传感器在小学科学探究实验中的应用

◆徐春明

在科学教学中，教师要注重通过探究实验再现科学发现的过程，从而让学生体验到“猜想—验证—归纳”的科学探究过程。传统条件下，相当一部分探究过程中学生探究需求受到限制，可进行科学探究实验的内容相对较少，而且定性、模糊的研究居多。随着数字技术的迅猛发展，尤其与科学实验关联度较大数字技术——传感器，给解决这些问题带来了契机。传感器以其精确、智能、易于操作等优势，可大大提高这种探究过程的实效。

将数字传感器技术引入科学探究实验，不仅是让学生亲历探究活动更有保证，而且可以拓展研究内容，更好地满足学生的好奇心和求知欲；降低实验难度，提高实验效率，让学生有更多的时间和精力反思、交流自己和同伴的探究过程，整理、分析实验现象和数据，完成对新知的自主建构；创新实验方法，拥有更多定量实验的机会，让学生探究活动更接近科学本质。笔者结合课堂实践，对传感器在小学科学探究实验中的应用谈几点自己的心得。

1 精确测量，拓展实验内容

探究式科学教育的第一步就是“提出问题”，教师将学生引入情境，让他们观察和获得有关的信息，逐步聚焦话题。从学生原有的概念和实际理解出发，由教师或在教师帮助下由学生归结出将要进行探究的问题[1]。学生对原有概念和实际理解各异，产生的研究需求也是多样化的，在需求和条件之间往往会产生矛盾，只有积极创造条件，才能进一步拓展研究内容，尽可能满足学生多样化的探究需求。

苏教版小学科学四上，安排了研究内容——“热水变凉”。但热水变化不仅仅只有“温度变化”这一方面，还包括“重量变化”。在传统的教学中，受制于工具的限制（天秤的精度不够，操作难度又非常大，容易出错），我们通常刻意回避学生所关注的“重量变化”内容。

针对类似于以上的情况，重力传感器技术很自然地成为了探究活动的重要工具。我们可以采用量程为200 g，精度为0.01 g的数字电子秤。利用其中的重力传感器测量重量变化并通过数字屏显示出来，实验既容易操作，数据也能很直观方便地读取，使学生能很方便地搜集数据，分析、归纳和研究热水重量的变化规律，拓展了探究内容。

2 智能控制，降低实验难度

“小车下山的速度”传统的做法是学生分工合作：一位学生手动放小车，一位学生用秒表计时，然后再对测得的数据进行分析与比较。实验的弊端主要有两个环节：一是手动放小车因为人的原因不能做到小车完全自然下滑；二是手动秒表计时易犯错、数据误差大。技术限制导致的测量不准确，可能引起学生对实验设计和初始判断的否定，对学生探究未知形成障碍。

解决的方案理论上有两种：一种加长斜坡，使运动时间增加，从而相对减小数据误差；第二种是改进实验设计，获得更精确的数据。其中第一种方法在实验室中较难实现；第二种方案可采用“传感器”技术来实现，比较可行。如引导学生利用“光电门传感器”对“小车下山的速度”进行精确测量，效果很好。但“光电门传感器”整套设备比较昂贵，普及相对困难。我们可以利用这一原理，制作“土传感器”，来帮助学生开展科学探究：一是利用电磁铁来控制小车的下滑；二是在斜坡的上、下端制作两个动触点开关，将两个开关并联并与秒表控制键中接出的两根线相连。这样电磁铁断电后磁性消失，小车失去吸引后在重力牵引下自动下滑，接触上端开关，秒表开始计时，小车下滑至下端开关，秒表自动停止计时。实验中利用传感器原理进行智能控制，排除了两个主要引起误差的因素，降低了实验难度，提高了实验准确性，一组组精确的实验数据，为学生进一步的思考、讨论、各抒己见提供了科学的依据，学生归纳获得的探究结果更真实更准确。

3 即时测量，提高实验效率

郁波老师曾在题为“科学探究与人是如何学习的”讲座中提到：如果仅仅让学生经历探究活动，这还不能帮助他们学会如何学习。让学生运用批判性的眼光对自己和同伴的探究过程和结果进行监控和评价，可以使他们不断明白自己在做什么，以及为什么这么做[2]。这就要求老师在组织科学探究实验过程中，既要保证亲历、体验的过程，又要确保学生有足够的时间“思考”“交流”。

在学习苏教版科学五上“测量呼吸和心跳”一课时，学生进行心跳的测量实验费时费力。原因有三：一是用手摸心脏部位测量心跳，既费时也易错；二是运动后，学生注意力不能马上集中，测量准确性不高；三是要测多个“一分钟”。整个一节课时间，被测量、纠错活动占去了大半，探究的重心完全放在了“做”，而学生的“想”和“交流”的时间和机会被迫减少甚至忽略。

应用数字技术——心率传感器，也可以利用智能手机中的心率传感器软件。学生就可以利用这些数字化的工具，即时测得不同状态下的精确心率数值，既节约的时间，又排除了其他因素的干扰提高了数据准确性。让学生的注意力从“摸心跳”“数数”等转向对“呼吸和心跳”关系的深层分析与探究，有更多的时间交流、分析、概括实验现象和数据，实现“思”“做”“说”等各个环节时间的灵活分配，提高探究实验效率。

4 定量研究，创新实验方法

当前小学科学教材上的科学实验大多是以简陋、不精确、定性为特征的，很少有定量研究[3]。其中主要的原因是小学科学实验仪器配备标准已有近十年未更新，老旧的实验器材依然是主流。传感器的引入，并不仅仅是实验工具的更新，更重要是它为定性实验转变为定量实验提供了现实的可能，必然带来实验方法的新变化。探究活动中，定性的描述与推理减少，以某种数值或数量间关系为证据揭示现象背后的奥秘增多。

如研究“不同物体的反光能力”，传统的方法靠眼睛感觉做出主观的定性描述，在反光能力相差较大的物体之间学生能形成共识，而对反光能力相差不大的物体往往容易产生分歧。如果用智能手机中的光线传感器，反光能力细微的变化都会被传感器捕捉到，通过数值反映出来，在这个过程中，学生需要做的不再是仔细分辨，而是创新性地设计各种合理的实验方法，严格控制实验中的变量，大胆实验，小心求证，用证据揭示物体反光能力的强弱规律。

数字传感器的优势，使科学探究实验更丰富、更规范、更科学、更有效。但我们同时也应该认识到，“技术”是一把双刃剑，传感器的应用也有些不足，如虽然使数据的获得更加直接和直观，却弱化了计算、作图、操作等重要能力的培养；传感器的原理复杂，增加了学生对仪器原理的认知难度等。因此，传感器带来的实验条件改变的背后，是更加深层次的科学教育目标的改变，目标的改变最终会带来教与学的方式的变革[3]。需要根据实际情况，作出相应的改变。

[1]韦钰,Rowell P.探究式科学教育教学指导[M].北京:教育科学出版社,2005.

[2]郁波.科学探究与人是如何学习的[EB/OL].http://www.zjxxkx.com/bbs/dispbbs.asp?boardid=4&id=12331.

[3]吴向东.数字时代的科学教育[M].广州:华南理工大学出版社,2012(8).