原创《数字实验仪器在科学课中的应用》
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［摘 要］在以探究实验为主的小学科学课堂中,相较于传统实验,数字化实验优势显著：易于激发学生的兴趣和培养学生的综合素养；易于转化学生的错误前概念,建立科学概念；降低实验难度,提高实验效率.但在具体数字化实验过程中,教师要引导学生注意合理使用,不能依赖于技术.［关键词］科学教学；数字化实验；传统实验
20世纪90年代,随着信息技术的飞速发展,教育信息化的概念被提上日程.教育信息化教师只有在教育过程中较全面地运用现代化信息技术,促进教育改革,才能适应正在到来的信息化社会提出的新要求.因此,在小学科学课堂中,一种以传感器和计算机为基础的新型实验模式——数字化实验应运而生.所谓数字化实验,是采用数字化实验系统,通过传感器采集数据,计算机实时显示和分析数据,来完成定量实验的方式.学生借助数字化实验平台,既可以理解科学的基本理论,又可以掌握有关数字化实验的相关技术.下面,结合科学课堂中使用数字化实验仪器的教学实践,我对使用数字化实验仪器进行了以下思考.
一、使用数字化实验仪器的优势
1.易于激发学生的兴趣和培养学生的综合素养
数字化实验以信息化的硬件设施为前提.数字化实验室,需配备数字实验仪器箱和与之相连的台式机或者平板电脑.学生在原有实验的基础上,还需掌握连接传感器和使用软件采集数据和分析数据的技能.在数字化实验模式中,学生的学习内容更加丰富,更具有时代气息,也更贴近现代科技前沿.学生置身于信息化的时代背景中,对科技新事物的好奇心,使他们的积极性更易被激发,学习的耐力更持久：一方面,他们忙于操作数字化实验仪器；另一方面,他们乐于借助电脑进行精准的数据分析和形象的实验对比.通过教学实践,我体会到信息技术在科学课堂上的运用,确实给学生带来了无限的乐趣,为学生创建了一个宽松的学习环境,既提高了学生的实验操作能力,又提高了学生的信息素养.
2.易于转化错误前概念,建立科学概念
在科学知识的四大领域——物质科学、生命科学、地球与宇宙科学和技术与工程科学领域中,有些科学知识对学生来说是比较抽象的.如空气是一种混合气体,其中氮气的含量最多,其次是氧气,其中还有一些稀有气体.呼吸的过程中,肺是氧气和二氧化碳交换的场所.这些知识通过传统实验是无法探究得到的,教师只能用“填鸭式”的方式告知学生,导致学生难以记忆.如果能通过实验获得具体的数据,通过分析数据找出规律,得出结论,学生的记忆会更加深刻.另外,利用实验数据分析还能转化学生已有的错误概念,使之建立科学概念.如教学《肺和呼吸》一课时,呼吸的过程是吸进氧气和呼出二氧化碳,在常规实验中,教师用吸管吹澄清的石灰水的实验,让学生明白呼出的气体中有二氧化碳.调查显示,大部分学生认为呼吸过程中,人体吸入了空气中的氧气,呼出的气体绝大部分都是二氧化碳.
而事实上,人体在呼吸过程中,只有4%左右的氧气转化成了二氧化碳,其他气体的含量基本不变.教师引入数字实验仪器中的气体传感器后,可以准确测量空气和人体呼出气体中二氧化碳和氧气的量,从而用具体的数字推翻学生原有的错误前概念,建立人体呼出的气体中二氧化碳仍是少量的科学概念.
3.降低实验难度,提高实验效率
数字化实验可以通过传感器和采集器把各种物理量,如力、声、光、温度、位移、磁场强度等转化成模拟电信号,再通过I/O 转换成计算机能够识别的数字信号,从而实现实验数据的采集.计算机采集数据后,人们可以利用编制的软件,快速、准确地处理采集到的实验数据,如计算平均数、总和等.软件还可以将收集到的数据转换成直观的图表.运用各种传感器替代传统的实验工具,简化了学生的实验操作,降低了实验难度.实验数据采集之后交由计算机分析处理,既提高了分析结果的准确率,又提高了分析实验数据的效率.
以“探究热水降温规律”这一实验为例,在常规实验中,既需要学生固定煤油温度计,还需要学生计算时间.
而且,把煤油温度计固定在铁架台上并不简单：高度要适中,还要避免温度计与其他硬物相碰.开始测量后,学生每隔一定的时间就要读取温度计上的读数,对于初次接触煤油温度计的学生而言,读数错误时有发生.改用数字化实验仪器后,学生只需把温度传感器固定好,静心观察传感器收集到的热水在一段时间内温度的变化即可.学生在观察的同时,手动绘制温度数值变化曲线,最后将绘制的数值曲线与软件绘制的曲线进行比较,发现热水降温的规律.数字化实验,既降低了学生的操作难度,缩短了做实验和分析数据的时间,又锻炼了学生的数据分析能力.另外,数字化实验仪器在和力有关的实验中的应用优势更加明显.在力学实验中,测力计的使用是个老大难的问题.在有摩擦力和斜坡的实验中,测力计指针抖动明显,读数误差大,如果操作不规范,可能得到的就是错误数据.在这些实验中,普遍存在实验时间长、实验数据误差大的问题.改用数字实验仪器后,实验数据误差小,对比实验效果显著,更易帮助学生得出实验结论.
二、使用数字化实验仪器的困惑和思考
1.小心被技术绑架的数字化实验
在熟悉数字化实验的硬件和软件的基础上使用数字化实验仪器,能显著提高实验效率,但学生对数字化实验比较陌生,教师要花费较多的时间教学生学习相关软硬件的使用.学生对数字化实验系统一知半解,不可避免削弱了实验效果.教师就更分身乏术了,需要不断奔忙在指导学生使用数字实验仪器的过程中,因为学生在使用软件收集到数据如果和分析数据的过程中,各种问题层出不穷.以和数据传感器配套的软件为例,收集到的数据如果有误却没法删除,只能重新采集数据；在对比实验中,图表区不会自动生成多组图表,需要学生设置后才会出现；实验数据不可以重命名,学生没法快速准确地把数据和图表联系起来……这些操作要领,教师需一一告知,往往实验还没结束,一节课就结束了,导致教师没有时间进行总结,学生也无法获得思维能力的提升.数字化实验仪器没有优化课堂,反而成了实验环节的累赘.教师如果能提前训练学生使用数字化实验仪器,学生会更专注于实验设计和实验操作,促进思维能力的提高.更为重要的是,教师要选择易于学生操作和更符合学生认知水平的数字化实验仪器.
2.合理使用数字化实验
数字化实验在数据采集和数据分析上的作用明显优于传统实验,但我们也不可因此废弃传统实验.传统实验是培养学生基本实验能力和实验素养的重要途径,是不能省略的教学环节.同时,科学课程标准指出,“科学探究是学生获取科学知识、领悟科学思想、学习科学方法最重要的学习方式,既是学习科学的途径,又是学习科学课程的目标”.学生的科学探究能力与设计和操作实验的能力密不可分,而传统的实验方法要求学生掌握更多的实验技巧.为了获取准确的数据,学生必须更细致地操作,与同学分工合作.所以,从某种程度上来说,传统实验对培养学生的手眼协调和合作能力更有利.传统实验要求学生具备基本的数据处理和分析能力,包括对有效数据的使用和实验误差的分析.而数字化实验依靠计算机操作平台,学生直接获得数据和分析结果,这样反而会弱化学生收集和分析信息的能力.传统实验中的误差在所难免,有时因操作或其他原因导致的失误,反而能帮助学生发现之前未考虑到的影响实验的因素.数字化实验仪器在探究方面表现出很强的技术优势,但决不能把它应用到所有的科学实验中.教师还需以教学目标为出发点,以学生的长足发展为依据,合理使用数字化实验仪器.
在教育信息化的大背景下,教师应在科学课堂中用好数字化实验这种新兴的实验模式,理智地看待数字化实验的发展趋势,将数字化实验和传统实验结合起来,为学生提供多样的实验平台,培养学生的探究能力和信息处理能力.
科学课论文参考资料：
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