利用信息技术创新教具提升科学探究活动的有效性

【摘要】本文基于小学科学部分教具存在操作烦琐、现象不明显或难以被观察等问题，建议教师借鉴教材实验的原理、借助一定的信息技术手段对教具进行改进，从而有效提升科学探究活动的有效性，更好地达成教学目标。

【关键词】科学 信息技术创新教具 探究活动 有效性

【中图分类号】G62 【文献标识码】A

【文章编号】0450-9889（2022）13-0093-04

小学科学是一门实践性课程，探究活动是学生学习科学的重要方式。在探究活动的八大环节中，收集证据和处理信息是否科学、高效直接影响该实验乃至该节课的有效性。影响学生在探究活动中收集证据、处理信息的因素有很多，其中实验方法及教具的选用是关键之一。部分现有教具因需要兼顾成本和通用性而存在一定的局限性，导致一些探究活动的操作过程设计繁杂低效，现象不明显，学生难以运用感官直接观察、感受，阻碍了教学目标的达成。

“磁的认识”这一板块的探究活动便存在这样的情况。由于磁无法被人体的视觉、触觉、听觉、嗅觉等感官直接感知，因此在具体教学中，教师往往需要通过转换法将磁信息转换为其他形式呈现。以教科版科学六年级上册《电磁铁的磁力》为例，在比较不同电池数量组成的电磁铁磁力大小的实验中，为了测量和比较磁力，学生需要将电磁铁产生的磁力转换为吸引大头针的个数进行比较，这样的操作较为繁杂低效。同时，每变更一种影响电磁铁磁力的因素，就要重新安装一次电磁铁，这无形中会消耗大量的课堂时间。为了让探究活动更高效，让现象和数据更明显和直观，更便于学生分析比较、发现规律，在准确把握这一课的探究活动目的及重难点的情况下，笔者借鉴教材实验的原理，借助一定的信息技术手段，尝试对教具进行改进，以创新的测量方式和直观的现象、数据呈现形式改进课堂教学。

一、以学定教，明确改进目标

发展学生科学素养是小学科学课的重要目标，因此该课程一切有关教与学的行为都应该围绕该目标展开。对于教具的改进创新也是这样，一切教具的改进与创新都是为了更好地达成教学目标和发展学生的科学素养。这就要求教师明确科学课堂中每一个探究活动的目标，充分把握每一个探究活动的编排意图。否则，很容易出现改进后的教具不仅不能提高探究活动效率，还会出现干扰因素多、误差大等情况。

在《电磁铁的磁力》一课中，第一个探究活动——验证电磁铁的磁力大小与哪些因素有关是本节课的重点，这一活动的有效开展有助于学生对电磁铁全面的认知。因此，改进的目的需要明确，即提升学生探究电池数量、铁芯粗细长短等因素与电磁铁磁力大小关系的活动效率，减少不必要的干扰因素，让学生运用高效、直观的数据分析方式比较、发现电磁铁磁力大小与多个因素的关系。改进教具、优化数据采集方式，提升学生测量各种变量因素下电磁铁的磁力大小操作效率便可确定为改进的一个方向;另一个方向可以聚焦到探究活动的数据分析环节，通过改进教具让數据呈现更明显直观，排除不必要的干扰项，让学生能专注于数据的分析和比较。

二、分析原因，确定改进方向

教具的改进必须有针对性，针对的是导致探究活动效率降低的操作环节、容易出现误差的测量方式、繁杂的不直观的数据呈现形式。要发现这些问题，需要科学教师在课堂中时刻关注学生探究活动的开展，敏锐地洞悉学生在探究活动中出现的每一个问题，分析其背后的原因，从教学实践中发现问题，进而针对这些问题做出改进方案。

为了检验电磁铁磁力大小与电池数量、铁芯粗细、铁芯长短等因素是否有关，学生在这一课中需要依次测量不同变量下的电磁铁磁力大小。采用的操作方式是在铁芯上缠绕导线制作电磁铁，以吸引大头针数量的形式反映和比较磁力，同时为了减小误差、确保实验严谨性，每个变量都要重复测量三次，取三次测量的平均值进行比较分析。这样的实验编排，要想让学生在有限的课堂中都能完成，对教师和学生来说都有挑战性。通过教学反思，以及对多个班级的学生访谈，笔者发现导致探究活动低效、无效的原因主要有以下四个。一是学生反复缠绕线圈消耗了大量的时间与精力，导致每个小组只能在课堂上验证一至两种因素。在测量不同粗细、长短铁芯的电磁铁磁力时，学生需要反复解开导线更换铁芯，再绕回导线，并且每次都要高度集中注意力数线圈圈数，消耗了大量的课堂时间和注意力，导致在验证实验的操作中每个变量的控制均有可能发生偏差，同时学生也只能在课堂上验证一至两种因素，与高效课堂理念不符。二是大头针难数且易数错。教材实验设计采用了转换法的思维，将难以被观察的电磁铁磁力大小转换为更容易被观察测量的大头针重力大小，以吸引大头针数量的形式反映磁力大小。而在测量三颗电池等较大磁力的电磁铁时，电磁铁往往吸引起数十枚大头针，学生需要在有限的时间内数清大量的大头针，不但耗费时间，不便于数清数量，而且容易出现数错的情况。三是大电量的电池铁发热快，存在安全隐患。在测量大电量电磁铁磁力时，接通电源后电磁铁线圈发热很快，学生手拿电磁铁3次吸引大头针的操作稍慢，就极易烫伤手，存在安全隐患。四是表格式呈现数据不够直观，不利于发现规律。以数字表格的形式呈现数据，表格内数据繁多，呈现形式不够直观，不利于学生从中寻找各变量因素与电磁铁磁力大小的关系。从学生的实验记录表也可以发现，一些小组最多只能在课堂中完成两个影响因素的验证实验。有的小组同一变量的3次数值相差很大，阻碍了本课教学目标的达成。

进一步分析以上四点可以发现，制约整个探究活动有效性根本原因在于该实验零散的实验仪器、烦琐的操作方法和抽象的实验现象。因此，解决好这三个问题便是改进的方向所在。

三、精准施策，制订改进方案

小学科学实验教学的改进角度主要有改进实验方法、改进实验仪器两个方面。实验方法改进指的是在不改变实验原理和实验器材的基础上，调整和优化实验操作方法，以达到规范实验操作、提升实验效率、减少实验误差，让实验现象更明显、更容易被观察和感知的目的。改进实验仪器是指对实验仪器或材料的优化改进。它可以是用低成本、易取得的实验材料替换高成本或当地难以取得的实验材料，可以是用更适应当地资源环境或气候条件的实验材料替代不适合当地使用的实验材料，也可以是用能产生更明显的实验现象或更容易被学生观察和感知的仪器材料替代原有实验使用的材料，还可以是用模块化的、集成度高的实验套材替代零散的功能单一的实验材料，以降低学生的操作难度，提升实验的效率。实验仪器的改进往往也伴随着实验方法的改进随之变化。

为了让探究活动更高效，让电磁铁磁力大小对比的现象和数据更明显、更直观，结合教学实践中发现的四点影响探究活动有效性的因素，笔者借鉴教材实验原理，遵循控制变量法，自制了信息化创新教具电磁铁磁力实验盒，以创新的测量方式和直观的呈现形式助推高效课堂的形成。

针对课堂中出现的为了测量和对比不同电池数量、不同粗细、长短铁芯的电磁铁磁力大小，学生被迫完成反复缠绕导线、连接电路等烦琐耗时实验操作的问题，同时为了减少师生难以管理零散实验材料的困扰，笔者以优化实验方法为目标，从改进实验仪器入手，将电磁铁磁力与电池数量、铁芯粗细、长短关系等多个实验材料集中在一起，巧妙布局电路，封装在一个用亚克力材料制作的实验盒中，在改变实验仪器的同时，实验方法也得到了优化。实验时学生仅需连接对应不同数量电池的开关便可完成不同电池数量电磁铁的磁力大小测量。测量和对比电磁铁磁力时，由于电池已经被安装在电池盒内，且被固定在实验盒上并通过导线连接好，电磁铁也被安装在实验盒的固定位置，学生实验时无须再用手一直拿着电池和电磁铁，有效避免了因电磁铁发热产生的安全隐患。改进后的实验盒采用可更换铁芯的电磁铁，在测量不同粗细、长短铁芯的电磁铁磁力时，学生只需拔出电磁铁原有的铁芯，依次换入不同粗细、不同长短的铁芯即可开展电磁铁的磁力大小与铁芯粗细长短关系的实验，避免了每更换一次铁芯就要重新缠绕一次导线的烦琐操作，省去了反复缠绕导线的麻烦，大大提升了实验的时效性。

为了解决实验中现象观察和数据记录环节学生需要反复数大头针耗时、易操作错的问题，实验盒还在距离电磁铁一厘米处安装了一枚线性霍尔传感器，通过电子信息技术化手段采集电磁铁产生的磁信号，通过单片机将磁信号转换为电流信号输入计算机，再通过计算机软件生成的数据柱状图（如图1），将不同变量下电磁铁的磁力大小转化为柱状的长短，以更为直观的信息化方式呈现多组数据，更利于学生比较和分析数据，进而发现规律。同时，电磁铁和磁信号传感器被固定在实验盒上，它们之间的距离数据也一同被固定了下来，不会因为其他变量的改变而发生变化，从而使实验更为严谨，有效减少了误差的出现。采用电子信息化传感器取代传统的手动测量采集磁信号数据，学生在课堂中得以亲身体验新技术的出现和应用对人类生产生活的影响，感受到了科学技术进步给人类带来的便利，达成了信息技术课程标准中工程与技术板块关于“知道重大的发明和技术会给人类社会发展带来深远影响和变化”的重要教学目标。

改进后的教具在研发设计时充分考虑到课堂教学需要，同时结合小学科学仪器配备情况，制成本教具的主要零部件电池盒、开关、导线等均为小学科学实验室配备的材料，可更换铁芯的电磁铁、线性霍尔传感器和单片机在许多电商平台均有销售，易获取且成本较低。本教具将这些材料整合起来使用，学生操作简便快捷，数据呈现快速直观，大大提升了小学科学课堂教学的有效性。

此外，本教具中的线性霍尔传感器、单片机等电子信息化磁数据采集组件还可用于比较磁铁的磁力大小的实验教学中，既能在电磁铁模块中使用，又适用于磁铁模塊的实验教学，具备较强的通用性和实用性。该教具具有操作简单高效、数据呈现直观的特点，通过信息化手段减轻学生在课堂中机械性、重复性操作的负担，将实验过程合理化，更好地帮助教师和学生突破教学重难点，能让学生在课堂中拥有充足的时间验证更多影响电磁铁磁力大小的因素，帮助学生对电磁铁建立起更为深入、全面的认知，同时让学生真切地体验到了科学技术替代传统操作所带来的便捷性。

四、合理使用，提升探究活动的有效性

任何教学改进都是从课堂中来，再回到课堂中去。针对课堂探究活动出现的问题进行改进创新的教具，也要回到课堂中进行检验。创新教具在课堂教学中的使用要以学生的学为主，因此，使用新教具后对探究活动的方式方法进行调整也要遵循科学严谨的原则。本着以上原则，笔者将新教具电磁铁的磁力实验盒带回到课堂教学中，并对探究活动进行了重新设计。

探究电磁铁磁力大小与电池个数的关系的实验相对简单，实验教学活动中教师可围绕“电磁铁磁力大小与什么因素有关”这一问题，引导学生利用电磁铁的磁力实验盒展开验证实验，使学生在完成数据测量的同时熟悉电磁铁磁力实验盒的使用方法。有了电磁铁磁力实验盒的使用经验后，学生便可以借助该实验盒自主设计实验步骤，探究电磁铁磁力大小与铁芯粗细、铁芯长短甚至其他更多因素的关系。这样的探究活动过程设计，既能帮助学生快速接受并掌握新教学仪器的使用方法，又能为学生留下充足的自主探究空间，学生的科学素养和创新思维在课堂中均得到了有效发展。

笔者将使用原有教具与使用改进教具的两个班级进行对比后发现，课堂中验证电磁铁磁力大小与电池数量、铁芯长短、铁芯粗细关系的三个实验全部都能够完成的小组占比提升了33.4%，在三个实验中能够得出正确结论的小组占比均有不同程度的提升（如表1）。由此可见，使用该信息技术创新教具后，探究活动的有效性得到了明显提升。与之前相比，简化的数据采集方式和直观的数据呈现形式，极大地提升了探究活动的实效性。使用可更换铁芯的电磁铁省去了反复拆绕导线的烦琐操作，使学生能在课堂中对更多影响电磁铁磁力大小的因素展开验证。与之前只能验证一两种假设相比，学生的课堂体验大幅提升，亲手验证各个因素所带来的成就感和直观感受也是之前无法比拟的。

在科学课堂中运用信息技术手段对当今小学生来说既熟悉又陌生。熟悉是因为他们是在信息化社会成长起来的一代，陌生则是因为将信息化手段用于科学测量的机会并不多。信息化手段的使用固然能为学生带来许多便捷与乐趣，但也要辩证看待，绝不可剥夺学生操作原始材料带来的直观感受。在电磁铁这一单元的学习中，笔者并未全部放弃让学生在铁钉上缠绕导线的方式制作电磁铁，在本单元的前几课中，学生依然能够有机会体验制作电磁铁和使用电磁铁吸引大头针来感受磁力的存在。在学生有了之前的直观体验后，再在研究电磁铁磁力大小与电池数量、铁芯粗细、铁芯长短等因素关系的《电磁铁的磁力》一课中使用传感器采集数据，既提升了课堂教学效率，又减少了误差和干扰因素，达到了激发学生学习兴趣、提高实验教学效率的目的。

参考文献

[1]曾富源.提高小学科学探究活动的有效性[J].教育，2015（52）：25.

[2]阎冰杰.基于信息技术优化小学科学实验教学实践探究[J].中小学电教，2021（4）：93-94.

[3]覃勇.提高小学科学探究活动有效性的研究[J].广西教育，2021（17）：41-42.

作者简介：林凯（1987— ），广西南宁人，一级教师，研究方向为小学科学教育、小学科普教育。

（责编 黎雪娟）