引入数字化实验优化课堂教学

胡超

对于小学生来说，通过亲历实验过程获得直观体验是其认识和理解科学的最佳方式。在小学科学与技术教学中，有一些科学概念和原理通过传统实验不容易让学生理解，尤其是一些实验现象不明显的（如比较固体物质的热胀冷缩能力实验）、实验现象变化难以分辨的（如探究水的导电能力实验）、需要大量样本进行数据分析的（如使用不同方法的散热能力实验），更容易变成不能做、讲不清、效率低的实验，致使课堂教学效果大打折扣。

数字化实验系统（Digital Information System，下文简称DIS）主要由传感器和配套软件等组成，能和计算机连接并进行定量采集和处理数据，它具有直观、精确、显示方式多样等特点。教学中运用DIS，能使学生置身于数字化的学习环境中，亲历实验探究的过程，优化课堂教学。

在《热辐射》一课教学中，我们在传统实验多次实践的基础上，借助DIS迅速直观的实时演示、准确多样的数据呈现，引导学生进行数字化实验探究，解决原有教学中受时间、工具和环境等因素制约的问题，改进无法实现的、实验效果不明显的、实验效率低下的部分实验，优化教学过程并提高教学效率。

教学分析

《热辐射》是上海教育出版社出版的《科学与技术》第七册《加热与保温》单元第五课的内容，隶属于“能与能源”模块。

本单元是继三年级第二学期《热胀冷缩》单元以后又一个与“热”有关的学习内容，在后续五年级第二学期的《能源》单元中也有热能的相关知识。在数据统计方面，本单元在三年级学习图表绘制的基础上有很好的延续，为学生实验数据的收集、分析、统计提供了较好的学习途径。

本课教学内容上承热传导与热对流内容，通过实验认识热传递的第三种形式——热辐射，了解物体表面颜色的深浅与物体吸收辐射热的本领的关系，下启保温技术和散热技术相关应用的内容。本节课，学生主要通过比较热辐射与热传导、热对流特点的区别，认识热辐射;通过简单设计、完成对比实验、分析图表，知道物体吸收辐射热的本领大小与表面颜色深浅有关;通过运用所学的热辐射知识解释一些生活中的现象，为之后的学习运用做好准备。

实验主要突破点

本课引入DIS后，教师主要帮助学生推理热辐射沿直线传递的特点，并探究物体吸收辐射热本领与物体表面颜色深浅的关系。

1.推理热辐射的基本特点

实验以浴霸灯作为热源，下方放置热传感器（如图1），以检测温度的变化，观察发现传感器受热温度上升，分析传热方向可推理得出这种热传递方式不是热对流。如果认为热传递方式为热传导，则主要介质只能是空气，但用木片遮挡传感器后发现传感器温度基本不再上升，而空气这一介质依然存在，且与热源和传感器都直接接触，可推理这种热传递方式不是热传导，进而认识其热传递主要方式为热辐射。

实验中，通过反复比较没有遮挡、遮挡单只传感器、遮挡两只传感器时实时数据的变化，就能直观地推导出热辐射沿直线传递。

2.探究热辐射与物体表面颜色深浅的关系

通过上一轮实验，学生对装置的使用和注意事项已经有所了解，这里教师提供黑白两种金属螺母，利用之前演示过的实验装置，由学生设计对比实验。学生先开展热辐射与物体表面颜色深浅关系的第一轮实验（如图2-1），每隔2秒自动采集一次数据，1分钟后将所得数据自动绘制成图表（如图2-2），学生很容易发现实验现象的不同，教师不必急于得出结论。

接着，引入第二组实验，教师提供深浅不同的红、黄、蓝、绿（分别对应光的三原色和色彩的三原色）共四组材料，再进行第二轮实验。根据第二轮实验所获数据绘制的图表（如图3），结合第一轮实验数据图表，有力地证明了：物体吸收辐射热的本领大小与物体表面颜色的深浅有关，且物体表面颜色越深，吸收热辐射能力越强，反之越弱。

数字化实验对教与学的优化

1.数字化实验改变着学生的探究习惯

分析案例可以发现，由于DIS有着快速、直观（直接显示数值）、精确（最小刻度为0.1摄氏度）、显示方式多样（可直接将数据整理成表格、图表）的特点，利用DIS开展实验探究，正在悄悄地改变着学生的探究习惯。

从观察习惯上讲，在需要数据记录的实验中，学生从原有的主要观察点与点、割裂的、缺少过程性观察的实验方式，转变为重视实验过程与过程中数据变化的观察方式，实验中的每一个变化都是进行逻辑推理的佐证，包括传统实验中出现的操作误差，也可以通过观察实验中实时的数据变化及时发现和调整，实验中的每个数据都值得去观察与思考。

从数据分析习惯上讲，DIS能将实验获得的数据转化成表格、图表等形式以呈现数据变化的趋势，更符合小学生的认知特点，学生不再把时间花在数据整理、绘制图表上，而是用节省下来的時间进行数据和图表的对比、分析，课堂教学中更侧重学生对实验数据分析和处理能力的提高。

从探究设计习惯上讲，由于DIS的引入使实验效率大大提高，学生探究活动的有效时长大大增加，实际耗时反而有所减少。学生会有更多的课堂生成，催生出更多的探究问题，而高效的实验过程和因此留出的更多的课堂时间，恰好能满足学生的探究需求，让学生在更短的时间内可以进行更多的对比实验，获得更多的数据和图表，深化探究过程，由教师主导的单一探究活动逐渐转化成学生课堂生成的自主探究活动。

2.数字化实验促进教师更多的思考

案例比较直观地体现了运用数字化实验后课堂实验方法的改变，但改变实验方法并非一朝一夕之功，实验中工具和材料是一对重要的“伙伴”，只有两者相辅相成，才能发挥最大的效用，满足实验的需求。

DIS在工具上跨出了突破性的一步，但还需教师在设计数字化实验时发挥聪明才智，找到或改进能与之匹配进行实验探究的材料和相关器材，才能有效发挥作用。在本案例中，传统实验材料方面存在两个主要问题：

第一，实验时塑料袋包裹很难做到统一，精度比较低。

第二，实验中的热源是阳光，很大程度上受天气、温度、太阳照射角度等因素影响，课堂实验完成率比较低。

课前，教师要在热源和对比材料两方面进行多次匹配（见右表），找到最佳的匹配效果。

在热源方面，先尝试用实验室常用的热源——酒精灯替代太阳，实践中发现酒精灯虽然比阳光要稳定，但是辐射量少，必须在较近的距离内使用，这样在操作中就容易引发安全隐患。随后又尝试从学生熟悉的生活中去寻找其他热源，最终确定了使用小号浴霸灯这一稳定、安全、可控制的热源作为实验器材，并在器材设计上加上灯罩来保护学生的眼睛（如图4）。

在感温材料方面，要满足能够与温度传感器探头契合的、有不同种颜色的选择，基于这两点，教师最先尝试的是彩色纸卷，但是在实践中发现，不同彩色纸的颜色存在色差，除此以外，因为是手工做的，加工的过程中难免在厚度、间隙等方面有差异，对实验结果有一定的影响。之后教师又改用了标准化的乐高块，但乐高块本身是热的不良导体，存在传热慢的问题，因此最终将材料锁定在了金属螺母，效果虽然比前两种材料好，但是辐射面比较小，也不能将温度传感器敏感的探针前段完全遮挡，几经尝试后才改用了特殊的长金属螺帽作为感温材料。