新技术助力科学实证教学——以“运动起来会怎样(一)”教学为例

浙江省杭州市大禹路小学(310000) 陈伟泉

教科版小学科学《运动起来会怎样(一)》的教学中，学生由平静状态到运动状态，发现呼吸的次数增多了，通过分析呼吸前后空气成分的变化，让学生了解呼吸器官的功能，体验运动和呼吸系统的内在联系。

呼吸为人体运动提供氧气，并排出二氧化碳等废气，呼吸过程进行了气体交换。但在实验教学中，学生很难观察到呼吸过程中的气体交换，更谈不上了解吸入与呼出的气体中氧气与二氧化碳成分的变化。

1 技术设备受限，用经验代替实证

为了让学生发现气体交换后气体成分含量的变化，教材中安排了3个活动。

活动一：让学生反复呼吸保鲜袋里面的空气，并谈谈体会和感受。

注：实验时，若学生身体有不舒服的感觉，立即停止实验。

活动二：如图2所示，用点燃的火柴伸入呼吸前和呼吸后的集气瓶中，观察火柴燃烧的程度及变化，证明呼吸前后的气体成分是不一样的。

图2 活动二

活动三：学生观察分析图3中的数据，探究呼吸前后气体成分的变化。

图3 活动三

“活动一”让学生反复呼吸保鲜袋内的空气是难以控制的，而且每个学生的体验和感受是不一样的，很难达成共识。反复呼吸保鲜袋里面的空气是否可行，还需从学生健康的角度论证。

“活动二”实验活动所需材料多，实验操作繁琐，且实验现象不明显，实验结果不能说明问题。

“活动三”学生观察分析图表数据，发现呼吸前后的气体成分发生了变化。通过讨论知晓“呼吸是气体交换的过程，需要消耗氧气，产生二氧化碳并呼出体外”。这样的教学方式，虽然能够很快得出结论，但是通过对直接获得的已有数据进行分析，学生缺少获得数据的探究过程，对获得的数据缺乏认同感。对数据不重视，分析推断得到的结论不是学生真正信服的结论。

4年级学生的科学学习，是以具体的感性认知为主。学生没有直观的感受，认为空气是摸不着、看不见的单一物体。教材试图通过1张图的数据说明空气是混合物体，人体呼吸前后的空气成分是不同的。在具体教学过程中发现，学生面对枯燥的数据很茫然，进行探究学习的动机较弱。课堂上学生可能会认同结论，但过后还会认为吸入和呼出的都是空气，两者没有差别。学生的学习动机不强，认知不够深刻，也不可能真正理解呼吸作用是气体交换的过程。

一直以来，受到技术的制约，课堂上没办法直接测量人体吸入和呼出的氧气含量到底有没有发生变化。一般采用“呼吸体验+实验检验+图表分析”的设计，结合经验和现成知识，组织学生开展学习活动。学生经历科学探究过程是小学科学的基本学习方式，根据学生的认知特点，学生会对没有亲身经历探索获得的证据产生怀疑。在这样的教学方式下，学生一直认为呼吸过程中吸入和呼出的气体都是一样的，可见缺乏实证的结论就很难有说服力。

2 寻找新技术，突破教学难点

2017年7月，学校建立了新技术支撑的数字化信息系统实验室。实验室装备了以“朗威DISLab系列”新技术设备，它由“传感器+数据采集器+实验软件包+实验配套材料+计算机”构成，实验流程如图4所示。

图4 实验流程图

氧气传感器和二氧化碳传感器是直接测量空气中氧气含量和二氧化碳含量的新技术设备，如图5所示。氧气传感器由氧气传感器、数据采集器，数据显示器(平板或台式电脑)组成，使用时要在电脑端口安装配套的DISLab学习软件。通过一系列科技技术将测得的氧气含量数据直接通过计算机显示出来，还可以通过计算机对数据进行分析。氧气传感器的使用，突破了长期以来不能在教学现场采集和使用实测数据的难点。二氧化碳传感器也采用同样的技术手段和方法采集数据，可直接测得空气中二氧化碳的含量。

图5 氧气及二氧化碳传感器实物图

氧气传感器作为一种新的科学探究工具，可以测量任何一个空间位置的氧气含量，使用简单便捷，数据即测即现。只要课前教师安装好设备及相应软件，课堂上学生就可以动手使用氧气传感器直接测量氧气的含量，经历体验而获得的数据，学生有认同感，觉得数据真实可信。

3 合理运用新技术，用证据助力实证

3.1 测量身边的氧气成分，学会使用传感器

氧气传感器可以分成有线端和数据传输端。实验时，将有线端与氧气传感器相连，数据采集端口与电脑相连，就可以直接在显示屏幕上看到空气中氧气浓度的变化。教学中，学生先观看微视频学习氧气传感器的使用方法，再动手在电脑上打开相应的软件，测量身边的氧气成分，学会传感器的使用方法。

3.2 测量空气中的氧气含量，“看”到空气是混合物

学生采用氧气传感器测量教室内和教室外每个位置的氧气含量，每个实验小组获得的数据都有些差异，在不同地点测得的氧气浓度有轻微的差别，但数据基本还是在20%～21%间波动。然后，对照教材所示氧气占空气成分的21%，引导学生分析和理解现实测得和教材数据的差异，让学生清楚知道空气中氧气的成分，而且推断剩余的气体是什么。接着，进一步组织实验验证学生的猜测，学生采用二氧化碳传感器测量空气中二氧化碳的含量，发现二氧化碳只占空气成分的0.03%。通过以上活动，结合教材“空气成分表”，学生深刻理解了空气是一种混合气体，同时还了解了空气中的其他成分。

3.3 测量呼吸前后氧气含量，实证呼出气体中氧气减少

呼吸前和呼吸后的氧气含量变化，教材是通过演示实验来说明的，但效果不是很理想。采用氧气传感器和二氧化碳传感器来测量，将不明显的现象变化为真实测得的数据。学生猜测呼吸前后空气成分会发生什么变化，确定探究氧气和二氧化碳变化实验活动方法。通过学生分组实验，采用氧气传感器(二氧化碳传感器)测量小组每个人呼吸前后氧气(二氧化碳)含量的变化。通过实验获得真实数据，用实证让学生真正认同呼吸是空气进入肺部进行气体交换的过程，有助于学生真正理解呼吸系统的功能和作用。

实证在小学科学教学中越来越被重视。氧气传感器可以测量空气的成分，解决了空气看不见摸不着的问题。新技术为学生提供了探究实验的工具，增强了实证的力量。