应用数字技术优化实验教学

谈梅芬

随着高新科技的不断研发，全球大数据云计算的信息时代已经到来，学校教育也从数字土著融入以数字技术为基础的大环境中。我校顺应教育趋势，开展了“数字化实验技术在小学科学教学中的应用研究”的课题研究活动，通过给学生提供一种操作性能强大的数字技术，鼓励学生更有效地进行实验探究。

数字化实验系统装置由传感器、数据采集器、软件、计算机四部分组成。传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律转化成可用输出信号的器件或装置。小学科学实验室中常用的传感器有温度传感器、二氧化碳传感器、pH传感器、电流传感器、声音传感器等。数据采集器能将实验过程中的物理信号转变为数字信号、模拟信号输出，全程跟踪实验过程中的数据变化，并以多种形式显示实验结果的装置。我校使用的“TriE iLab”是一款功能强大的教学用实验数据处理软件，支持实验设计、数据采集和保存、数据分析计算等。其次，TriE iLab还增设了CCD光强分布模式和声音测量模式，同时支持无线通讯，并设有数据导入向导，可以将TriE Smarta等具备存储功能的数据采集器上存储的数据导入并进行计算，也就是说可以单独携带、轻巧方便地进行户外探究。

在传统小学科学实验过程中，虽能同样关注实验的设计，实验的过程，以及最终的实验数据，但由于受到现实实验器材的制约，很多时候只能做定性分析。即便是定量，比如力的大小，温度的高低，容积的多少，时间的快慢，“差不多是”“接近是”是师生进行实验结果分析时的专用名词。但在实验现象较接近且难以分辨时，比如音强的大小，酸碱的强弱等，数字化实验定量化处理的优势就很好体现出来了。同时，使用传感技术，可以采集实验过程的完整数据，并通过数据的分析，直观地感受到实验全程的变化，从而得出更加准确、科学的结论。

一、精准，用优于手工采集的技术，确保实验探究的成功

结合温度传感器为主的数字化实验技术与传统手工采集数据实验相对比，我校使用的温度传感器量程-50℃至150℃，分辨率0.1℃，精度+0.5℃，便捷的操作，精准的读数在苏教版小学科学四年级《冷热和温度》一课得以很好的体现。本课的教学目标是建立温度的概念，学会使用温度计测量水温，能够收集数据并发现热水变凉的温度变化规律。连续测量一杯50mL热水温度的变化是本课的主要探究活动，在传统教学中，这个实验的操作除了需要正确读取数据外，另一个最至关重要的问题是计时员的选定，每隔一分钟进行一次测量读数，计时提前或落后会直接错失实时数据的获取；而如果忽视人员工作的责任心与实验的严谨性，将会出现不可逆转的无效数据，以至于最终无法发现其中的科学规律。而温度传感器的使用则有效攻克了实验中准确读数的难点， TriE iLab实验数据处理软件又很好地排除了实验中计时的困惑，甚至不存在人脑神经的反应速率，时间能精准到秒，实时进行测量并自动记录，体现数据采集的智能高效，科学客观地测量了每一时间点的数据值。

二、优化，用明了的现象分析比较，提高实验的可操作性

科学学习决不能只是别人做给他们看的过程，学生更需要参与真实的动手过程，把科学知识应用于新问题的解决中去。例《导体与绝缘体》一课，学生在对导体和绝缘体有了初步认知后，能够轻松快速地检测铜、铁、铝是导体，橡胶、塑料等是绝缘体，但由于盐水、肥皂水、果皮、人体等电阻很大，学生无法用普通验电装置通过点亮小灯泡的方式进行检测。因此，教师往往会对这一环节的处理转变为演示实验，用人体验电器进行检测人体是导体，用纽扣电池和LED小灯组装新的实验装置测定其他液体也是导体。在此期间学生始终处于观众席位，没能亲手动手实验。而微电流传感器恰到好处地使用，方便学生人人参与到科学探究中去，用数据说明现象，用事实解释分析，使学生在开放性、情景性的氛围中进行多维度、广角度的实验探究，由此获得思维力的提高。

三、个性，用便捷的数据采集方式，打造开放的实践活动

科学学习决不只是四十分钟课堂内的事，也不仅是能读懂几本与科学相关的书籍，实践运用才是孩子们学科学用科学的广阔舞台。师生通过设计个性化的实践活动，有效弥补课堂教学的狭隘，激发学生学习的内在动力，以及科学运用实际生活的应用能力。结合《测定教室中的CO2和O2》实践活动案例介绍。学生通过以往课堂的学习、书本的阅读，知道二氧化碳是空气中的一种气体，占空气比例的0.03%左右，比空气重，不能供给动植物呼吸，是一种窒息性气体，但面对寒冷的冬季学生又习惯紧闭教室的门窗，而这污浊的空气使人精神不振。学生通过资料的查阅，可以知道上课疲倦是因为教室中的二氧化碳含量过高导致的，可是怎么解决通风换气与保暖御寒之间的矛盾呢，这就需要了解教室空气中二氧化碳含量的变化与哪些因素有关。学生利用传感器以及TriE Smarta具备存储功能的数据采集器，通过测量人数一定的情况下，把教室封闭不同的时间及开窗通风不同的时间来测量二氧化碳和氧气含量的变化量，以及人数不同的情况下，把教室封闭相同时间后的二氧化碳和氧气含量的变化量，最终获得空气中各气体比例的差异对人体健康的影响。整个活动历时整天，这也是传统课堂无法企及的，学生用数据分析更容易得出科学客观的结论。

对比传统教学，数字化实验更关注对结果进行定量分析，从具体数据的分析归纳中得出实验结论，侧重于学生探究技能和思维能力的培养。但我们不能摒弃传统，更不能为技术而技术，应始终保持现代与传统的有效整合，充分挖掘两者的教学价值，让探究因数字化技术的引入，使学生对科学概念的理解和科学本质的认知更透彻！

【作者单位：宜兴市湖滨实验学校 江苏】