DIS融入小学科学物质领域的教学实践

小学科学倡导探究性学习，探究活动是科学学习的重要方式。课堂上，学生亲历动手、动脑等实践活动，理解基本的科学知识，解决实际生活中的简单问题。在传统探究活动中，常由于测量工具不到位，导致获取数据不精确，实验结果出现偏差，进而产生推论不科学、逻辑不严密、科学概念建构出现困难等问题。随着现代教育技术的快速发展，数字实验系统（文中设备为朗威DISLab，下文统称DIS）融入课堂成为可能，它采用“传感器+数据采集器+实验软件包+计算机”的机制，克服传统实验的诸多弊端，有力支持学生的科学探究。

一、探索DIS融入的常用方式

DIS可以获得精准的测量数据，操作简单易上手，为探究实验提供新的设计思路，将不可见的科学现象通过数据反映出来。

1.数据精准化，突破认知疑惑

小学阶段是学生由具体形象思维向抽象逻辑思维的过渡阶段，他们更容易接受直观信息，对于抽象的逻辑推理存在认知困难。在探究活动中，测量数据一旦出现偏差，学生就会做出不合理的推断。学生难以理解在复杂状况下的各种干扰因素和操作误差，这就要求探究活动的流程要相对简单，测量的数据要更精准。

在学习三年级“水”单元时，学生在“水沸腾了”和“水结冰了”两个探究活动中，需要利用温度计测量温度，以了解水的冰点和沸点。在传统教学中，由于温度计的测量数值不够精准，导致学生对冰点和沸点产生了争议，课堂教学效果不佳。教师借助DIS让学生利用传感器获取精确的数据，从而清楚地看到温度的变化，实现科学概念的建构。

在DIS的助力下，学生对“温度影响水的三态变化”的认知更深刻。学生可以观测到同一杯水不同位置的温度也不相同、水在沸腾时温度保持不变、冰的温度比水的温度更低等现象。从不准确到准确、从不可见到可见、从不显著到显著，DIS使得测量获取的数值有质的升华。

2.操作简易化，降低设计要求

小学阶段是学生科学素养快速发展的时期。这一时期，学生的探究能力正处于初级阶段，对于步骤较多的探究活动，容易发生错误。因此，教师要合理分解复杂的探究活动，让学生明晰每个步骤的意义，并及时指导，确保他们能分步完成探究活动。

五年级“热”单元的“热在金属中的传递”和“哪个传热快”两个活动，由于热的传递过程难以被直接观测到，实验需要借助凡士林、蜡油、感温油墨等材料的辅助。事实上，学生利用凡士林将火柴固定到金属条上有一定的难度，需要花费较长时间。另外，火柴的固定方式、凡士林的使用数量、火柴与金属条的接触面积等因素都会影响实验的结果，导致学生做出错误的判断。教师可借助DIS让学生利用温度传感器，观测到金属条中的温度变化、不同的金属受热之后的温度变化。在数据的支持下，学生实现了从具象思维到抽象思维的转变过程，从而建构热传递概念。

3.结果可视化，建构抽象概念

在小学科学的教学中，物质领域的科学概念相对抽象，部分实验现象难以被直接观察到，有些探究活动不能通过实验直接验证，需要借助模拟实验，以思维迁移的方式达成认知目标。

在六年级“能量”单元教学中，学生通过测量回形针的数量来判定电磁铁的磁性强弱。当去掉铁芯之后，线圈自身无法吸引大头针，这对学生理解电磁铁的构造和功能产生不利影响。教师可以借助DIS将看不见的磁场以数据的形式呈现。学生通过数据的变化判断磁铁各个部位的磁性强弱变化，感受到磁铁磁性随着距离变化而改变，从而建构磁场的思维模型。DIS的数据显示正负，对应磁场的南北极，可以进一步帮助学生强化磁铁相关的概念体系。又如“声音”单元的教学中，DIS可以通过数据呈现声音的高低，对比声音振动的频率，帮助学生建立两者之间的联系。DIS将抽象化、不可见的现象以数据方式呈现，让学生有直观的认知体验，帮助他们建立概念体系。

二、做好DIS融入的各种准备

物理概念抽象性强，物质领域是学生的认知难点之一。小学科学物质领域内容主要指向物质的结构与性质、物质的变化与化学反应、物质的运动与相互作用、能的转换与能量守恒等学科核心概念。在实践中发现，将DIS融入小学科学教学会带来新挑战，如传感器的数据读取需要指导，数据获取的原理需要讲解，数据代表的意义需要阐述，等等。面对新挑战，教师要做好相关准备，探索DIS在小学科学教学中的有效运用。

1.梳理教材，找准融入版块

教师要对小学科学教材的物质领域内容进行梳理，从教材中寻找适用的版块，同步准备探究相关配套材料，合理调整和重组教学环节，找准DIS融入的相关内容，借助设备的独特功能，提升课堂效率。

通过梳理发现，小学科学3～6年级各册教材（教科版）中都有适用DIS的教学内容（见表1），这表明DIS在小学科学的探究活动中覆盖面广、利用率高。教师可以基于学生的认知水平，从单元教学的角度整体规划，做好DIS融入的筹备工作。

2.优化环节，明确融入路径

教师可以调整探究环节，使得DIS融入小学课堂的学教活动更舒畅，更契合小学生的认知水平。教师将DIS融入探究环节主要有前置、后置和置换三种不同的方式（见表2）。前置的作用在于铺垫，利用传感器对现象进行解析，通过数据强化现象的说服力。如利用传感器测试酒精灯火焰的温度，利用传感器测试阳光直射和斜射时温度的变化等。后置旨在突破认知，学生在探究活动中获得初步的认知体验的基础上，利用DIS获取的数据达成对原探究活动的强化作用，巩固科学概念。置换是指利用DIS替换原先的测量工具，当其他测量工具无法获得精准的数据时，利用传感器达到“破冰”效果。

将DIS融入教学，教师不仅要考虑探究环节的安排，还要考虑学生的体验感受，激发他们的探究欲望。教学四年级“声音”单元时，尺子和橡皮筋的振动可以被学生直接观察到，鼓面振动通过观察鼓面上微小物品的跳动来证实，音叉则需要放入水中，观察水面的波动。而借助DIS，学生能获取直观的数据，从而突破认知瓶颈，有效建立振动幅度和声音强弱之间的联系。

3.备好材料，丰富融入方式

DIS在小学科学课堂上的使用，需要相关教学器具的辅助，合适的材料有利于更好地发挥DIS的效果。教师基于小学生的认知特点，对探究活动的配套材料进行优化，使得他们能够获得准确的数据。学生能否接受传感器获取的数据，关键在于他们是否明晰数值代表的含义。学习四年级“声音”单元时，学生对于真空是否能够传播声音心存疑惑，教师将DIS融入教学后，可以同步检测容器中的空气含量与声音的强度，帮助学生建构科学概念。为了让DIS发挥更好的效果，教师可以在课堂中营造安静的环境，避免无关声音被传感器获取。

三、打造DIS融入的支持体系

为更好地发挥DIS的功能，教师要构建合理的支持体系，包括资源支持、人员支持、课程支持和评价支持，及时总结成功经验，让DIS在后续的教学中发挥更大的作用。

1.统计协同，依托数据发现规律

教师要对DIS获取的数据进行处理和分析，将数据蕴含的内在规律直观地呈现出来，引导学生通过逻辑推理得出相应结论，推进探究活动的顺利进行。教师在温度和水的变化、磁铁的磁性强弱、小车的运动速度等内容的教学中，融入DIS后可获取直观数据，利用图表将数据进行排列和统计，让学生能清晰地看到数据的规律，从而得出相关结论。DIS和统计软件结合，可以批量处理信息，提升探究实验的说服力，同时节省课堂活动的时间。例如，在温度和水的变化实验中，温度传感器可以每秒采集1个数据，数据采集准确、采集频率高，将温度的隐性变化变成显性数据，并自动转化为直观的图像，进一步提高了课堂效率。

2.单元协同，依托体系形成序列

教师可以将DIS融入单元教学中，采用统一的探究方式，让学生使用起来更顺畅，助力他们建构科学概念。教学“热”单元时，多个活动都需要测量温度，学生对DIS经历了从生疏到熟练的适应过程，在课堂上不断尝试，掌握传感器的使用方法后，课堂效率会显著提高。

在单元教学中，教师采用“DIS+实物模拟”的方式，可以将动态实验分解成静态片段，帮助学生分析数据，建构认知模型。教学“地球的运动”单元时，模拟实验中直射和斜射带来的温度变化很小，学生难以理解地球的位置变化会使阳光照射的角度发生变化，最终导致四季的形成。教师在模拟实验中融入DIS，可以灵敏地获取细微数据差别，学生以温度变化作为证据，诠释四季成因，实现从具象认识到抽象认识的转变。

3.拓展协同，依托课堂链接生活

除课堂教学外，DIS还可以应用到课外项目活动中，实现课堂内外探究活动的有机融合。在拓展性活动中，DIS突破内容束缚，使用更加灵活。例如：学生为了解学校内各个场所的噪音状况，利用传感器测试学校里的噪音状况；研究一天中影子的变化时，通过测试温度来研究影长和光照之间的关系；测量不同季节阳光的温度，进一步探索阳光的照射角度不同；研究光照对植物生长的影响，探索光线强度对植物光合作用的影响；利用测试水的pH传感器、溶氧量传感器、水质浊度传感器等，研究周边水体的水质问题；等等。

参考文献

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