蘇雅萍 吳怡

摘要：本文基于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及小學(xué)科學(xué)學(xué)情現(xiàn)狀，嘗試將S4A作為小學(xué)科學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的載體。作者以“水的溫度變化”和“節(jié)約能源與開發(fā)新能源”兩個(gè)實(shí)驗(yàn)為例，分別設(shè)計(jì)了S4A教學(xué)和傳統(tǒng)教學(xué)并進(jìn)行對比，探索S4A在科學(xué)實(shí)驗(yàn)以及促進(jìn)小學(xué)生自主探究等方面所起的作用，明確其在自動化、高精度獲取可視化數(shù)據(jù)及拓展教學(xué)方面的優(yōu)勢，指出教師可根據(jù)實(shí)際，有選擇地將S4A融入小學(xué)科學(xué)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：S4A;科學(xué)實(shí)驗(yàn);自主探究

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2019）19-0070-04

● 引言

S4A原意是Scratch for Arduino，是Scratch為支持Arduino硬件而做出的修改版本，也可以理解為它是Scratch傳感器板的一個(gè)升級版本。[1]在中小學(xué)的創(chuàng)客教育和信息技術(shù)課程中，一般將Arduino作為微控制器，可以和多種類型的傳感器、電子器件連接，配合Scratch進(jìn)行創(chuàng)意電子作品制作。在某個(gè)方面，S4A也可以理解成是Arduino及電子模塊等硬件與Scratch軟件的結(jié)合。它將“做中學(xué)”融入教學(xué)過程，讓學(xué)生在創(chuàng)造和制作過程中獲取知識，并將學(xué)到的知識應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中。

在小學(xué)科學(xué)課程的探究實(shí)驗(yàn)中，有些實(shí)驗(yàn)因?yàn)閭鹘y(tǒng)操作導(dǎo)致數(shù)據(jù)不可定量、實(shí)驗(yàn)精度和效率低，無法有效促進(jìn)學(xué)生拓展、聯(lián)想、猜測能力的提升。[2]隨著數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在課堂的運(yùn)用，部分教師開始嘗試將Arduino配合傳感器進(jìn)行數(shù)字化實(shí)驗(yàn)來解決傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的不足，微控制器與傳感器的運(yùn)作需要一種編程語言形式作為中介，較為常見的是C語言，但對小學(xué)生來說，他們難以看懂以C語言為主的文本編程語言，更不要說學(xué)會獨(dú)立編寫。相比之下，S4A在促進(jìn)小學(xué)科學(xué)教學(xué)方面有其優(yōu)勢：一方面，它作為實(shí)驗(yàn)教具，保證了實(shí)驗(yàn)精度和效率;另一方面，S4A的多樣性和深度可以讓學(xué)生持續(xù)學(xué)習(xí)，特別是與項(xiàng)目結(jié)合的時(shí)候，學(xué)生的態(tài)度和學(xué)習(xí)動機(jī)非常高。[3]

● S4A教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的對比

1.“測試水的溫度”實(shí)驗(yàn)對比

在“測試水的溫度”實(shí)驗(yàn)中，教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生認(rèn)識不同溫度的水在相同時(shí)間內(nèi)的變化。

（1）傳統(tǒng)教學(xué)

a.探究問題：常溫下，兩個(gè)燒杯中的水溫變化一樣嗎？

b.教師講解：“水的溫度測試”實(shí)驗(yàn)的過程，如圖1～圖3所示。

c.猜測假設(shè)：學(xué)生猜測兩個(gè)燒杯中水溫的變化趨勢。

d.分組實(shí)驗(yàn)：首先，在實(shí)驗(yàn)過程中注意溫度計(jì)不可離開液體也不可觸碰燒杯;其次，觀察過程視線要與溫度計(jì)液面最低處等平，在十五分鐘內(nèi)每隔兩分鐘記錄一次數(shù)據(jù)，得出水溫變化趨勢（如圖4）。

（2）S4A教學(xué)

a.探究問題：常溫下，熱水和溫水的溫度變化會一樣嗎？

b.教師講解：“水的溫度測試”實(shí)驗(yàn)的過程。

c.猜測假設(shè)：學(xué)生猜想兩種燒杯中的水在常溫下的溫度變化趨勢。

d.分組實(shí)驗(yàn)：搭建硬件，將LM35溫度傳感器連接至Arduino;理解試驗(yàn)程序，并運(yùn)行程序（如圖5）。

（3）S4A和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對比（如表1）

結(jié)合圖4和圖5可以看出，S4A實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)都能正確反映實(shí)驗(yàn)結(jié)果，說明S4A和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)都能保證數(shù)據(jù)的精確。但學(xué)生在進(jìn)行傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的過程中，可能會因?yàn)椴僮鞑划?dāng)形成誤差，數(shù)據(jù)能否精確不能保證，同時(shí)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)讀取溫度和繪制圖形需要擠占大部分的課堂時(shí)間，這勢必會縮減觀察和討論時(shí)間，導(dǎo)致學(xué)生無法將注意力集中在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察上。

相比之下，利用S4A自制教具首先滿足了高精度、自動化獲取數(shù)據(jù)和繪制圖形的需要，幫助學(xué)生成功完成實(shí)驗(yàn)，為實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和討論留出時(shí)間;其次，利用S4A可以促進(jìn)學(xué)生對數(shù)學(xué)知識的理解和編程興趣[4]，在S4A中涉及到如相對位置、邏輯運(yùn)算和四則運(yùn)算等中高年級知識，教師可以將等待完整數(shù)據(jù)的教學(xué)時(shí)間充分利用起來，讓學(xué)生在潛移默化中理解數(shù)學(xué)概念。

2.“節(jié)約能源與開發(fā)新能源”實(shí)驗(yàn)對比

在“節(jié)約能源與開發(fā)新能源”實(shí)驗(yàn)中，需要學(xué)生明確可再生能源與不可再生能源的區(qū)別，區(qū)分不同能量的來源，引導(dǎo)學(xué)生從身邊小事做起節(jié)約能源。

（1）傳統(tǒng)教學(xué)

a.探究問題：白熾燈與熒光燈哪個(gè)效率更高？

b.教師講解：將瓦數(shù)相同的白熾燈和熒光燈同時(shí)開啟，10分鐘后用溫度計(jì)讀取二者溫度，并記錄數(shù)據(jù)。

c.猜測假設(shè)：學(xué)生猜想白熾燈和熒光燈將電能轉(zhuǎn)化為光能的效率。

d.分組探討：溫度和光能之間的關(guān)系;收集關(guān)于開發(fā)新能源的資料，匯報(bào)自己的觀點(diǎn)和看法。

（2）S4A教學(xué)

a.探究問題：以電燈為例，談?wù)勅绾喂?jié)約電能。

b.教師講解：將瓦數(shù)相同的白熾燈和LED燈同時(shí)開啟，利用光敏電阻傳感器讀取二者的亮度，并記錄數(shù)據(jù)（如下頁表2）。

c.猜測假設(shè)：學(xué)生猜想其他節(jié)約方式，如定時(shí)關(guān)閉、自動調(diào)整亮度等。

d.分組實(shí)驗(yàn)：利用現(xiàn)有的電子模塊和Arduino，搭配Scratch設(shè)計(jì)制作一個(gè)節(jié)能電燈。

（3）S4A和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)對比

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)用測溫來推理光效率的方式，不僅費(fèi)時(shí)，而且需要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思維轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)本身不能直接得出LED燈發(fā)光效率更高，它需要學(xué)生理解同樣瓦數(shù)的燈泡，其溫度越高則電能轉(zhuǎn)化為熱能越多，因此光能越少。而通過S4A改進(jìn)教學(xué)思路，利用光敏傳感器輸出電壓與光照度呈線性的特點(diǎn)[5]，等電燈發(fā)光穩(wěn)定后即可得到光亮度，結(jié)果明顯又精確。

傳統(tǒng)教學(xué)中分組資料收集和匯報(bào)的方式過于單一，且收集資料對學(xué)生來說可能會有些枯燥，未必能達(dá)到讓學(xué)生從身邊小事做起節(jié)約能源的目的。而引導(dǎo)學(xué)生借助S4A基于日常生活中接觸的節(jié)能電燈進(jìn)行創(chuàng)意電子產(chǎn)品制作（如表3），能讓學(xué)生在探索、研究、實(shí)踐、分享的過程中，整合不同學(xué)科的知識，也改變了以往教學(xué)方式過于單一、學(xué)生被動學(xué)習(xí)的低效課堂模式。[6]同時(shí)，互動產(chǎn)品的制作，從設(shè)計(jì)草圖、選擇適當(dāng)材料、利用編程技術(shù)和相關(guān)電子器件進(jìn)行產(chǎn)品搭建及后續(xù)的改進(jìn)，一定程度上體現(xiàn)了技術(shù)與工程的思想。

● S4A在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用策略

S4A在探究實(shí)驗(yàn)中可以幫助教師改進(jìn)實(shí)驗(yàn)，提升實(shí)驗(yàn)精度和效率;作為實(shí)驗(yàn)載體，S4A可引導(dǎo)學(xué)生自主探究和提升相關(guān)設(shè)計(jì)、計(jì)算及制作能力。因此，教師在教學(xué)過程中可從實(shí)際出發(fā)，有選擇地使用它。

首先，選擇S4A提高教學(xué)效率。利用S4A自制教具免去了機(jī)械枯燥的觀測操作，同時(shí)這也是實(shí)現(xiàn)定量化研究的良好方式，如蠟燭燃燒的實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中學(xué)生單憑眼睛觀察很可能會誤認(rèn)為燒杯內(nèi)蠟燭熄滅是因?yàn)闆]有氧氣，不能明確熄滅是因?yàn)檠鯕夂康蚚7]，而用S4A搭配氣體傳感器來自制教具，學(xué)生可以得到量化的結(jié)果進(jìn)行分析。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和S4A實(shí)驗(yàn)在幫助學(xué)生獲取精準(zhǔn)數(shù)據(jù)和結(jié)果分析方面基本一致，但在保證較高的教學(xué)效率的情況下，教師可以選擇S4A來進(jìn)行教學(xué)。

其次，合理確定S4A教學(xué)角色。由于不同學(xué)段和地區(qū)的學(xué)生對Arduino和Scratch的接觸程度不同，在小學(xué)低年級的教學(xué)中，教師可以將S4A作為實(shí)驗(yàn)教學(xué)的載體，學(xué)生只需要學(xué)會搭建S4A的實(shí)驗(yàn)教具來觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果、獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和形成科學(xué)概念。但在小學(xué)高年級學(xué)段，由于信息技術(shù)課程已經(jīng)開始教授Scratch，因此引導(dǎo)學(xué)生將S4A作為自主探究的載體，能夠改變單一的教學(xué)方式，讓學(xué)生將所學(xué)帶出教室，立足現(xiàn)實(shí)需要，在家庭、社區(qū)等場所通過團(tuán)隊(duì)或個(gè)人的形式開展科學(xué)活動。

最后，避免機(jī)械使用S4A。S4A在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中一般是作為科學(xué)數(shù)據(jù)獲取和探究、學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)意思維、實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的途徑，而在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和S4A實(shí)驗(yàn)結(jié)果精確度差別不大的情況下，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在觀察和繪圖方面具有較大優(yōu)勢。當(dāng)然，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和S4A實(shí)驗(yàn)并不矛盾，若是能夠?qū)⒍呓Y(jié)合教學(xué)或者對比教學(xué)，發(fā)揮雙方的優(yōu)勢，教學(xué)效果會更好。

● 結(jié)語

總之，S4A可以助力小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)朝著更加嚴(yán)謹(jǐn)、多樣的方向發(fā)展，它既能加強(qiáng)學(xué)科融合，也可以避免因?qū)嶒?yàn)器件老舊、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容落后帶來的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確等問題。同時(shí)，它可以增強(qiáng)學(xué)生的探究意識和實(shí)踐能力，所以教師可根據(jù)教學(xué)的具體要求，有選擇地開展S4A實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡介：蘇雅萍，福建師范大學(xué)在讀碩士，研究方向?yàn)榭茖W(xué)與技術(shù)教育。

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