小学科学与技术学科数字化实验的应用与研究

◎ 朱 钰

一、背景介绍

数字化学习手段和方式在教育教学领域的不断应用，影响着教育教学的内容与形式。《义务教育小学科学课程标准》在教学建议中指出“现代教学媒体及技术不仅可以为科学知识的学习服务，也可以为科学探究的学习服务，如利用数字化信息技术（Digital Information System，简称DIS）进行科学探究，通过互联网收集数据”。先进的数字化实验系统为传统的科学教学提供了新的契机，如何利用数字化实验系统促进科学学科的发展，加强小学科学实验数字化整合等问题，给科学教师的实验教学带来了新的实践与思考。

鉴于此，上海市虹口区小学科学与技术学科确定了“数字化实验系统在学习活动中的应用”区域教研主题，根据教学情境和实践的需要开展教学研究，形成解决问题的方法和经验。

二、实践研究，积累课例

确定教研主题后，我们在上海市中小学数字化实验系统研发中心的支持下，通过一系列的区域教研，以课例展示、专项培训、教学评优等形式，逐步、扎实地探索数字化实验系统在科学与技术教学中的应用，并积累了一些实践案例。

（一）适时补充，突破教学难点

教师运用数字化实验系统进行演示实验，能让实验获取平常肉眼难以观察到的数据和现象。小学生们在学习中运用多种感官，能更加直观形象地理解科学概念和科学原理，加深认知深度。

案例一：“分辨声音的高低”实验

“声音的轻响与高低”是低年级的教学内容。在本节课的教学中，学生要初步了解声音有强弱和高低的不同，并能在小组合作下对声音进行观察、比较，从而提高认识事物的能力。

声音是学生熟悉的自然现象。学生在日常生活中已经积累大量有关声音的感性认识，能比较准确地辨别柔和、喧闹的声音；也能准确辨别声音的强弱，但是对辨别声音的高低则显得比较困难。学生通常会把声音的高低和声音的强弱混淆起来。在本节课的教学中，教师的教学既有传统实验游戏“玩乐器”，又有数字化实验辅助教学，不仅能加强课堂教学的科技化和综合性，而且能很快帮助学生认识到声音的高低。

为了解决“如何分辨声音的高低”这一教学难点，教师采用了以下三种方法。

（1）玩口风琴：学生分别吹口风琴红色低音do 和蓝色高音do（红色与蓝色是教师预先标注的），初步感知有些声音高、尖，而有些声音低、沉。

（2）数字化实验辅助教学：教师用声波传感器分别测口风琴红色到蓝色之间发出的音，学生观察屏幕上图形的变化，进一步分辨声音的高低。

（3）分辨高低音：出示生活中不同情境下的声音，请学生分辨哪些是高音、哪些是低音，使学生了解生活中到处都有高低音，并达到巩固练习的目的。

以往在传统教学中学生只能依靠感官来对声音进行记录、描述和分析。在这个案例中，教师先请学生玩口风琴，听一听声音有什么不同，再利用声音传感器，把学生吹的声音用传感器记录下来，瞬间“看不见的声音”立刻清晰可见。而且学生不仅仅能看到声音，还能直观地观察音调高和音调低的声音形态。学生进行实验体验后，教师再次用声音传感器把数据录制下来并转化成图表，通过多次对音调高低的数据图像收集、展示，学生在玩、听、看的多种体验中，理解了音调高低的变化。

诸如此类型的实验还有“声音的反射、声音的传播、乐音及噪声”等与声音相关的教学；又如“摩擦生热——摩擦究竟产生的温度是多少”“水的浮力——沉在水中的物体是否受到浮力”“散热技术——温度下降的变化”“盐水导电吗——盐水浓度低就不能导电吗”“溶液的酸碱性——果汁的酸碱性”“水果电池——不同水果导电时的电流大小”等实验教学片段，都可以先通过学生运用传统实验器材进行实验，体验感悟。在学生实验的基础上，教师再利用DIS 进行演示实验，将“看不见的数据”或无法用传统实验器材收集到的数据，变成可以形象感知的图表，扫除学生在学习过程中的疑问和障碍，帮助学生理解科学概念和科学原理，使学生知其然并知其所以然。

（二）有效结合，发散学生思维广度

实验按种类可以分为验证性实验、探究性实验等，它们都依赖学生的自主参与，紧密结合科学知识的学习，通过动手动脑，亲自实践，在感知体验的基础上形成科学探究的能力。其中，探究性实验更强调激发学生采取多种方法开展探究。在开展实验设计方案时，教师要激发学生的发散性思维，引导学生思考：“为了搜集实验的证据，我们能做什么？我们需要做什么实验？这是一种好方法吗？这样做公平吗？我们能用其他方法吗？ 哪一种方案会更好一些？”

在设计实验方案时，教师也要鼓励学生在采用传统实验器材开展探究之外，还可以将数字化实验作为实验方案之一。数字化实验能有效快捷地帮助我们获取大量实验数据，清晰观察实验现象，深刻认识科学原理。因为无论是传统的实验器材还是数字化实验系统，两者可以相互融合，相互补充。

案例二：“比较磁铁的磁性强弱”实验

“比较磁铁的磁性强弱”是小学科学教学中的经典内容之一。教学伊始，学生进行“回形针接龙游戏”。学生发现磁铁有的部分回形针可以接龙很长，有的部分只能吸起一个回形针。这时引导学生思考：“为什么会出现这样的现象？是不是同一根磁铁有的部分磁性强、有的部分磁性弱？其他形状的磁铁都会有这种现象吗？”同时，教师启发学生思考还有哪些方法可以比较磁铁的磁性强弱，组织学生开展讨论，设计实验方案，探究磁铁的磁性强弱。学生们设计了多种实验方法，除了观察回形针的数量，如用尺测量吸回形针的距离，测试隔着几张纸能吸起回形针等多种实验，并记录分析数据，推断出相同的磁铁两端磁性最强，不同磁铁的磁性强弱有所不同，提升了对比实验中控制变量的意识与能力。

那么，磁铁各个部分的磁力大小到底是多少？有没有更清晰明了的实验观察方法？此时，数字化实验系统中的磁传感器可以用更准确的数据说话。学生利用手持式传感器，打开数据显示模块，只要将传感器的探针对着磁铁，就可以观察到具体的数字，利用手持式的磁传感器对着磁铁前后左右、上面下面等各个部分测试一圈，所显示的不同数据能使学生更形象地感知到同一块磁铁不同部位的磁性强弱不同（见图1）。

图1 数字化实验：磁传感器测磁铁不同部位磁性的强弱

同样在保温技术的教学中，教师可以指导学生利用数字化实验系统中的温度传感器测量不同杯子水温的微小变化，对实验数据进行采集。这些精确的实验数据能更好地帮助学生了解保温材料的性能，从而进行实验设计和改进。在“比较酒精灯火焰温度”实验中，传统实验教学可以采用火焰的不同部位加热，观察水温的变化；也可以利用一张卡纸放在酒精灯的火焰上加热，然后抽出卡纸，观察卡纸上留下的痕迹，分析焰心、内焰、外焰温度的不同。但现在有了数字化实验器材中高量程的温度传感器，只需将探针直接放在焰心、内焰、外焰的部分，就可以清晰知道各部分的具体温度，当测量到酒精灯外焰温度高达近800℃时，学生都惊叹不已。

当然，在实际教学中，应用数字化实验系统是为了帮助学生更为直观、清晰地学习科学内容。我们不能简单地应用数字化实验收集的数据来替代学生的思维过程，而应将数字化实验作为实验方法和手段对学生的学习进行有效补充和辅助。

（三）精确测量，用数据得出结论

数字化实验系统反应快、精度高，能瞬间记录大量数据，并转换成折线或图表形式，方便学生发现实验过程中数据的细微变化，将看不见或看不清的变化过程，变成看得见、看得清，并且看得更形象、更直观、更客观、更精确。因此，当传统实验受到器材限制需要反复测量，或者难以收集大量数据、难以观察到实验现象时，就可以采用以数字化实验为主的教学模式。

在小学科学教学内容有关“力”的实验教学中，弹簧测力计是传统实验的重要实验器材。然而，在进行课堂实验时，常会出现弹簧测力计因卡壳影响读数、在拉动中指针不停晃动难以读数、学生读数不准等问题，这些问题拖延了实验进程，占用了学生归纳整理、比较分析的时间。运用数字化实验教学后，可以最大限度地避免上述情况，节约获取数据的时间，提高获取数据的准确率，有效提高课堂教学的效率。

案例三：“探究斜面的作用”实验

“探究斜面的作用”是三年级的教学内容。本活动通过开展对比实验，探究斜面作用的过程，比较在不同斜面上拉小车用力的差异，了解斜面的作用，初步认识斜面这一简单机械。本活动有利于培养学生的动手实验能力和数据统计、分析归纳能力。

传统实验中，学生用弹簧测力计测量，并观察弹簧测力计读数的变化，记录力的大小数据变化（见表1）。为了保证数据的准确性，需要反复测量三次，再取平均值后分析得出规律，耗时长，且数据不够准确。

教师要详细指导实验过程和方法：实验前，首先要提醒学生将测力计调零。实验中，提示学生拉动小车时要保持匀速，且每次运动速度尽量保持一致，使用测力计拉动小车时，尽量保持测力计与斜面平行。这些要求对于三年级的学生来说存在较大的实验操作难度。

而运用数字化实验系统中的力传感器开展实验，则可以避免这些情况的发生，不仅采集数据的速度快，而且准确。学生可以根据自己设计的实验方案，有效控制实验变量，如：斜面的长度不变，倾斜角度发生改变；斜面的长度变化，但倾斜角度不变等；开展多组对比实验。从而通过分析大量数据，找出相同规律，得出实验结论：斜面可用于克服垂直提升重物的困难。斜面与平面之间的倾角越小，斜面越长，则越省力，但费距离。斜面与平面之间的倾角越大，斜面越短，则越费力，但省距离。

像这样的课例还有“杠杆”“单摆”“滚动摩擦和滑动摩擦的比较”“不同颜色吸收辐射热的比较”等，这些实验都需要反复测量，获取大量数据进行分析比较。运用传统实验教学，课堂教学时间非常有限，往往很难在一节课内完成所有的实验过程，而数字化实验则可以发挥很高的效率。

表1 实验记录

三、优势分析，形成经验

在区域教研时，我们多次针对数字化实验进行教学实践研究，将一些原本成功率不高的实验改为易操作、现象明显的实验。运用数字化实验进行教学具有如下优点。

第一，突出实验环节。有针对性地突出观察、建立模型、抽象、应用等实验环节，大量使用表格、图形方式记录实验数据，展示科学规律，提升学生对科学探究本质的认识。

第二，拓展实验范围。在保证课堂实验的基础上，师生可以积极开发日常生活中的小实验，加强科学教学与学生生活的联系。

第三，提高实验精度。促进了定性实验向定量实验的过渡，逐步养成学生科学实验的严谨性和规范性。

第四，凸显学生自主学习。将制作组装、调试操作、测量验证、数据分析等有机结合，提高学生的技术运用能力，体现学生自主实验和自主探究的过程。

区域教研活动通过主题教研、课例研究解决教学中的实际问题，为教师应用数字化实验

教学提供了交流、研讨和学习的平台。同时，区域教研还有针对性地进行教师培训，转变教师的教学理念，提升教师掌握先进数字化设备的技术操作能力，提高数字化实验器材的利用率，有效地把传统实验与数字化实验相结合，切实提高课堂教学的有效性，使小学科学与技术的实验教学不断焕发出新的活力。