数字化实验研析

王思绪

〔摘    要〕  数字化实验与小学科学实验教学的关系越来越紧密，数字化实验器材在小学科学实验教学中的应用，弥补了传统实验在培养学生创造能力和核心素养时的不足，使实验更直观、精确的同时，也拓宽了学生的视野与思考问题的角度。本文以《光的反射》为例，具体说明数字传感器在小学科学教学中的作用，并对传感器的使用做出思考。

〔关键词〕  小学科学；数字化实验；研析

〔中图分类号〕  G424                〔文献标识码〕  A         〔文章编号〕  1674-6317    （2024）  10    067-069

随着教育数字化战略的推進，数字化实验与小学科学实验教学的关系越来越紧密。数字化实验就是在数字化探究实验系统的帮助下完成科学探究实验，例如传感器等。在业内，数字化探究实验系统也被称作“数字化信息实验系统”，简称DIS。其在教育部颁布的装备标准中被称为“计算机数据采集处理系统”或“理科综合／生物／理科综合实验微机接口及辅助教学系统”，它是计算机信息技术应用到理科实验中的一种现代化实验平台。《义务教育科学课程标准》（2022年版）旨在培养学生的核心素养，为学生的终身发展奠定基础，引导学生掌握基本的科学方法，具有初步的探究实践能力和初步的技术与工程实践能力。而探究实践作为科学学习的主要方式，对于培养学生的创新能力、思维能力、探究能力有很重要的作用，教师如何根据课程标准和教学内容，利用传感器等数字化实验器材更好地引导学生进行实验探究，就显得尤为重要。传感器等数字化实验器材的使用有利于教师突破教学重难点、提高学生的学习兴趣、开阔学生的视野。传感器能提高实验测量的精度和速度，使实验现象更加形象，是常规实验仪器所做不到的，也是一种深层次的信息技术与传统实验的整合。这在教学中，不仅增强了学生的学习兴趣和对科学的喜爱，还能使学生比较牢靠地掌握所要学习的知识，并进一步领略到现代科学实验的技术和手段。

一、数字化实验在小学科学实验探究中应用的优点

科学实验对学生科学思维的培养与创新、从科学角度分析事物之间存在的联系与规律、用科学方法解决问题等方面有重要作用。小学科学课堂教学以探究实践为核心，学生在自主探究实践中收获相应的科学知识，得到科学思维能力的提升与核心素养的发展。数字化实验与科学实验教学相结合，对提高学生科学探究能力有很大的帮助。

（一）培养学生自主学习能力

相较于传统实验，数字化实验可以最大程度地发挥学生的主观能动性，让学生在自己动手操作的过程中，自己分析数据、观察现象，理解其中蕴含的实验原理，得出结论。学生利用实验得出结论，应用于实际并自主解决问题，充分发挥自主性，培养创新创造能力，其思维认识发展能力也可以得到提升。

（二）实验结果更准确

数字化实验以计算机信息系统运行，传感器和采集器使实验获取的数据更精确。由机器替代人工读取，在一定程度上避免了学生人手不足、读取时间错误导致数据出错等等原因所带来的实验误差。同时，数字化实验根据数据自动生成图像，学生可以更直观地实时观察到数据的变化，增加实验数据的精确度和实验结果的准确性。

二、传统实验的不足

小学科学课堂教学基本围绕探究实践展开，在大多数的教学中都需要学生完成实验活动。在传统的科学实验教学中，学生通过自己动手参与实验的过程，获得科学知识，解决实验问题，提高学习能力和自主学习能力，促进核心素养的发展。同时，传统实验也培养了学生了解、正确使用实验器材的能力，但在此过程中，也存在一些不足。

（一）部分实验数据不够精确

在小学科学教学中，“物质与能量”部分对于实验数据的精确度要求较高，失之毫厘，差之千里。而在现实的科学教学中，实验操作、实验数据的记录与分析基本都要依靠学生自己手动完成，受人为因素的影响大，在观察记录的过程中往往会出现数据偏差，导致实验结果不准确。同时，实验器材的精确度也会影响实验结果，器材的分度值范围具有局限性，数据精确度也会降低。

（二）部分实验效率较低

小学科学实验中的瞬发性实验对学生的注意力以及操作有所要求，人为因素影响很容易造成学生错过重要的实验现象，导致从头再来。一些需时较长的实验，其操作时间也会相应拉长，造成实验现象观察以及数据分析部分会被操作过程的时长所占，导致实验重心偏移。

三、数字化实验在小学科学实验探究中应用的实践

本文在小学科学课堂《光的反射》一课中，运用传感器进行进一步的实验探究。

（一）创设任务情境，引发学生兴趣

直接出示已经制作完成的光的反射现象玩具，将激光笔从入口射入，猜测光线会从A、B哪个孔出现？观察现象并思考：为什么光线会从玩具A孔出现？由此引出光的反射现象。通过直接出示制作玩具的任务，使学生意识到可通过改变光的行进路径改变方向，引导学生思考怎么样或者利用什么改变光的行进路线。学生知道了光的反射现象，却不清楚具体概念，这为后面明确光的反射定义并选择制作玩具的材料打下了基础。

教学片段一：

师出示玩具盒：老师今天带来了一个玩具，上面有3个孔，分别是入口与对面的A孔以及侧边的B孔，激光笔的光线从入口进入，会从哪个孔出来呢？

思考A与B孔哪一处的光屏上会出现光斑。

师展示玩具：光线从B孔出来了，为什么？

活动一：

过渡：光线为什么会从B孔出来？

学生说一说自己的猜测。（里面有镜片）

过渡：那接下来我们就利用镜子尝试使光线从B孔出来，做一做这个玩具。

实验：小组合作画出设计图并利用激光笔与光屏进行实验。

交流展示：学生交流自己的设计并展示最终结果。

提问：我们通过摆放镜片改变了什么？

明确光的反射概念：通过改变光的行进路线完成要求，光线照射到物体表面后会折返，这种现象叫作光的反射。

（二）明确任务，展开数字化实验

学生在亲历光的反射玩具之后，发现问题并需想办法解决问题：如何改进玩具以减弱光线强度，保证用眼安全？传感器的出现可以很好地解决问题，利用光强传感器，测试反射出的光线的强度大小，对比数据分析选择出最适合制作玩具的材料。

教学片段二：

活动二：

过渡：在尝试使光线从B孔出来的过程中你有什么感受？人眼可接受的光强度应＜2000Lux，介绍光强传感器，测试镜片反射出的光线强度是多少。

谈话：55000Lux远超出安全范围，怎么改进玩具，减弱光线强度，保证用眼安全？

学生思考如何改变光线的强弱（反射次数、颜色、材料……）。

谈话：今天这节课我们就先来研究材料。你能想到什么材料？为什么用这些材料来替换？（出示材料）这些材料可以帮助你们研究吗？你觉得哪个材料最符合要求？怎么设计实验？

学生小组讨论并分享交流。

实验：学生利用光强传感器，测试各材料从B孔反射出来后的光线强度数值，分析数据，选择最符合要求的材料。制作最终玩具。

汇报交流：总结我的发现，表面越光滑的物体，反射效果越好。

通过制作玩具，学生自己动手测试，认识到镜片可以改变光的行进路线，初步认识光的反射。在汇报交流之后明确光的反射定义，在做中学，体会科学研究的过程，激发科学探究的兴趣，符合学生的发展水平和认知特性，学生的学习热情被激发，能顺利完成操作。

课本上强调材料表面的光滑与粗糙，至于究竟有多大的区别，学生经常使用最直观的方式——用眼睛去观察。但在这个实验中，需要对比不同材料反射光的效果，那么，如何对比？用眼睛观察能否保证实验的精准？这时，可利用传感器测量不同材料反射光的效果，将感官转化为更直观的数据，提高实验的精确性。并且，直观地使用眼睛观察光线强弱以判断物体反射光线的强度往往具有主观性，因而就会出现各种不同的却又无法得到解决的问题。而利用数字传感器，在一节课的时间内将问题通过直接的数据得到解决，实验效率也大大地得到了提高，学生在做实验上的时间减少，就有足够多的自主思考和交流的时间。

数字传感技术因其具备很高的灵敏度，可用于捕捉实验中的微弱变化，同时，它能够连续采样，具有很强的数据收集和处理能力，能以数据或图形形式实时呈现实验结果。利用光敏传感器，将光线反射在不同材料表面，通过感应端，将光的反射效果数字化，学生读取显示屏上的数据，很容易就能得出结果，通过整理、分析数据得出结论。

（三）分析数据，层层递进

学生对比分析数据，得到最适合用于改进玩具的材料，认识到物体表面光滑程度会影响光的反射效果。学生在实验过程中，想办法改变光线强度，进一步对比观察几组反射物材料，发现物体表面越光滑，反射效果越好，在自主学习中归纳光的反射规律。最后，他们互相评价了解还有很多其他原因会影响光的反射，加深了对光的反射概念和规律的理解，课后，让学生继续寻找生活中的光的反射，提出“光污染”等现实生活中的问题，延续学习。

教学片段三：

活动三：

过渡：我们成功改进了玩具，做得怎么样呢？有没有达标呢？请按照这份评价表对你们的玩具进行公正评价，并根据今天这节课上自己的表现，完成小组合作评价表。

为什么大家都是按要求制作的，评价结果却有不同呢？在分析数据时，学生发现，黑色塑料片与白色塑料片虽然都是塑料片，但它们反射光的效果的数据却有差别，这时就又引出了另外一个影响光的反射效果的因素：相同材料不同颜色的物体，反射光的效果如何？由不同材料转向相同材料不同颜色，实验探究不断深入，提高了学生的思维水平与科学探究能力。

利用数字化实验优化科学实验教学，将实验生动化、形象化、直观化，激发学生的好奇心，学生能够更好地掌握科学知识，并将科学知识与实际生活联系起来，完成知识的内化。同时，可让科学学习更简便，学生在实验过程中不断发现新问题，强化自主学习能力，培養自己的科学思维能力。

四、结语

数字传感器的使用让科学课堂更精彩，实验操作更便捷，实验过程更规范，实验结果更直观，有效培养了学生科学、严谨的态度。但是，完全放弃传统实验教学的确定性，过度依赖传感器等数字化实验器材，会减弱学生自主思考的能力，弱化学生的操作、记录等重要能力的培养，学生会跳过更加重要的实验设计过程，摒弃更加重要的实验原理。所以，教师应根据教学内容与教学目标，合理、恰当地采用数字化实验，才能将数字化教学的益处最大化。

参考文献

[1]钱扬义，邓峰.数字化化学探究实验室的建设与学生探究能力的培养[J].中国电化教育，2006（11）：49-52.

[2]姚丽萍.传感器在力学实验中的应用[J].科技视界，2012（17）：116-117.

[3]徐睿.数字化实验的发展及建议：从全国化学实验教学创新参展作品说开去[J].中小学数字化教学，2020（8）：10-13.