运用电子传感器实施小学科学STEM探究教学研究

萧顺欢

【摘要】小学科学课堂是探究性学习主阵地，是学生通过对学科知识结构的把握，在内部动机即好奇心、进步的需要，而电子传感器设备具有科技化、信息化、智能化的特点，可以为参与探究性学习的学生提供实用的实验设备和丰富的空间资源。因此，本探究中，将信息化设备电子传感器引入科学探究性学习活动中，为学生开展多元化、综合性和探究性研究提供硬件支持，构建融合STEM教育理念的电子传感器探究性课堂模式，为小学科学教学信息化提供参考范例，进一步培养学生的核心素养，提升学生创新精神和实践能力，并提升教师的信息化教育教学素养。

【关键词】小学科学  电子传感器  STEM教育探究教学

【中图分类号】G623.9 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2020）29-0044-02

在科学技术一日千里的今天，时代对教育的要求也愈发高，教学的理念和方法策略的运用对教学的效率起到了非常大的作用。其中运用STEM课程理念，培养学生的学科素养和实践能力，运用所学知识解决生活中遇到的问题尤为重要。那么何为STEM？STEM是指科学（Science），技术（Technology），工程（Engineering），数学（Mathematics）四门学科英文首字母的缩写。它一经提出就在教育届掀起热潮[1]。众所周知一个人需要掌握的知识并不是单一不联系的，随着学习的深入所需掌握的知识是多元化、多学科的知识构建过程。而现代的教育教学正是需要教师在不同学科教学中充分地把不同学科的知识融合一起并通过一定的方法手段让学生在学习中能掌握到各方面的知识，从而达到更符合时代发展需要的建设者和接班人。而当前STEM教学就能结合科学实验进行多学科融汇教学，使学生的科学素养得到培养，同时促进他们各方面能力的全面发展。

人们通过科学观察认识世界、解释自然界的客观规律;在技术和工程尊重自然规律的基础上改造世界、实现对自然界的控制和利用、解决社会发展过程中遇到的难题;数学则作为技术与工程学科的基础工具[2]。由此可见，生活中发生的大多数问题需要应用多种学科的知识来共同解决，是每位老师都非常关注的问题。小学科学实验探索教学就是在这种背景下利用传感器的原理让学生能全面认识世界，改造自然。电子传感器一般由敏感元件、转换元件、变换电路、辅助电源四部分构成。其中，敏感元件直接接收测量，用于输出被测量有关的物理量信号;敏感元件主要包括热敏、光敏、湿敏、气敏、力敏、声敏、磁敏、色敏、味敏、放射性敏感等十大类;转换元件用于将敏感元件输出的物理量信号转换为电信号;变换电路用于将转换元件输出电信号进行放大、调制等处理;辅助电源用于为系统（主要是敏感元件和转换元件）提供能量。传感器在日常生活中也有着广泛的应用，常见的如：自动门，通过对人体红外微波的传感来控制其开关状态;烟雾报警器，通过对烟雾浓度的传感来实现报警的目的;电子秤，通过力学传感来测量人或其他物品的重量;水位报警，温度报警、湿度报警等也都利用的是传感器来完成其功能。

现在的小学科学教学中，探究性学习非常重要，运用有效的实验材料获得探究的结论，解决问题是老师们一直不断探索的目标。利用传感器实施小学科学STEM探究教学正在被更多的学科教学所尝试。传感器在科学实验中的使用对比起传统的材料进行科学实验，特别是在声、光、热、力和物质溶解等方面的科学实验操作中具有以下优于传统实验器材的优势：

一、传感器器材都是根据学生的学习内容和实际操作能力进行研发，能更好地便于学生操作和掌控实验所用的时间，培养学生的思维能力和动手操作能力。

老师必须选取合适的传感器器材才能使用到不同年龄的科学教学中，并适应不同年龄的学生进行操作使用。但由于教师之间所选材料有所不同，所以也会存在实验效果、实验数据、实验结论的差异。如：在教学《光的反射》这一课中[3]，虽然老师都选择了浅色的纸，但是表面光滑程度不一样的纸，它的反射效果就非常不同。如果没有统一的标准，可能就出现了差之毫厘，谬之千里的结论。在这个问题的解决上，传感器就能避免这种差异性，使教师在组织教学中能大概地掌握学生的操作情况和所用时间，从而更好地组织课堂教学。

利用传感器进行实验教学，可以让学生发现，细微的操作、组装差异都会出现变化巨大的結果，这时就需要冷静的思考是哪个环节出现失误，应该如何调整实验器材才能得到理想的效果，为什么我们的结果跟其他小组的差异那么大，究竟是哪一步操作出现了问题，这些思考都会促进学生在反复的思考操作中发现问题、并思考寻求解决问题的方法，然后通过实际的操作进行验证，从而在一步步的深入中深化自己的能力。就像在利用传感器教学《光的反射》“虚拟实验：光线走迷宫”这一活动时，老师先提出了问题：同学们平常有玩过走迷宫的游戏吧？那你能让红色的镭射光走出这个迷宫吗？学生小组通过操作完成镭射光线走出迷宫的线路设计和操作，如果设计走错一步就容易使得前面的努力都化为乌有了，这里就会出现不同小组在完成活动任务中的设计和操作时间上的差异。学生的严谨的思考与动手能力在此处得到了充分的体验。

二、电子传感器能将传统实验无法直观显示的数据以曲线、数值等形式清晰地呈现给学生，便于学生形成科学概念，提高课堂教学的有效性。

在科学传统教学中，由于实验器材的局限性，往往学生实验后得到的数据不同的小组或个人之间的数据会有很大的差异，比如三年级的《测量水的温度》这一课中使用传统的温度计，由于各种不同因素的影响，温度计测得的水温就有很大的差异，这样不利于学生得出正确的结论，也不利于帮助学生理解和形成科学概念。又比如说教学《怎样得到更多的光和热》这一课时，不同颜色的材料吸热能力测试的实验，所选择的材料，如白色和粉色之间吸热能力本来差异就比较少，如果应用传统的温度计，可能数据变化不大，甚至没有变化，这样对于学生的学习结论的总结就存在困惑。教师也会比较尴尬。但如果以上两课的教学运用温度传感器进行测量，让学生直观明了地看到温度变化的过程，显示的实验数据就会很明显，哪怕是变化非常细微，都能快速准确地呈现出来。而且，传感器生成的数据，还能以最直接的表格、曲线、刻度等形式呈现在电脑屏幕上，使师生能更直观、方便地对实验数据进行分析，归  纳，总结得出实验结论。为有限的时间内能有效地完成教学任务提供保障。

三、科学课堂中使用电子传感器教学能有效地激发学生对科学学习的好奇心和求知欲。

《义务教育小学科学課程标准》中倡导小学科学是以探究作为学生学习科学的重要学习方式。探究主要是让学生在体验中学习科学，发现生活中的科学。学生在学习科学中运用电子传感器学习相关的声、光、热等知识的过程中，他们能感受到传感器的强大的功能与使用方式，大大地开拓了他们的视野，丰富了其科学探究的内容，有利于激发学生对科学概念和探究到底的好奇心和求知欲。如进行《植物的蒸腾作用》教学时，因为前面的学习，学生已经了解到植物生长需要水分，那么这些水分最终会去哪里？学生对此不是很了解。他们也会很好奇，并想通过亲眼观察来验证自己的想法。那么针对学生的实际情况，这节课就利用交互式电子白板以及先进的数字化实验仪器，帮助学生从感性认知提高到理性认知，从实验探究和媒体数据可视化，学生能认识到叶片能蒸腾植物的水分、能描述蒸腾水分的过程、指导植物气孔的分布规律等几个主要的原理。蒸腾作用于光合作用、呼吸作用共同组成绿色植物的三大生理作用。本节课的学习能够为后面对光合作用以及绿色植物在生物圈中的作用的学习奠定基础，帮助学生完成知识构建和知识运用，从而达成教学目标。

四、运用电子传感器与STEM教学理念相结合进行实验教学能有效地提高学生解决问题的能力。

在科学实验教学中结合实际实际生活，指导学生发现问题，提出解决问题的猜想，并能设计出解决问题的方案，然后通过努力把方案进行实践，验证猜想是否能解决实际的问题，学生在解决问题的过程中，运用了科学（Science）、技术（Technology）、工程（Engineering）、数学（Mathematics）四门学科的多元化的知识构建过程，也就是我们说的STEM。学生在科学实验中，把STEM有机的融合，既培养了各种思维能力，又使动手操作能力得到有效的提升。在这个过程中形成自身的科学素养。如教学《制作太阳能热水器》一课时，学生已经通过这个单元前面几课的学习，特别是通过《怎样得到更多的光和热》这一课中运用电子传感器测试了不同颜色的材料吸收太阳光的能力的强弱后，学生对收集制作太阳能热水器的材料有了更明确的方向。所以对于制作太阳能这一工程有了更多技术和理论知识的获得后，他们收集材料的时间大大缩短，制作出来的太阳能热水器也可以通过电子传感器快速地测得自来水和通过热水器加热后的温度变化情况，比起使用传统温度计测量或手感测量要精确多了。又如在《制作电路检测器》这一课的教学中，运用了电子传感器对学生制作改良的电路检测器进行实验效果的对比，能让学生快速地找出制作过程中存在的问题，如计算导线长度的不足，还是原件接触不好，或许是正负极连接方向出现错误等，都能通过传感器比较快速精准地找到问题所在，并快速地对方案进行改进，动手操作修正错误，从而制作出更满意的电路检测器。

未来，我们应将信息化设备电子传感器引入科学探究性学习活动中，为学生开展多元化、综合性和探究性研究提供硬件支持，构建融合STEM教育理念的电子传感器探究性课堂模式，为小学科学教学信息化提供参考范例，进一步培养学生的核心素养，提升学生创新精神和实践能力，并提升教师的信息化教育教学素养。

参考文献：

[1]徐小军.STEM教育理念下科学教学策略探微[J].小学教学参考，2019（24）：56-57.

[2]刘洪武.信息化教学设备在小学教学中的有效应用[J].中国教育技术装备，2016（19）：124-125.

[3]邱黄鹏，骆庆军.“光的反射”实验教学设计案例分析[J].实验教学与仪器，2018（S1）：20-21.