◎ 陳 健

以科學(xué)探究為核心的小學(xué)自然課程，需要建立以科學(xué)實驗為基礎(chǔ)的課堂教學(xué)體系。課堂轉(zhuǎn)型需要教學(xué)手段的改革，自然學(xué)科教學(xué)手段的改革則離不開實驗測量技術(shù)的改革。全國《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》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)字化信息系統(tǒng)（Digital Information System，以下簡稱DIS）進行科學(xué)探究，通過互聯(lián)網(wǎng)收集數(shù)據(jù)?！币虼耍陙碓谛W(xué)自然課堂中運用DIS開展實驗教學(xué)也越來越多。

數(shù)字化實驗是對傳統(tǒng)科學(xué)實驗測量工具和數(shù)據(jù)處理方法的革命，其在自然實驗教學(xué)中的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的實驗測量技術(shù)，改變了學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的方式。通過對DIS的組成與功能深入了解并進行實驗教學(xué)中的嘗試應(yīng)用，來提高認識、形成共識。并在更多實踐與應(yīng)用效果反思的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)實驗開展改進與創(chuàng)新，最終促進小學(xué)自然課堂的轉(zhuǎn)型。

一、在學(xué)習(xí)和應(yīng)用數(shù)字化實驗中提高認識、形成共識

DIS在實驗教學(xué)中的應(yīng)用是一項新技術(shù)、新課題，對多數(shù)自然教師來說，都面臨一個學(xué)習(xí)與掌握的問題。需要大家在使用中學(xué)習(xí)，在學(xué)習(xí)中提高認識。上海市中小學(xué)數(shù)字化實驗系統(tǒng)研發(fā)中心經(jīng)過多年的開發(fā)與實踐，已經(jīng)為一線教師提供了大量的DIS設(shè)備與實驗方案。教師一方面需要學(xué)習(xí)掌握DIS軟硬件的操作技術(shù)，了解其功能；另一方面需要梳理能應(yīng)用DIS開展實驗的教學(xué)內(nèi)容，并通過不斷嘗試應(yīng)用實踐。

DIS本質(zhì)上是一套實驗教學(xué)專用的信息技術(shù)工具，由硬件和軟件構(gòu)成。硬件主要包括：實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、實驗配套器材、智能實驗儀器和科學(xué)探究系統(tǒng)等四大體系；軟件主要包括：通用軟件、專用軟件和輔助軟件。DIS的主要功能是實驗數(shù)據(jù)的采集、處理和應(yīng)用，具有定量、精確、快速等實驗測量技術(shù)優(yōu)勢。簡單來說，DIS在實驗中的應(yīng)用就是利用各種類型的傳感器替代教師已經(jīng)非常熟悉的傳統(tǒng)測量儀器。這種在實驗教學(xué)中的轉(zhuǎn)變，對教師的思維習(xí)慣和操作過程都帶來了很大的沖擊。只有通過不斷地學(xué)習(xí)與實踐應(yīng)用，進一步提高DIS在實驗教學(xué)中應(yīng)用的深度和廣度，最終形成開展DIS實驗教學(xué)的常態(tài)化應(yīng)用。

通過進一步提高對數(shù)字化實驗意義價值的思考，我們對應(yīng)用DIS開展自然實驗教學(xué)具有的優(yōu)點形成以下共識：①實驗方法由單純的定性分析變成定性分析和定量分析相結(jié)合；②實驗?zāi)康挠蓡渭儷@得結(jié)論變成經(jīng)歷過程與獲得結(jié)論相結(jié)合；③實驗過程由單純的驗證變成探究與驗證相結(jié)合；④實驗時間顯著縮短，實驗安全性與成功率大幅提高。學(xué)習(xí)行為的數(shù)據(jù)化記錄促成了匯總分析研究功能的實現(xiàn)。

二、在改進和創(chuàng)新傳統(tǒng)實驗中積累案例、形成經(jīng)驗

自然課堂中涉及大量的實驗教學(xué)內(nèi)容，傳統(tǒng)實驗儀器在某些實驗測量中的誤差和操作過程的復(fù)雜性影響了學(xué)生對正確科學(xué)概念的建構(gòu)和教師對課堂教學(xué)效率的提高。根據(jù)學(xué)生的認知和操作水平，并結(jié)合DIS的特點，對傳統(tǒng)實驗進行有效的改進和創(chuàng)新，特別是通過實驗器材裝置化和模塊化設(shè)計，可以使實驗測量的精確性、操作的便捷性和結(jié)果的可靠性得到顯著提升。我們通過一段時間的研究與實踐，積累了一些改進和創(chuàng)新傳統(tǒng)實驗與DIS實驗教學(xué)相結(jié)合的案例，對于促進課堂轉(zhuǎn)型起到了明顯的效果。

（一）提高測量精確性，優(yōu)化實驗探究時效

在“季節(jié)的變化”一課中有探究陽光照射對溫度變化影響的傳統(tǒng)實驗，原實驗使用常規(guī)溫度計或溫度槍測量光照下不同角度放置的黑卡片的溫度變化，由此推測太陽光照射角度對溫度變化影響。這樣做存在以下三個問題：①溫度變化過程反應(yīng)不靈敏；②測量位置不固定，誤差大；③實驗器材復(fù)雜，小學(xué)生難于操作，花費時間較長。

通過使用數(shù)字化實驗系統(tǒng)與自制實驗設(shè)備相結(jié)合改進實驗：①使用溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器和DIS軟件，實時反應(yīng)溫度變化；②將三塊同樣大小的黑卡紙與溫度傳感器相連，調(diào)節(jié)黑卡片的位置，使其與光線的夾角分別為20°、90°、60°；③使用三個鹵素射燈模擬太陽，并用隔溫板分隔光線。這樣改進具有以下優(yōu)點：①用鹵素射燈照射兩分鐘左右的時間，即可明顯看出直射和斜射引起的溫度差異，實驗時效更強；②DIS軟件幫助學(xué)生既可以看到溫度變化的過程，又可以看到最終溫度升高的幅度，實驗現(xiàn)象更直觀；③分別研究光線與卡紙夾角20°、90°、60°溫度變化情況，不僅能研究直射和斜射的溫度差異，還能發(fā)現(xiàn)光線與紙板夾角越小溫度升高幅度越小，實驗數(shù)據(jù)更精確。

（二）提高操作便捷性，建構(gòu)正確科學(xué)概念

在“電磁鐵”一課中有探究影響電磁鐵磁性強弱因素的傳統(tǒng)實驗，將絕緣導(dǎo)線繞在鐵芯上，接通電路電源后通過鐵芯吸引鐵釘?shù)臄?shù)量判斷產(chǎn)生磁性的強弱。通過改變假設(shè)條件獲得不同的被吸鐵釘?shù)臄?shù)量，由此推測影響電磁鐵磁性強弱的因素。這樣操作存在以下問題：①繞線圈的繁瑣和電路連接的復(fù)雜操作對小學(xué)生提出了較高的要求；②通過吸引鐵釘?shù)膫€數(shù)判斷磁性的強弱的準(zhǔn)確性較低，且計數(shù)不方便；③調(diào)整線圈匝數(shù)、整齊度、鐵芯粗細等操作步驟比較麻煩；④通過改變連接電路中干電池的節(jié)數(shù)體現(xiàn)改變電路中的電流大小，影響學(xué)生建構(gòu)正確的科學(xué)概念。

通過使用數(shù)字化實驗系統(tǒng)與自制實驗設(shè)備相結(jié)合改進實驗：①利用磁感應(yīng)強度傳感器測量電磁鐵的磁性強弱，以數(shù)顯模塊上的磁感應(yīng)強度數(shù)值直接反應(yīng)；②利用電位器改變電路中的電流，通過旋轉(zhuǎn)電位器改變電路中的電阻從而向?qū)W生顯示改變電流的大小；③利用裝置模塊化設(shè)計方便學(xué)生改變探究條件，用通用接口連接包括不同匝數(shù)的線圈、不同整齊度的線圈、不同粗細的鐵芯等模塊化組件。這樣改進具有以下優(yōu)點：①使用磁感應(yīng)強度傳感器測量電磁鐵的磁性強弱，實驗方法更科學(xué)；②傳感器獲得的數(shù)據(jù)通過數(shù)顯模塊呈現(xiàn)，實驗觀察更方便；③電位器的應(yīng)用，便于學(xué)生針對“電流強度”因素進行驗證，實驗過程更真實，形成正確的概念。

（三）提高結(jié)果可靠性，形成嚴謹科學(xué)態(tài)度

在“電阻”一課中探究影響導(dǎo)體電阻的大小因素的傳統(tǒng)實驗中，采用小電珠與被測導(dǎo)體串聯(lián)接入電路，以小電珠的發(fā)光亮暗程度，反映導(dǎo)體電阻大小。學(xué)生通過改變假設(shè)條件，再推測影響電阻大小的因素。這樣做存在以下問題：①小電珠的發(fā)光亮暗程度與實際功率有關(guān)，與電阻大小的關(guān)系，小學(xué)生較難理解；②當(dāng)某些導(dǎo)體材料的電阻率較小時，小電珠的發(fā)光亮暗程度無法區(qū)分該導(dǎo)體材料的電阻受長度、粗細、溫度等其他因素的影響程度，不利于學(xué)生使用銅等生活中常見低電阻率材料進行實驗；③因為看不到電阻變化的差異，學(xué)生易產(chǎn)生“銅等材料不會受長度、粗細、溫度等因素影響”的錯誤認識。

通過使用數(shù)字化實驗系統(tǒng)與自制實驗設(shè)備相結(jié)合改進實驗：①利用電流傳感器和電壓傳感器，用伏安法測量出連接不同導(dǎo)體電路中的電流和電壓，通過DIS的自動計算功能顯示該導(dǎo)體的電阻值；②通過多次測量并計算電阻平均值，獲得最終該導(dǎo)體的電阻值。這樣改進具有以下優(yōu)點：①以定量分析法替代定性分析法，直接通過比較電阻值的大小，發(fā)現(xiàn)影響導(dǎo)體電阻大小的因素，實驗分析更直接；②將多次測量并計算獲得的電阻平均值作為導(dǎo)體的電阻值，實驗結(jié)果更可靠；③學(xué)生能對銅等低電阻率材料進行實驗驗證，實驗材料更全面。

通過對部分傳統(tǒng)實驗進行改進與創(chuàng)新，形成數(shù)字化實驗教學(xué)的經(jīng)驗，可以較好地提升學(xué)生的實驗分析、動手操作和邏輯思維能力，強化學(xué)生對實驗方法的掌握和實驗工具的使用，發(fā)揮學(xué)生在課堂中進行探究的主體地位。也可幫助學(xué)生建構(gòu)正確的科學(xué)概念，形成全面的科學(xué)認知，獲得豐富的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，培養(yǎng)嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度和實證意識，最終促進自然課堂的轉(zhuǎn)型。

三、在利用DIS促進自然課堂轉(zhuǎn)型中引發(fā)思考、形成提升

近幾年，應(yīng)用DIS開展實驗教學(xué)在自然課堂中得到了大力推廣，教師都正經(jīng)歷著課堂的變革。但我們必須明白傳統(tǒng)實驗技能是數(shù)字化實驗的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)實驗和數(shù)字化實驗的整合才是自然實驗教學(xué)的發(fā)展方向，才能真正促進自然課堂的轉(zhuǎn)型。

（一）與傳統(tǒng)實驗教學(xué)互補兼容才能各顯優(yōu)點

小學(xué)自然實驗教學(xué)經(jīng)過長期的研究與實踐，已經(jīng)積累了大量經(jīng)典的傳統(tǒng)實驗設(shè)計與操作方法以及相應(yīng)的教學(xué)方法?，F(xiàn)在，這些傳統(tǒng)的實驗器材、實驗設(shè)計、實驗操作方法等在DIS面前，仿佛要么是一無是處的“完敗”狀態(tài)，要么是非你即我“水火不容”的狀態(tài)。

自然實驗教學(xué)中引入DIS應(yīng)該是讓其在學(xué)生出現(xiàn)概念建構(gòu)困難或遇到技術(shù)操作障礙時，用以突破難點解決問題的。它具有不可或缺性，如DIS為師生開展實驗提供了數(shù)據(jù)與圖像處理平臺，極大地提高了課堂的教學(xué)效率。學(xué)生對一些原本抽象的知識和規(guī)律更容易理解和掌握。反觀傳統(tǒng)實驗教學(xué)，它也是培養(yǎng)學(xué)生建構(gòu)科學(xué)概念、提升操作技能、開展細致觀察和形成科學(xué)思維的一個重要途徑。作為通用型的信息技術(shù)工具，DIS可以廣泛地與傳統(tǒng)實驗方式結(jié)合，使實驗內(nèi)容更加豐富，形式更加多樣。至于教學(xué)過程中的主次關(guān)系，完全視教學(xué)要求而定。在課堂教學(xué)中協(xié)調(diào)好兩者之間的關(guān)系，才能各顯優(yōu)點，形成互補兼容的實驗教學(xué)方式，真正促進課堂教學(xué)轉(zhuǎn)型。

（二）基于數(shù)據(jù)信息流的實驗教學(xué)才能更嚴謹

DIS數(shù)據(jù)的采集和處理均已實現(xiàn)自動化。數(shù)據(jù)密度、精度，傳輸?shù)乃俣?，處理的深度、廣度和數(shù)據(jù)分享的易操作性等均有大幅度提高，實現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)信息流的順暢、高效流轉(zhuǎn)，并能夠通過“回控設(shè)置+執(zhí)行器”實現(xiàn)基于實驗信息流的閉環(huán)控制。

DIS最為根本的教學(xué)價值在于其借助傳感器和網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)工具為師生提供了空前強大的獲取和使用實驗數(shù)據(jù)信息流的能力。沒有實驗數(shù)據(jù)信息流，教師針對科學(xué)規(guī)律的講解缺乏事實的鋪墊，學(xué)生對科學(xué)規(guī)律的認知將得不到現(xiàn)象的支撐?？茖W(xué)學(xué)習(xí)就會回到死記硬背的“原始”狀態(tài)，自然課堂也會因各種主客觀因素陷入“假實驗”的惡性循環(huán)，而尊重事實、強調(diào)驗證、講求方法的科學(xué)精神則得不到傳承。

（三）常態(tài)化應(yīng)用才能滿足實驗教學(xué)研究需求

加強實驗教學(xué)既是落實課程標(biāo)準(zhǔn)，促進教與學(xué)方式的轉(zhuǎn)變，更是增加學(xué)生體驗式學(xué)習(xí)、加強實踐性學(xué)習(xí)的一條重要措施。讓教師體會數(shù)字化實驗的好處是推廣數(shù)字化實驗的關(guān)鍵。在自然課堂中只有教師經(jīng)常用，才能體會其好處，才能激發(fā)教師改進和創(chuàng)新實驗教學(xué)。

教師在更多應(yīng)用DIS開展實驗教學(xué)的過程中，能發(fā)現(xiàn)問題、提出真實需求。只有基于課堂教學(xué)、基于師生需求的問題發(fā)現(xiàn)，才能推動技術(shù)部門創(chuàng)新設(shè)備和技術(shù)革新，真正做到在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)問題，在發(fā)展中找到需求，在實踐中不斷革新。如數(shù)字化實驗系統(tǒng)原先是單機版軟件，實驗設(shè)備間不互聯(lián)，實驗數(shù)據(jù)無法共享，只有結(jié)果記錄沒有操作以及行為過程記錄。教師在實驗教學(xué)實踐中發(fā)現(xiàn)這個問題影響了實驗后的分析交流，現(xiàn)在通過軟件技術(shù)的升級，DIS已經(jīng)可以對學(xué)生實驗過程、實驗行為以及結(jié)果實現(xiàn)云存儲與云計算。這為教師組織學(xué)生開展實驗過程和結(jié)果的分析交流提供了“大數(shù)據(jù)”分享，為教師和教研人員進行實驗教學(xué)研究提供大數(shù)據(jù)支持。

如今DIS已憑借相對完善的功能大幅提升了實驗教學(xué)的效率和精度，突破了師生對原有科學(xué)實驗工具、方法和過程的認識。但是，DIS在自然實驗教學(xué)中的應(yīng)用必須符合課堂教學(xué)目標(biāo)及師生實踐需求。否則，不僅不能促進課堂教學(xué)的轉(zhuǎn)型，反而會造成實驗教學(xué)發(fā)展走入歧途。因此，在實驗教學(xué)研究的道路上我們要不斷創(chuàng)新、勇于實踐，最終推動小學(xué)自然課程改革走向深入。