巧用传感器突破科学教学难点促进学生素养发展

路虹剑

摘要： 师生借助传感器观察和测量，实验数据精准，探究效率大大提高。为解决小学科学教学中为用传感器而用，甚至因为使用了传感器导致弱化学生学习深度的问题，教师应将传感器用于人的感官难以获取信息和需要精准测量的实验，多角度获取证据，培养学生批判质疑精神;深度推进探究进程，助力学生科学思维发展;开展“科学创客”活动，促进素养发展。

关键词：传感器;小学科学;探究教学;学生素养

随着科技的不断发展，传感器已经被广泛应用。所谓传感器，就是能感受被测量的信息并按照一定的规律转换成可用信号进行输出的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。教育信息化从1.0步入2.0后，教育生态发生着巨大转变，传感器在小学科学教学中也得到了应用。但笔者在听评课中发现，教师使用传感器存在一些问题。在关注学生素养发展的今天，传感器的作用不再是简单地支持与增进科学教学效果，而是使学生在“技术使能”作用下真正得到全面发展。

一、小学科学教学中传感器应用问题

小学科学实验活动呈现多样化和自主化趋势，给教师自主选择和创新实验方法营造了空间。很多科学实验需要获取数据并进行比较，或者需要用显微镜进行观察，因此传感器有很大的应用空间。但在有些利用传感器的教学中，笔者除了看到教师教得比较轻松顺利外，并没有发现比传统教学手段有更多的优势和作用，甚至反而造成教学价值的缺失。

例如，对于观察细胞、微生物的教学，有些教师会借助显微镜摄像头的图像传感器将显微镜放大的样本图像输送到大屏幕上，组织学生进行观察并加以讲解。这样做，避免了学生操作显微镜寻找样本可能出现的种种状况，大大加快了教学节奏，甚至有了更多的时间来丰富教学内容。但笔者发现，在这样的课堂上，学生从开始看到一个细胞的惊叹到看各种细胞似乎都一样的麻木，学习兴趣随着教学的推进逐渐下滑。因为他们丧失了动手的机会，丧失了自主去寻找、去发现而获得惊喜的机会，最关键的是整节课他们在经历以教师讲授为主的教学。

又如，对于热传导的实验教学，传统手段是在铜棍上分段抹上凡士林，并粘上小棍，用火给铜棍的一端加热，观察小棍掉落的顺序，从而推断热是从物体的高温部分传向低温部分。教师组织这个实验活动，有时会因为各种原因造成小棍掉落的顺序不符合预期而影响学生发现规律。于是有些教师就选用温度传感器观测铜棍不同位置的温度变化情况，通过数据分析得到结论。这里使用温度传感器，并没有改变探究教学的模式，该有的提出问题、作出假设、制订计划、搜集证据、处理信息等探究要素也都存在，只是获取证据的方式变了，变得更加具有科技含量，且提高了实验效率。但是，小学生获得的科学概念一般属于现象论下的概念水平，概念建构过程更多是基于形象思维，即学生在看到事实现象的过程中深化理解。笔者认为，对于热传导的探究，利用传感器显示抽象的数据并无优势，而利用直观的实验现象引导学生学习更适宜。

由此分析，教师利用传感器开展小学科学教学，不应该只是为了简单、顺利地获取一个结果信息，而要促进学生学习，使其提升素养。上述案例中并不是不能用传感器技术，而是要适当使用，朝着发展学生素养的目标而努力。

二、运用传感器改进小学科学探究教学手段，突破教学难点

（一）运用传感器获取人的感官难以获取的信息

所有实验活动都离不开观察，但人的感觉器官的灵敏度和精度是有限的。因此，一些实验观察活动必然需要传感器的支持，但一定不要为用而用，而是起到不可替代的作用，解决学生观察获取信息的难题。

例如，教师讲授噪声防治时，布置项目任务让学生制作简单的隔音装置，探究不同材料和结构的降噪效果，但是仅凭耳朵去识别效果肯定不好，这时借助声音传感器技术下的分贝仪来探究就是一个很好的选择。在这个实验活动中，为避免各组相互干扰，教师将分贝仪放在制作好的隔音小盒里让学生实验，对数据进行比较，评估装置的隔音效果。

（二）运用传感器获取精准数据，解决测量实验的难题

小学生动手能力不强，在一些精准性要求较高的实验探究活动中经常问题频出，尤其是测量数值类的实验，往往会收集到误差比较大甚至错误的数据，直接影响结论的生成。教师可以借助相应的传感器解决误差过大的问题。

例如，在研究影响摩擦力大小因素的探究实验中，学生需要用测力计在不同粗糙程度的接触面上水平匀速拉动小车，并读取测力计的数值。但学生的实验操作和读测力计读数中都会有误差产生，有的误差会导致错误结论。这种情况下，教师往往不容易捕获每个学生形成误差的原因，只能通过经验告知他（她）数据偏差可能是何种原因所致，于是学生不得不接受多数组的数据和结论。此时，教师选用精度很高的电子推拉力计可以从操作层面避免误差的产生，大大提高教学质量。

（三）运用传感器改进实验，正确对待学生的质疑

小学阶段的科学探究往往受实验条件制约，干扰因素较多，处理不好就会出现与科学概念不相符的现象和结果，有時学生会有其他解释，这会严重影响学生的学习。教师可以运用传感器改进实验，设计更严谨的探究活动，解决学生质疑实验结果甚至结论的问题。

例如，小学科学教学开展热辐射的探究教学时，往往是在常态环境下做实验，学生总会质疑空气对流在其中起到的作用。一些教师用权威压制学生的这种想法。其实，教师营造一个近乎真空的空间，学生就容易接受了。

教师找来一根密封玻璃管，将里面的空气抽出，让学生用光源直射和斜射管子，观察管内温度是否发生变化且会如何变化。此时，如果管内放置的是常用的温度计就不利于准确测量和学生读数了，于是，教师采用温敏电子温度计让学生观测（数显部分留在瓶外）。这个实验活动让学生很清楚地看到数显屏上的数字在光照瓶子下会增大，且对比光直射瓶子和斜射瓶子时，屏显上数字增长的速度和停止的数值均不同。学生通过数据分析，认识到存在热辐射，并知道光直射一个区域时，这个区域的温度比光斜射时高，同时理解了为什么每天早晚凉而中午热。

又如，对于空气是否有质量的探究活动，教师同样运用传感器改进实验，解决了学生实验操作结果与概念不相符的问题。传统实验方案是：教师用线绳提起一根直棍，在直棍两侧分别挂一个气球并调平，然后吹起一个气球让学生观察现象。这个实验并不复杂，但操作难度较大，吹鼓气球时很容易移动棍子上挂在三处的绳子，失去平衡致使结果不可控。此外，吹鼓的气球受到更大的空气浮力，也可能导致结论错误。同样选择一个密封的瓶子，教师用力敏电子秤称量有空气和被抽出空气的瓶子质量，通过数据之差准确反映事实，有效帮助学生构建了空气有质量的概念。

三、在探究教学中利用传感器促进学生素养发展

（一）运用传感器多角度获取证据，培养学生的批判与质疑精神

虽然很多科学结论暂时还停留在假设的层次上，但小学科学学科探究的科学问题都是在实证基础上形成的科学结论。教师从学生角度去审视所有探究学习内容，会发现有些活动只是获得了一方面的证据就形成结论了。从多年教学情况来看，学生一般不会质疑，但不能否定有些学生内心是有疑惑的。这样的探究不利于学生素养发展。

例如，引导学生观察蒸发现象时，很多教师会用湿抹布擦黑板创设情境，待黑板上的水看不见了以后提出问题“黑板上的水到哪里去了”。有的学生说“渗进黑板里去了”;有的学生说“变成水蒸气飞进空气里了”。还有一些学生持“水就是消失不再存在了”的观点。对于这个观点，有些教师误以为转换了其他形式存在就被忽略掉了。其实，这些学生的观点就是不再有这部分物质，即绝对消失。

教师在探究教学中必须纠正学生的错误认知。传统实验方案是：证明水没有进入黑板里面去，于是学生相信水进入到空气里了，加上他们有一定知识储备很容易接受这个说法。但从探究学习概念的意义构建角度看，这多少违背了教学要求。要解决这个疑难问题，必须用实证探究，这时传感器就能发挥关键作用了。

教师组织学生用电子秤称量一块小黑板的质量并做记录，再用湿抹布将小黑板擦湿，称量质量并记录。接着，学生用灯照射，观察水变干的过程，并记录电子秤上数值的变化情况。学生分析数据发现，水完全看不见后，电子秤上的数值恢复到了只有小黑板时候的数值，这说明水并没有进入到黑板里。那还有两种可能：一个是变成水蒸气进入空气中，一个是真的消失掉了。

教师接着提供了湿敏湿度计做实验。学生再次将小黑板擦湿，并将湿度计置于小黑板上方，他们发现水在变干的过程中，湿度计上的数值呈现上升趋势。于是，学生基于数据事实否定了“消失”的观点，一致构建了水变干就是变成水蒸气进入空气里的认知。

这节课里，传感器的作用就是将原本不可实证的部分做到实证，实现学生多视角审视并解决问题，培养批判质疑精神，发展探究实践素养。

（二）运用传感器深度推进探究进程，助力学生科学思维发展

科学思维是小学科学学科核心素养之一。对某一节课而言，深度学习更多体现在学生思维的表现程度上，对于高年级学生，教师要给他们更多的挑战。在一些原本进行观察的学习内容中，教师让学生运用传感器和Arduino控制板组合进一步探究，会促进他们思维发展。

例如，教师设计了“暖和的房间”一课，以项目式学习的方式让学生探究空气热对流现象。教师设计了一个房间的模型，提出任务性问题“要给这个房屋安装暖气，这个暖气安在哪里效果最好呢”。基于生活经验，有的学生说安在墙靠近地面位置，有的说安在墙的中间位置，还有的认为是靠房顶的位置。

哪些学生的观点是正确的？教师分别将电热棒模拟暖气放在房间墙面的上、中、下三个位置，并提供香，从顶部往房间模型里放烟。学生则在“暖气”所在的三个位置分别观察烟的流动情况，从而推理热在里面是如何传递的，并基于烟流动现象的事实，得出“暖气装在墙面的下方效果最好”的结论。

一般情况下，这节课的概念构建就会在这样一个模拟实验中，通过转换法进行观察解释就结束了。但教师为了学生的探究学习更有深度，证据更充分，又提供了温感器与Arduino控制板，让学生用数据进一步证明暖气装在房间墙体下面效果最好。

如图1所示，当电热棒所模拟的暖气分别置于房间模型的上、中、下位置时，温感器感应的房间温度从22 ℃到24 ℃需要的时间（25 ℃是此时教室里的温度），分别用了6分46秒、5分4秒和3分4秒，学生通过对数据的比较分析进一步证实了“暖气安置在房间墙体下面效果最好”的结论。

学生在这次学习中，首先基于生活经验进行猜想，并基于烟的流动提出假设，最后运用信息技术手段获得证据完成探究学习任务。在这个过程中，学生的思维始终活跃着，他们会利用不同层次的证据进行科学推理，从而构建科学概念。

（三）运用多种传感器开展“科学创客”活动，促进素养发展

教师使用传感器，不能满足于简简单单实现观察信息的获取，而要促进学生发展。科学课上，学生经常使用传感器开展探究学习活动获得证据，同时他们逐渐地也会对用传感器解决问题越来越感兴趣。教师应该提供给学生学科学、用科学的机会，让他们合作解决真实问题，使素养得到全面的发展。

北京市东城区史家胡同小学的学生在看到教师每天中午都要很辛苦地推着很沉的饭车给每个班送饭时，就产生了一种设计一款自动送餐车的念头。学生在教师的组织和指导下，借助多方力量，经过几轮的设计，最终制造出一款“智能送饭机器人”。这款机器人通过色敏感应器，识别食堂到班级之间地面上贴的不同颜色的色带前行;头部设有红外线感应器，能感应一定距离里的障碍物，当有学生从前方经过时，就会停下来等待;头部装有一对类似于昆虫的触角（触感器），一旦红外线感应器失灵，这就是第二道安全防线，触角碰到障碍物时机器人会立即停止前行。学生制造这款机器人还应用了一些其他技术，用以实现不同功能。

这款机器人虽然是模型，但实现了基本功能。机器人设计与制造得到了学校、教师的支持和指导，以及社会多方力量的技术帮助，但基本创意、设计与实验都是学生自己完成的。实践过程中的学习最为真实，学生素养也会得到很好的发展。

传感器替代人的感官从自然世界获取信息，但教师不能只为教学顺利推进而无限制地选用传感器，在所谓的顺利过程中要思考，是否简化了实验活动同时也简化了学生的思考。如果简化了学生思考，是否会弱化学生素养的发展呢？教师运用传感器开展小学科学的探究教学，一定是为学生的学服务，为学习目标达成和素养发展服务，而不是为了教师教起来简单。

注：本文系北京市教育学会“十四五”教育科研课题2021年度一般课题“以科学创客教学模式实施小学科学教学的研究”（课题编号：DCYB2021-304）的研究成果之一。

参考文献

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[2] 王文静.基于情境认知与学习的教学模式研究[D].上海：华东师范大学，2002.

[3] 约翰·D.布兰思福特.人是如何学习的：大脑、心理、经验及学校[M].程可拉，孙亚玲，王旭卿，译.上海：华东师范大学出版社，2012.

（作者系北京市东城区教育科学研究院教研员）

责任编辑：祝元志