◎ 朱 鈺

一、背景介紹

數(shù)字化學(xué)習(xí)手段和方式在教育教學(xué)領(lǐng)域的不斷應(yīng)用，影響著教育教學(xué)的內(nèi)容與形式。《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》在教學(xué)建議中指出“現(xiàn)代教學(xué)媒體及技術(shù)不僅可以為科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)服務(wù)，也可以為科學(xué)探究的學(xué)習(xí)服務(wù)，如利用數(shù)字化信息技術(shù)（Digital Information System，簡稱DIS）進(jìn)行科學(xué)探究，通過互聯(lián)網(wǎng)收集數(shù)據(jù)”。先進(jìn)的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為傳統(tǒng)的科學(xué)教學(xué)提供了新的契機(jī)，如何利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)促進(jìn)科學(xué)學(xué)科的發(fā)展，加強(qiáng)小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)字化整合等問題，給科學(xué)教師的實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來了新的實(shí)踐與思考。

鑒于此，上海市虹口區(qū)小學(xué)科學(xué)與技術(shù)學(xué)科確定了“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在學(xué)習(xí)活動(dòng)中的應(yīng)用”區(qū)域教研主題，根據(jù)教學(xué)情境和實(shí)踐的需要開展教學(xué)研究，形成解決問題的方法和經(jīng)驗(yàn)。

二、實(shí)踐研究，積累課例

確定教研主題后，我們在上海市中小學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)中心的支持下，通過一系列的區(qū)域教研，以課例展示、專項(xiàng)培訓(xùn)、教學(xué)評優(yōu)等形式，逐步、扎實(shí)地探索數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在科學(xué)與技術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用，并積累了一些實(shí)踐案例。

（一）適時(shí)補(bǔ)充，突破教學(xué)難點(diǎn)

教師運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，能讓實(shí)驗(yàn)獲取平常肉眼難以觀察到的數(shù)據(jù)和現(xiàn)象。小學(xué)生們在學(xué)習(xí)中運(yùn)用多種感官，能更加直觀形象地理解科學(xué)概念和科學(xué)原理，加深認(rèn)知深度。

案例一：“分辨聲音的高低”實(shí)驗(yàn)

“聲音的輕響與高低”是低年級(jí)的教學(xué)內(nèi)容。在本節(jié)課的教學(xué)中，學(xué)生要初步了解聲音有強(qiáng)弱和高低的不同，并能在小組合作下對聲音進(jìn)行觀察、比較，從而提高認(rèn)識(shí)事物的能力。

聲音是學(xué)生熟悉的自然現(xiàn)象。學(xué)生在日常生活中已經(jīng)積累大量有關(guān)聲音的感性認(rèn)識(shí)，能比較準(zhǔn)確地辨別柔和、喧鬧的聲音；也能準(zhǔn)確辨別聲音的強(qiáng)弱，但是對辨別聲音的高低則顯得比較困難。學(xué)生通常會(huì)把聲音的高低和聲音的強(qiáng)弱混淆起來。在本節(jié)課的教學(xué)中，教師的教學(xué)既有傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)游戲“玩樂器”，又有數(shù)字化實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)，不僅能加強(qiáng)課堂教學(xué)的科技化和綜合性，而且能很快幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)到聲音的高低。

為了解決“如何分辨聲音的高低”這一教學(xué)難點(diǎn)，教師采用了以下三種方法。

（1）玩口風(fēng)琴：學(xué)生分別吹口風(fēng)琴紅色低音do 和藍(lán)色高音do（紅色與藍(lán)色是教師預(yù)先標(biāo)注的），初步感知有些聲音高、尖，而有些聲音低、沉。

（2）數(shù)字化實(shí)驗(yàn)輔助教學(xué)：教師用聲波傳感器分別測口風(fēng)琴紅色到藍(lán)色之間發(fā)出的音，學(xué)生觀察屏幕上圖形的變化，進(jìn)一步分辨聲音的高低。

（3）分辨高低音：出示生活中不同情境下的聲音，請學(xué)生分辨哪些是高音、哪些是低音，使學(xué)生了解生活中到處都有高低音，并達(dá)到鞏固練習(xí)的目的。

以往在傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生只能依靠感官來對聲音進(jìn)行記錄、描述和分析。在這個(gè)案例中，教師先請學(xué)生玩口風(fēng)琴，聽一聽聲音有什么不同，再利用聲音傳感器，把學(xué)生吹的聲音用傳感器記錄下來，瞬間“看不見的聲音”立刻清晰可見。而且學(xué)生不僅僅能看到聲音，還能直觀地觀察音調(diào)高和音調(diào)低的聲音形態(tài)。學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)后，教師再次用聲音傳感器把數(shù)據(jù)錄制下來并轉(zhuǎn)化成圖表，通過多次對音調(diào)高低的數(shù)據(jù)圖像收集、展示，學(xué)生在玩、聽、看的多種體驗(yàn)中，理解了音調(diào)高低的變化。

諸如此類型的實(shí)驗(yàn)還有“聲音的反射、聲音的傳播、樂音及噪聲”等與聲音相關(guān)的教學(xué)；又如“摩擦生熱——摩擦究竟產(chǎn)生的溫度是多少”“水的浮力——沉在水中的物體是否受到浮力”“散熱技術(shù)——溫度下降的變化”“鹽水導(dǎo)電嗎——鹽水濃度低就不能導(dǎo)電嗎”“溶液的酸堿性——果汁的酸堿性”“水果電池——不同水果導(dǎo)電時(shí)的電流大小”等實(shí)驗(yàn)教學(xué)片段，都可以先通過學(xué)生運(yùn)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，體驗(yàn)感悟。在學(xué)生實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，教師再利用DIS 進(jìn)行演示實(shí)驗(yàn)，將“看不見的數(shù)據(jù)”或無法用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材收集到的數(shù)據(jù)，變成可以形象感知的圖表，掃除學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的疑問和障礙，幫助學(xué)生理解科學(xué)概念和科學(xué)原理，使學(xué)生知其然并知其所以然。

（二）有效結(jié)合，發(fā)散學(xué)生思維廣度

實(shí)驗(yàn)按種類可以分為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、探究性實(shí)驗(yàn)等，它們都依賴學(xué)生的自主參與，緊密結(jié)合科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)，通過動(dòng)手動(dòng)腦，親自實(shí)踐，在感知體驗(yàn)的基礎(chǔ)上形成科學(xué)探究的能力。其中，探究性實(shí)驗(yàn)更強(qiáng)調(diào)激發(fā)學(xué)生采取多種方法開展探究。在開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案時(shí)，教師要激發(fā)學(xué)生的發(fā)散性思維，引導(dǎo)學(xué)生思考：“為了搜集實(shí)驗(yàn)的證據(jù)，我們能做什么？我們需要做什么實(shí)驗(yàn)？這是一種好方法嗎？這樣做公平嗎？我們能用其他方法嗎？ 哪一種方案會(huì)更好一些？”

在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，教師也要鼓勵(lì)學(xué)生在采用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材開展探究之外，還可以將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為實(shí)驗(yàn)方案之一。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行Э旖莸貛椭覀儷@取大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，清晰觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，深刻認(rèn)識(shí)科學(xué)原理。因?yàn)闊o論是傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)器材還是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，兩者可以相互融合，相互補(bǔ)充。

案例二：“比較磁鐵的磁性強(qiáng)弱”實(shí)驗(yàn)

“比較磁鐵的磁性強(qiáng)弱”是小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的經(jīng)典內(nèi)容之一。教學(xué)伊始，學(xué)生進(jìn)行“回形針接龍游戲”。學(xué)生發(fā)現(xiàn)磁鐵有的部分回形針可以接龍很長，有的部分只能吸起一個(gè)回形針。這時(shí)引導(dǎo)學(xué)生思考：“為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象？是不是同一根磁鐵有的部分磁性強(qiáng)、有的部分磁性弱？其他形狀的磁鐵都會(huì)有這種現(xiàn)象嗎？”同時(shí)，教師啟發(fā)學(xué)生思考還有哪些方法可以比較磁鐵的磁性強(qiáng)弱，組織學(xué)生開展討論，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，探究磁鐵的磁性強(qiáng)弱。學(xué)生們設(shè)計(jì)了多種實(shí)驗(yàn)方法，除了觀察回形針的數(shù)量，如用尺測量吸回形針的距離，測試隔著幾張紙能吸起回形針等多種實(shí)驗(yàn)，并記錄分析數(shù)據(jù)，推斷出相同的磁鐵兩端磁性最強(qiáng)，不同磁鐵的磁性強(qiáng)弱有所不同，提升了對比實(shí)驗(yàn)中控制變量的意識(shí)與能力。

那么，磁鐵各個(gè)部分的磁力大小到底是多少？有沒有更清晰明了的實(shí)驗(yàn)觀察方法？此時(shí)，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的磁傳感器可以用更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)說話。學(xué)生利用手持式傳感器，打開數(shù)據(jù)顯示模塊，只要將傳感器的探針對著磁鐵，就可以觀察到具體的數(shù)字，利用手持式的磁傳感器對著磁鐵前后左右、上面下面等各個(gè)部分測試一圈，所顯示的不同數(shù)據(jù)能使學(xué)生更形象地感知到同一塊磁鐵不同部位的磁性強(qiáng)弱不同（見圖1）。

圖1 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)：磁傳感器測磁鐵不同部位磁性的強(qiáng)弱

同樣在保溫技術(shù)的教學(xué)中，教師可以指導(dǎo)學(xué)生利用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的溫度傳感器測量不同杯子水溫的微小變化，對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。這些精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能更好地幫助學(xué)生了解保溫材料的性能，從而進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和改進(jìn)。在“比較酒精燈火焰溫度”實(shí)驗(yàn)中，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以采用火焰的不同部位加熱，觀察水溫的變化；也可以利用一張卡紙放在酒精燈的火焰上加熱，然后抽出卡紙，觀察卡紙上留下的痕跡，分析焰心、內(nèi)焰、外焰溫度的不同。但現(xiàn)在有了數(shù)字化實(shí)驗(yàn)器材中高量程的溫度傳感器，只需將探針直接放在焰心、內(nèi)焰、外焰的部分，就可以清晰知道各部分的具體溫度，當(dāng)測量到酒精燈外焰溫度高達(dá)近800℃時(shí)，學(xué)生都驚嘆不已。

當(dāng)然，在實(shí)際教學(xué)中，應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是為了幫助學(xué)生更為直觀、清晰地學(xué)習(xí)科學(xué)內(nèi)容。我們不能簡單地應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)收集的數(shù)據(jù)來替代學(xué)生的思維過程，而應(yīng)將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)作為實(shí)驗(yàn)方法和手段對學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行有效補(bǔ)充和輔助。

（三）精確測量，用數(shù)據(jù)得出結(jié)論

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)反應(yīng)快、精度高，能瞬間記錄大量數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成折線或圖表形式，方便學(xué)生發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)的細(xì)微變化，將看不見或看不清的變化過程，變成看得見、看得清，并且看得更形象、更直觀、更客觀、更精確。因此，當(dāng)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)受到器材限制需要反復(fù)測量，或者難以收集大量數(shù)據(jù)、難以觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)，就可以采用以數(shù)字化實(shí)驗(yàn)為主的教學(xué)模式。

在小學(xué)科學(xué)教學(xué)內(nèi)容有關(guān)“力”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，彈簧測力計(jì)是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的重要實(shí)驗(yàn)器材。然而，在進(jìn)行課堂實(shí)驗(yàn)時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)彈簧測力計(jì)因卡殼影響讀數(shù)、在拉動(dòng)中指針不停晃動(dòng)難以讀數(shù)、學(xué)生讀數(shù)不準(zhǔn)等問題，這些問題拖延了實(shí)驗(yàn)進(jìn)程，占用了學(xué)生歸納整理、比較分析的時(shí)間。運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，可以最大限度地避免上述情況，節(jié)約獲取數(shù)據(jù)的時(shí)間，提高獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率，有效提高課堂教學(xué)的效率。

案例三：“探究斜面的作用”實(shí)驗(yàn)

“探究斜面的作用”是三年級(jí)的教學(xué)內(nèi)容。本活動(dòng)通過開展對比實(shí)驗(yàn)，探究斜面作用的過程，比較在不同斜面上拉小車用力的差異，了解斜面的作用，初步認(rèn)識(shí)斜面這一簡單機(jī)械。本活動(dòng)有利于培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)驗(yàn)?zāi)芰蛿?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析歸納能力。

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生用彈簧測力計(jì)測量，并觀察彈簧測力計(jì)讀數(shù)的變化，記錄力的大小數(shù)據(jù)變化（見表1）。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要反復(fù)測量三次，再取平均值后分析得出規(guī)律，耗時(shí)長，且數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確。

教師要詳細(xì)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)過程和方法：實(shí)驗(yàn)前，首先要提醒學(xué)生將測力計(jì)調(diào)零。實(shí)驗(yàn)中，提示學(xué)生拉動(dòng)小車時(shí)要保持勻速，且每次運(yùn)動(dòng)速度盡量保持一致，使用測力計(jì)拉動(dòng)小車時(shí)，盡量保持測力計(jì)與斜面平行。這些要求對于三年級(jí)的學(xué)生來說存在較大的實(shí)驗(yàn)操作難度。

而運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的力傳感器開展實(shí)驗(yàn)，則可以避免這些情況的發(fā)生，不僅采集數(shù)據(jù)的速度快，而且準(zhǔn)確。學(xué)生可以根據(jù)自己設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案，有效控制實(shí)驗(yàn)變量，如：斜面的長度不變，傾斜角度發(fā)生改變；斜面的長度變化，但傾斜角度不變等；開展多組對比實(shí)驗(yàn)。從而通過分析大量數(shù)據(jù)，找出相同規(guī)律，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論：斜面可用于克服垂直提升重物的困難。斜面與平面之間的傾角越小，斜面越長，則越省力，但費(fèi)距離。斜面與平面之間的傾角越大，斜面越短，則越費(fèi)力，但省距離。

像這樣的課例還有“杠桿”“單擺”“滾動(dòng)摩擦和滑動(dòng)摩擦的比較”“不同顏色吸收輻射熱的比較”等，這些實(shí)驗(yàn)都需要反復(fù)測量，獲取大量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較。運(yùn)用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，課堂教學(xué)時(shí)間非常有限，往往很難在一節(jié)課內(nèi)完成所有的實(shí)驗(yàn)過程，而數(shù)字化實(shí)驗(yàn)則可以發(fā)揮很高的效率。

表1 實(shí)驗(yàn)記錄

三、優(yōu)勢分析，形成經(jīng)驗(yàn)

在區(qū)域教研時(shí)，我們多次針對數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)實(shí)踐研究，將一些原本成功率不高的實(shí)驗(yàn)改為易操作、現(xiàn)象明顯的實(shí)驗(yàn)。運(yùn)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)具有如下優(yōu)點(diǎn)。

第一，突出實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。有針對性地突出觀察、建立模型、抽象、應(yīng)用等實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，大量使用表格、圖形方式記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，展示科學(xué)規(guī)律，提升學(xué)生對科學(xué)探究本質(zhì)的認(rèn)識(shí)。

第二，拓展實(shí)驗(yàn)范圍。在保證課堂實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，師生可以積極開發(fā)日常生活中的小實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)科學(xué)教學(xué)與學(xué)生生活的聯(lián)系。

第三，提高實(shí)驗(yàn)精度。促進(jìn)了定性實(shí)驗(yàn)向定量實(shí)驗(yàn)的過渡，逐步養(yǎng)成學(xué)生科學(xué)實(shí)驗(yàn)的嚴(yán)謹(jǐn)性和規(guī)范性。

第四，凸顯學(xué)生自主學(xué)習(xí)。將制作組裝、調(diào)試操作、測量驗(yàn)證、數(shù)據(jù)分析等有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)生的技術(shù)運(yùn)用能力，體現(xiàn)學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)和自主探究的過程。

區(qū)域教研活動(dòng)通過主題教研、課例研究解決教學(xué)中的實(shí)際問題，為教師應(yīng)用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)

教學(xué)提供了交流、研討和學(xué)習(xí)的平臺(tái)。同時(shí)，區(qū)域教研還有針對性地進(jìn)行教師培訓(xùn)，轉(zhuǎn)變教師的教學(xué)理念，提升教師掌握先進(jìn)數(shù)字化設(shè)備的技術(shù)操作能力，提高數(shù)字化實(shí)驗(yàn)器材的利用率，有效地把傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與數(shù)字化實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，切實(shí)提高課堂教學(xué)的有效性，使小學(xué)科學(xué)與技術(shù)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)不斷煥發(fā)出新的活力。