的傳播特性”這一實驗，一線教師創(chuàng)新采用分貝儀接收數顯化實驗數據[5]。但在聲源發(fā)聲的設計方面，采用的“蜂鳴器”難以調節(jié)音量，如果開展分組實驗同時多個小組進行測試，聲源音量在一定程度上會形成互相干擾。此外，采用手動敲擊的方式發(fā)出聲音，“音量”這一變量的控制仍存在干擾因素。

經過調查分析不難發(fā)現，無論從學情角度還是從教師執(zhí)教角度，“聲音的傳播”實驗存在兩個難點：一是在實驗條件下排除多種介質傳播聲音的干擾；二是排除不可控因素，設計更為精確的“發(fā)聲”和“接收”聲音傳播實驗裝置。

三、構建數字化實驗系統(tǒng)有效突破實驗困境

研究聲音現象是自然科學的重要組成部分，也是小學生認識客觀世界必不可少的基礎內容之一，對于幫助學生了解、認識外部世界有著重要意義。針對“聲音的傳播”實驗教學面臨的困境，設計“發(fā)音一接收”實驗裝置，突破實驗控制難點。

（一）“發(fā)音一接收”聲音傳播實驗裝置教具結構

本教具采用藍牙音箱、聲音傳感器、平板電腦等組裝成“發(fā)音一接收”實驗裝置（如圖1）。本套器材所需要的人工智能配件是人工智能教室的基礎配件。可在不增加額外成本的情況下，充分利用學校資源，組裝實驗器材，進行小組實驗。

（二）“發(fā)音一接收”聲音傳播實驗裝置教具制作

教具制作主要分為三個部分：第一部分，對人工智能配件進行組裝（如圖2）；第二部分，在平板電腦上使用“uKitEDU”編程軟件對聲音片段進行編程；第三部分，連接藍牙音箱和聲音傳感器。制作完成后，由平板電腦操控藍牙音箱發(fā)出聲音，聲音傳感器接收聲音信號后將數據顯示在平板電腦上。在“發(fā)聲”方面，電子設備發(fā)出聲音，確保每次實驗發(fā)出聲音的音量相同，音量可調節(jié)。聲音素材通過編程方式導人，可根據教學實踐進行選擇和編輯。“接收”聲音信號方面，數據靈敏，即時在平板電腦呈現量化數據，可判斷接收聲音的效果強弱。

圖1聲音的傳播“發(fā)聲一接收”實驗裝置原理

（三）“發(fā)音一接收”聲音傳播實驗裝置的使用方法

將實驗裝置倒扣懸置在水槽中，水槽內部可填充固體、液體、氣體，在“發(fā)音一接收”過程中確保了聲音傳播介質單一。學生利用聲音傳感器接收聲音信號，數據客觀，可以得出“聲音可以在固體、液體和氣體中傳播”“聲音在不同介質中的傳播效果不同”等科學結論。具體使用步驟如下：第一步，把器材倒扣在空水槽中，操作平板電腦，藍牙音箱發(fā)出聲音，聲音傳感器接收數據顯示到平板電腦，收集數據并記錄；第二步，把器材倒扣在有水的水槽中，操作步驟同上；第三步，將器材倒扣在空水槽中，瀝干水分；第四步，分析數據，得出結論。

四、“發(fā)音一接收”裝置的創(chuàng)新與教學優(yōu)勢

（一）“發(fā)音一接收”聲音傳播實驗裝置的創(chuàng)新點

依托數字技術硬件的高靈敏性、數顯性、可控性，“發(fā)音一接收”聲音傳播實驗裝置具有以下創(chuàng)新點。

圖2組裝后的“發(fā)聲一接收”實驗裝置

其一，在控制變量方面，單一傳聲介質有利于去除多種傳播介質干擾。借助藍牙音箱發(fā)出聲音，用聲音傳感器接收聲音信號，倒置在水槽中。水槽內部可填充固體、液體、氣體，在“發(fā)音一接收”過程中確保了聲音傳播介質單一。學生在平板電腦上讀取數據，通過分析數據，探究聲音在不同介質中的傳播。

其二，數據直觀，聲音信息可視化可排除不可控因素。“發(fā)聲”和“接收”聲音傳播實驗裝置采用藍牙音箱發(fā)出聲音的方式，每次發(fā)出聲音的音量相同，可以進行對比實驗，探究聲音在不同介質中的傳播效果。藍牙音箱聲音大小可控，則可以在分組實驗時盡量調小聲源音量，以保證在實驗室密集實驗條件下各小組之間的聲源不致造成互相干擾。

（二）“發(fā)音一接收”聲音傳播實驗裝置的教學優(yōu)勢

結合優(yōu)化后的實驗教具，設計“提出問題，實驗設計，動手探究，獲取實驗數據，得出結論”等探究活動。教師采用從感性經驗到客觀認識的教學方式，不但讓學生能“聽到”聲音，還可以通過數據顯示“看到”聲音信號，豐富感官證據的收集渠道。學生以數據為依據，觀察聲音是否可以在水中傳播，并對比聲音在水中和空氣中的傳播效果。初步滲透“變量控制”實驗原理，形成嚴謹的科學思維；支持學生親歷完整探究，建立基于數據的證據意識；鼓勵學生熟悉人工智能設備，豐富跨學科學習體驗。

1.有利于培養(yǎng)嚴謹的科學思維

本實驗教具突破以往實驗的局限，創(chuàng)設了更為理想的科學實驗條件，實現了發(fā)出聲音的音量可控，接收聲音信號的數據客觀顯示，多種介質的實驗干擾得以排除等實驗因素的優(yōu)化，提升了學生科學思維。學生經歷“實驗設計一質疑一優(yōu)化設計”的實驗設計過程，能更清晰地感知控制變量在科學實驗中的重要性和可操作性，在潛移默化中培養(yǎng)科學精神。

2.增強基于數據的證據意識

基于人工發(fā)聲、人耳收集聲音的觀察，是基于感性的觀察。借助技術工具的觀察方法則加強了實驗的客觀性。在數字技術的支持下，學生親歷“提出問題一作出假設一實驗驗證一分享交流的探究環(huán)節(jié)。教師通過對數據進行分析，增強學生基于數據的證據意識，并利用數據的多樣性，引發(fā)學生進一步思考聲音在不同介質中傳播的更多特點，啟發(fā)學生持續(xù)探究聲音的世界。

3.滲透跨學科學習體驗

本實驗所使用的器材均來自學校人工智能專用室，也是學生平時在人工智能課堂所熟悉的常見器材。由科學教師創(chuàng)新材料組合，作為科學實驗工具應用于實驗探究。不僅能讓學生深刻地理解科學技術對科學研究的推進，感受科學探究過程的嚴謹性，而且能調動學生提高信息技術素養(yǎng)，激發(fā)他們學習、使用數字技術工具的積極性。教師以學科滲透的巧妙形式，增強了學生的跨學科學習體驗，使他們感受科技發(fā)展和學科融合對科學進程的影響。

本實驗在充分挖掘學生已有生活經驗，在感官“聽”聲音的觀察基礎上，嘗試借助數字技術，通過信號轉換的方式以數據顯示“著到”的聲音信號。中年級學生具備一定的信息素養(yǎng)，實驗操作簡單。使用數字技術支撐的實驗教具目的是豐富感官的收集渠道，增強學生的證據意識。課堂教學涉及的聲音信號轉換、藍牙技術等實驗裝置的設計，均由教師進行講解介紹，實際教學中可以根據學生的信息技術水平動態(tài)調整。實驗以提升實驗效果的“工具性”介紹為主，對于具體的技術原理教師并不展開講解，而是引導學生感知科學技術發(fā)展對實驗探究的嚴謹性的推動作用。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準：2022年版[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2]劉麗紅.“聲音的傳播”課堂實錄及評析[J].實驗教學與儀器，2005（4）：38-39.

[3]楊紅糧，王久強.物理核心素養(yǎng)指導下對實驗探究的思考與改進：以“聲音的傳播”實驗為例[J].中學物理，2019（18）：31-33.

[4]劉學軍．“聲音的傳播”實驗的改進與創(chuàng)新[J].實驗教學與儀器，2018（7）：133.

[5]許文鳳，高翔.可視化、數顯式聲音傳播演示器[J].教育與裝備研究，2018（9）：82-84.

（作者劉陽丹系福建省廈門外國語學校附屬小學教師；高翔系福建省廈門市思明區(qū)教師進修學校教研員、特級教師、正高級教師，教育部基礎教育科學教學指導專委會委員；黃福裕系福建省廈門外國語學校附屬小學高級教師）

責任編輯：祝元志