数字化在小学科学教学中的重要性

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1、数字化在小学科学教学中的重要性、数字化探究在小学科学教育中的意义1. 新技术的应用有利于科学课程的改革我们现在的科学课程是以过去的技术为基础，而不是当今的技术（更谈不上明天的）。 把计算机和先进的传感器技术看成是附加的，而不是课程基本结构的组成部分，课程的重大 变革将受到严重的限制。如果空客A380飞机，继续使用最基础螺旋桨技术，它将无法成为 世界上最大，最先进的大飞机。而传感器在我们的生活中作为测量和控制仪器，无处不在, 且越来普及。小学科学实验室配备数据采集系统，有利于学生更早地接触新的测量工具，建 立“科学一技术一社会”的紧密联系。2. 科学素养的提升要求学生掌握新的探究工具现代人的科学

2、素养包括能够全面和充满自信地使用电子工具。学生们应该早些在尽可 能不同的范围内开始使用计算机和数据采集系统，把新技术的应用与科学课程紧密相连，不 但促进了新技术的进步而且对学生的动手能力、搜集信息能力、交流与表达能力的提升有很 大提高。二、基于数字化探究的小学科学教育框架（一）关于科学知识要素的培养对于小学科学素养第一要素是科学知识，应当看到，对于小学生而言，对科学知识的 理解不会要求过深，传统教学中往往通过呈现静态的图片或动画以提高学生的兴趣，在此基 础上教师对知识进行讲解，尽管这样的做法看似提高了教学效率，但是，国内外的教育研究 表明，学生存在着很多的前科学概念，如果只是通过教师的讲授，学

3、生是很难真正改变这些 概念的认识和理解的。数字化探究实验的引入，则较好地针对了这一点弱势。针对与某个知 识点相关的问题，学生先提出自己的猜想，而后利用数字化实验器材进行验证，且因为数字 化实验系统能够快捷、实时地呈现实验数据和相应的图示，为学生快速地理解实验现象提供 了重要的支持。另一方面，数字化探究的优势之一是让学生能够更广泛地接触和了解较为前 沿的实验仪器和电了产品，这本身就是拓展学生知识面很重要的因素。英国学者FrankEearn 设计了基于传感器技术的课外探究活动以促进学生的探究能力。探究内容包括:池塘温度（温 度传感器）、哺乳动物活动（声音和光传感器）、肥堆微环境（温度和湿度传感器）

4、、植物生长 条件（光传感器、湿度传感器、温度传感器、pH传感器）。可以看到，上述数字化探究实验, 对于开拓学生的知识面是很有益处的，这也应当成为数字化探究提高学生知识要素的另一个 切入点。（二）关于科学过程和方法的培养小学生科学素养的第二方面要素是科学过程和方法。国外数字化探究比国内要超前， 美国康科德教育研究组织的著名传感器技术教学应用教学发起人RobertTinker博士和密歇 根州立大学著名科学教育专家JosephKrajcik教授以水质为主题，设计实验组和对照组比较 基于传感器技术的探究活动和常规实验活动对于学生相关能力的影响。研究结果表明，将传 感器技术与科学探究相结合，E以使学生的

5、探究活动变得更为灵活，更有利于学生观察技能 的培养。相对于控制组，实验组学生数据分析也更为全面，且随着时间的增加，基于传感器 技术的科学探究活动对学生探究兴趣、思维和探究技能等的培养均产生了积极的影响。从上述案例可以看到，数字化探究在培养学生科学过程和方法方面，并不差于甚至优 于常规实验活动。进一步思考为什么会出现这样的现象，很大一方面原因在于，数字化探究 的灵活性相对传统实验更强，旦数字化探究中呈现的图线、数据等，为学生提供了更多观察 和思考的机会。因此，针对科学过程和方法的培养，数字化探究应当更侧重于其完整的探究 过程和大量的数据和图线的分析上。再从另外的角度审视。科学方法中往往涉及到控制

6、变量 法，传统实验在不少变量上限于实验器材条件限制，是较难严格控制好所有无关变量的，而 数字化探究仪器则能够较精确地做到这一点，应当在教学中凸显这一特色。又如科学方法中 转化的思想，在数字化探究实验中也是较为常见的，数字化探究仪器，基本上都是将其他信 号，比如光信号、力的大小等，转化为电信号，这是很直接且容易为学生所理解的转化方.法 对应的例了，因此，数字化探究应当加大对这一科学方法的点拨。（三）关于STS思想的培养小学科学素养教育中除了科学知识、科学过程和方法外，第三方面的要素就是STS思 想，即科学-技术-社会。培养学生这一意识，一方面要引导学生认识到科学技术对生活、公 众健康、工作条件、

7、世界和平带来有利的一面，另一方面又要引导学生警惕科学带来的负面 效应，如环境污染、自然资源的过渡消耗等，即必须用一分为二的观点认识科学技术与社会 的关系。利用数字化探究培养学生STS思想，结合其自身特征，可以从以下三大角度入手。第一，利用数字化探究实验本身便捷、快速、可灵活组装的特点，引导学生比较数字 化探究实验与传统实验仪器的优势，迎而促使学生认识到科技发展带给教学的各种便利。例 如，常规实验只能自行描点绘制曲线图，而数字化探究实验仪器则在做实验的同时便能自动 汇出相应的曲线，学生不仅要认识到曲线对应的科学知识和方法，也应当体会到这种便捷带 来的学习的高效率。第二，利用数字化在生活中的各种应

8、用，引导学生认识到科学技术在生活中所发挥的 价值。例如，生活中的自动感应门、烟雾报警器、洗手自动出水开关等等，实际上都是利用 了数字化探究中常见的传感器。因此，要利用数字化探究来培养学生的STS理念，还需要将 所使用的数字化探究实验，拓展到与生活息息相关的领域，引导学生认识到科学技术在推动 社会发展中所起的重要作用。第三，利用数字化探究较为先进的实验手段，研究与社会紧密相关的现象。例如，研 究温室效应的产生及其后果，研究酸雨天气，研究河流污染后酸碱度的变化等等，通过常规 传统实验往往是较难实现的，而通过数字化探究仪器，则能够较方便地开展相应的实验，进 而引导学生更直观地认识科学与技术发展带给社

9、会的负面影响。三、基于数据采集系统的数字化探究应用案例分析（一）数字化探究拓展学生对科学知识的认知空间及理解深度。在科学学习中，要培养学生严谨的科学态度，让学生知道事物木质的多样性与统一性 的关系。对事物的认识不仅要知道其普遍原理，还可以进一步了解其极值范围，找到事物的 最大值和最小值，这和知道其常见值一样的重要。描述正在发生的变化的最好方法是把测量 结果制成一张表格或图像，使用数据采集系统可以实时得到数据表格和图像。而表格和曲线 可以显示一个数字与另外一个数字的相互关系。这样的数据处理结果，能让学生更深入了解 各个量之间的关系。案例一：利用温度传感器探究冰融化过程中的温度变化1.实验目的（1

10、） 用MGA模拟器加上两个温度传感器来探索冰融化时温度的改变以及热流的方向；（2）建构 有关冰融化的概念；（3）培训科学处理与思考技能；（4）应用有关冰融化的知识来推测“全 球暧化”的一些后果。3.提出探究问题传统的实验教学，学生感知到冰融化成水的现象，但 是不能建立融化与热之间的逻辑关联。应用数据传感器后，学生能在曲线图中清醒直观地看 到融化的速度与热之间的关系，辅以恰当的问题引导，有助于加深理解。（二）支持个性化的实验设计，丰富校本科学课程在熟练使用传感器以后，提供的各种测景工具，为教师很多创造性的科学实验的涉及 实施提供了可能。老师和学生可以设计白己的探究性的课题，对时间充足和有能力的学

11、生的 提高给予非常好的技术支撑，可以开展科学主题探究、科技论文研究和科技实践活动。案例 二：利用无线电波传感器，探究手机（CDMA/GSM）在不同条件下的辐射的差异（变量：手机 铃声到通话状态、不同电池电量状态、不同品牌、不同屏幕尺寸）；案例三：利用氧气传感 器，探究室内植物光合作用的差异（不同植物光合作用产生氧气的效率不同，不同植物白天 和夜晚的光合作用效率不同，与树叶大小或光照面是否成正比，等等）；案例四：利用光传 感器，探究灯泡（研究市面上的白炽灯、光管、节能灯、LED灯）的发光效率及发热比较， 不同灯的频闪是否相同，市面上的护眼灯的护眼效果等。（三）帮助学生延伸触觉、听觉、视觉和思维数

12、字化时代，学生能在实验中通过数宇化仪器轻易地采集非常丰富的数据。再加上专 为数字化时代设计的探究学习教材和专为数字化仪器设计的实验套件，就能让学生通过所采 集到的丰富数据去获取许多书本以外的知识。案例五：水的循环实验。本实验的目的是要让 学生最终弄明白在一个打开的容器中水会跑到哪里去。这既不容易证明，又不容易检测到。 但是，水循环对地球上的生命具有极其重要的意义，通过借助相对湿度传感器测量打开盖了 的盛水容器中周围湿度的数据变化，学生可以理解蒸发、冷凝和物质守恒定律。案例六：测 量那些开始比周围环境凉的多的物体变暧的过程，以及比周围环境热的多的物体变凉的情 况，学生可以使用数据采集系统采集到的

13、实验图像来检测温度的微小变化，并标绘成图，以 检测许多热交换的实例。（四）优化实验过程，使实验的重心1门1归探究传统的探究式教学中，教师比较强调探究过程与设备的使用，数据的收集比较费时， 一堂实验课下来，学生大部分时间都耗在实验装置的安装调试和实验材料的准备上。数据采 集系统的应用，将实验的准备工作留在课外，学生只需将注意力集中到实验数据的本身，从 收集到的数据中找到要探究和解决的科学问题。案例七：热传导的实验教学。1.实验目的: 木实验的教学内容是让学生理解，热能会在一个很好的导热体中很容易地被传导，在不好的 导热体中不容易被传导；金属是一个很好的导热体，规料不是一个好的导热体。比较以上两

14、个实验装置和实验数据的获取方式，我们可以看出，传统实验装置设备准备较多，得出的数 据是印象性、不精确的，采用数据采集系统的实验装置实验条件简单，只需一个温度传感器 和两根不同材质的导热棒就可以完成，采集的数据在软件上的显示直观、清晰，有利于学生 在数据分析的基础上，构建不同材质的热传导性能的知识概念。四、数字化探究在科学教育中的应用建议在目前来说，我国基于数据采集系统的数字探究实验室建设还处于起步阶段，开展基 于数字探究的科学教仃还有很多需要研究和完善的地方，笔者根据在实际教学案例中的经 验，提供几点经验和建议与读者共享：1. 组织学生进行儿个真实的探究，会比给他们进行大量而表面化的活动，更有

15、学习上 的意义。初期要求每个班级符个学期实施2个主题的科学探究学习，对老师来说己经难能可 贵，对学生来讲，一次完整意义的探究学习，除了知识技能外，关键能培养学生的科学思维 方式。2. 传感器的配备可以根据学校的实际情况购置，没必要一步到位，声音、温度、光、 氧气是小学最常用的传感器，其它传感器随着教师使用技能的逐步提高，根据教学需要逐步购买。而因教学环境及数据采集器都已配备完毕，后续只需买应用的传感器，预算压力会小 很多。3. 由于数据采集系统是新技术，多数教师对其不太了解。可以先在区域内配备小学科 学探究中心实验室，配备齐所有仪器设备，区域内小学教师可以自行到中心实验室摸索或者 带全现学生到中心实验室上课；中心实验室所有仪器设备也可以借给学校老师。4. 成立小学科学探究应用研究及推广的项目小组。小组可以基于中心实验室开展工作, 研究数据采集系统与科学探究教学的最优化应用。