论文部分内容阅读
随着现代科学技术的进步，数字化实验不断发展，在小学科学教学中的应用也愈加广泛。在传统条件已无法满足师生探究需求的数字化社会背景下，如何利用数字化设备帮助学生掌握获取科学知识的方法、提升科学素养是当代科学教师亟须解决的一个重要问题。因此，本文聚焦数字化实验，将其引入传统实验中去，以理论结合实际的方式对其应用效果进行具体的分析研究。在此基础上，本文将归纳总结数字化实验对师生的教与学带来的一系列影响和改变，从而为如何更好地服务于师生的教与学提供新思路。
何为数字化实验
所谓数字化实验，简单地说就是将小学科学课程中涉及的一些理化生实验引入传感器等数字化设备来完成。小学的数字化实验中主要配备的传感器有：温度传感器、力传感器、气中氧传感器、二氧化碳传感器、光电门传感器、心电图传感器等。通过数据采集器和USB连接线将传感器数据传入电脑，结合相应的软件可以实时显示出实验所得的数据。数字化设备获取的数据精确度较高，并且能将数据的大小以及变化趋势以曲线的形式呈现出来。数字化实验设备具有实验数据自动采集的功能，可以轻松解决许多传统实验无法解决的涉及连续快速变化的量的各种实验。
除传感器外，数字化实验中还有一个有力的工具——交互式电子白板。它是由硬件电子感应白板和软件白板操作系统集结形成。交互式电子白板本身就相当于一个投影幕，当投影机照到白板上时，由于白板内部的特殊构造，此时白板就相当于电脑的触摸显示屏，可用一支专用笔代替鼠标在白板上进行操作，可以运行任何应用程序，可以像在计算机上利用键盘及鼠标那样实现对文件进行编辑、注释、保存等任何操作。
数字化设备的这一系列优点对传统实验方式是一个非常好的补充，在实验的过程中能发挥出巨大作用。在传统实验中，一些只能定性、无法定量的实验以及一些微小或瞬间数据的测量上，数字化实验能发挥出巨大作用。
解析数字化实验应用于学生的“学”
在教学中，新工具的发明和改进，对学生的认知和思维发展具有十分重要的作用。数字化实验可以引导科学探究，使科学探究进入了一个新的发展高度，并且因为其特有的教学功能而具有广阔的发展前景。
为更好地服务于科学课堂，数字传感器的应用要立足于小学科学实验的学科特点。因此可以先从小学科学教材入手，进行全面、深入、具体、系统的了解，找准数字传感器所适用的实验类型，充分应用数字传感器的超强数据信息化处理功能，使实验由定性分析上升到定量分析，增强实验结果的精确度和可信度，提高实验效率。
1.数字化实验改变学生的学习模式
在探究过程中，运用科学的方法对问题进行研究，设计调查研究方案是一个非常重要的环节，这个环节设计得好与坏将直接影响到探究过程中能否观察到正确的科学现象。因此，在教学环节中，教师遵循探究是以学习者为主体，自主构建知识体系为原则。教师利用白板下发学习任务后，学生以四人小组为单位，通过手中的白板接受任务，可以自由讨论，并着手进行解决。学生在白板上完成解决方案后，可以利用无线网络发送至教师机。在此基础上，教师利用无线网络可将学生的反馈投射在白板上，让全班同学共同参与，完成实验方案的呈现、展示、交流。在生生互动、师生互动的过程中，优化了教学过程，提升了教学效率，为建立以学生学习为中心的课堂教学奠定了基础。
从单一的接受性学习方式转变为体验、研究、发现相结合的学习方式，这是课程改革的要点之一。数字化实验的使用，不仅拓宽了学生的求知领域与视野，而且为每一个学生提供了观察和体验的机会，鼓励学生积极参与数字化实验的设计，激发了他们的主观能动性，提升了他们的学习积极性，培养了他们的探究精神。
2.数字化实验让科学探究的结论更加真实有效
实验是探究的重要途径，能否通过实验获得正确的科学结论，关键在于获取的实验数据是否精确。在数字化实验中，由于传感器和计算机的引入，实验的过程中能够更加快速、准确地连续监测、采集和处理实验数据，并能够通过相应的软件系统，将实验数据实时直观地显示出来，能够将实验过程更客观、更真实地展现出来，提高了实验的准确性。
执教“摩擦力的影响因素”内容时，学生须重点掌握的是影响摩擦力大小的因素，如何确定影响因素，学生须利用实验探究的方法获得相应数据，在对每一组数据进行分析的基础上进行总结，探究摩擦力的大小与哪些因素有关。为保证实验的效率和精确程度，在本次实验过程中，可用数字实验中的力传感器代替弹簧测力计完成实验，一方面降低了实验操作难度，在保证物体匀速运动的情况下，物体所受的摩擦力的大小能够直观地实时显示在电脑屏幕上，学生通过每次测量的摩擦力的大小，确定摩擦力的大小与物体的重量及接触面光滑程度有关，与物体的运动速度、接触面大小无关。传感器的使用不仅使得测量效率大大提高，而且使得测量结果更加精确，再微小的差异也可以被及时捕捉到。同时投影技术的支持使得实验的过程和结果能够实时、直观地呈现在全班同学面前，使得结论的得出更具有说服力。
3.数字化实验可将实验由定性分析提升到定量分析
定性分析和定量分析是人们认识事物时用到的两种分析方式。所谓定性分析，就是对研究对象进行“质”的方面的分析，主要是解决研究对象“有没有”“是不是”的问题，需要用文字语言对实验结果进行相关描述。定量分析，是对研究对象进行数量特征、数量关系和数量变化的分析，需要用数学语言对实验结果进行说明。
執教“空气的组成”内容时，原本课堂上安排了蜡烛燃烧和澄清石灰水变浑浊两个实验，帮助学生了解空气中有支持燃烧的氧气以及能使澄清石灰水变浑浊的二氧化碳气体存在，这是通过实验定性分析的结果。但是氧气和二氧化碳在空气中所占的体积比例是多少？定性分析的结果并不能为学生提供答案。
传感器的使用则能有效地解决这一问题。具体的操作过程也很简便，只需连接计算机、数据采集器、氧气传感器和二氧化碳传感器。进入实验软件系统，点击“通用软件”，系统会自动识别所接入的传感器，并实时显示当前环境空气中氧气和二氧化碳的浓度。 数字化实验中的气中氧传感器和二氧化碳传感器的应用不仅能帮助学生了解空气的组成，还能对其含量做出精准测定，将定性实验升华为定量实验。这些都将推动科学探究进一步深入下去，让学生的科学探究更具价值和意义。
4.数字化实验将“不可能”变为“可能”
随着信息时代的发展，教学星球系统是比较先进的教学仪器之一，是实现三维立体动态展示的单体数字化教学仪器。它通过国际先进的三维图像处理平台，方便教师将图片、视频、动画等多媒体资源转变为球面图像，结合精密光学技术，瞬间展示在数字化球形投影屏幕上，动态立体地再现自然科学的现象和过程。
“探索宇宙”内容旨在通过一系列的观察、记录、实验、讨论、资料阅读等方式，引领学生走近天文殿堂，揭开宇宙的神秘面纱。但是对于小学生而言，囿于观察能力、观察空间及污染问题等一系列影响因素的限制，观察未必能取得较好的结果，更多的则是依靠课堂上教师提供的较为单一的图片、视频及文字资料，在想象力的加工下探索宇宙，认识星空，教学效果一般。数字化实验则可改善传统课堂的弊端，通过数字星球的模拟，将学生带入了触手可及的太空世界。
数字星球系统除了有投影机、鱼眼透镜组、球形投影屏幕、底座、遥控器等硬件材料外，还包含了一系列的配套新课标课程资源、专题资源以及拓展资源等软件材料。在教学过程中，只需启动“Storyteller”这一系统软件，教师可根据自己的教学设计选择相应的内容进行讲解，当讲到某个具体的知识点时，数字星球的球形屏幕就会实时呈现出与本知识点相关的球面图像或动画，时而是“喷火”的太阳，时而变身为转动的地球，时而又成为太阳系大家族的其他成员。取下球形屏幕，利用投影机和配套课程资源，结合实验室里的“穹顶”造型，我们还能在教室里看到漫天的“繁星”。
数字星球系统通过球形屏幕进行的一系列动态演示，突破传统教学模式和显示模式，使原本平面、静态、单调的天文知识瞬间变得立体而生动，帮助学生构建起空间的概念，化抽象为具体。这种多角度、多层次、多形式的学习更易于被学生接受，更易激发他们的学习兴趣，促进学习方式的变革。
数字化实验服务于教师的“教”
1.数字化实验缩减实验准备的工作量
对于刚刚接触数字化实验的教师而言，面对一些精密的现代化仪器设备，教师对其性能不是非常熟悉，在缺少技术支持的情况下，会将数字化实验等同于传统实验进行使用，如力传感器等同于弹簧测力计，酸碱传感器等同于pH试纸，温度传感器等同于温度计……与传统实验设备需要搭建装置不一样的是，数字化实验只需要选择相应的传感器装置和配套的软件即可，教师实验前期准备的工作量大大缩减。
2.数字化实验拓展教学功能
在能够比较熟练使用数字化实验设备的前提下，教师可在课堂教学的过程中发挥数字化实验所特有的教学功能，来解决传统实验无法解决的问题。比如，有的实验方法陈旧、数据难以收集、误差大，在实验的过程中不能精密地捕捉到一些细微的变化，精确性有待提高;而数字化实验利用其精密度高、可操作性强、数据容易收集、处理的优点，给课堂教学带来便捷性、精确性的体验。
执教“力在哪里”内容时，学生须认识力的大小，教师组织学生利用弹簧测力计对力的大小进行测量，出现了问题：测量的物体较轻，弹簧测力计的指针不会发生变化，无法读数;测量的物体较重，超过弹簧测力计的最大测量值，无法读数。为解决测量难题，教师适时引入力传感器，它可以将测量结果精确至0.01牛，测量的范围与弹簧测力计相比，得到了非常大的提高。
3.数字化实验简化教学过程
交互式电子白板的出现真正实现了人机交互，建立起白板、计算机、教师、学生之间的信息交换、双向互动的通道。数字化实验中交互式电子白板的使用，不仅替代了传统的黑板与粉笔，还能让教师将制作好的课件和整个教学过程结合在一起，除可直接在白板上对课件进行编辑、注释、保存等一系列常规操作外，还能针对学生的回答，在屏上进行批注，实现及时反馈。其自带的拖放、放大、组合等功能，让师生、生生间的互动更加灵活，也更利于突出教学重点。除此以外，交互式电子白板还具有强大的资源库功能，在教学过程中教师可随意调用各种素材资源，更好地为课堂教学服务，提高了课堂效率，保证了教学任务的完成。
应用数字化实验辅助科学探究，实现了科学探究与信息技术的整合，满足了信息时代发展的需求。数字化实验充分发挥了传感器和计算机的优势，利用传感器对实验数据实行了自动化的采集、记录、分析，不仅快速、準确，而且极大地节省了实验时间，提高了课堂效率。数字化实验对于每一个动态的数据都能够实时地记录下来，真实地再现实验的每一个瞬间，使得一些原本受实验测量仪器的限制，无法在课堂上呈现的实验得以开展，有效地解决了教学难题。
总之，数字化实验在小学科学教学中的有效应用，满足了学习者在科学探究中的多种需要，从手段上、观念上和教学模式上都引起了深层次的变革，体现了教育思想观念的进步。因此，数字化实验的使用必将成为科学探究改革的重要突破口。
何为数字化实验
所谓数字化实验，简单地说就是将小学科学课程中涉及的一些理化生实验引入传感器等数字化设备来完成。小学的数字化实验中主要配备的传感器有：温度传感器、力传感器、气中氧传感器、二氧化碳传感器、光电门传感器、心电图传感器等。通过数据采集器和USB连接线将传感器数据传入电脑，结合相应的软件可以实时显示出实验所得的数据。数字化设备获取的数据精确度较高，并且能将数据的大小以及变化趋势以曲线的形式呈现出来。数字化实验设备具有实验数据自动采集的功能，可以轻松解决许多传统实验无法解决的涉及连续快速变化的量的各种实验。
除传感器外，数字化实验中还有一个有力的工具——交互式电子白板。它是由硬件电子感应白板和软件白板操作系统集结形成。交互式电子白板本身就相当于一个投影幕，当投影机照到白板上时，由于白板内部的特殊构造，此时白板就相当于电脑的触摸显示屏，可用一支专用笔代替鼠标在白板上进行操作，可以运行任何应用程序，可以像在计算机上利用键盘及鼠标那样实现对文件进行编辑、注释、保存等任何操作。
数字化设备的这一系列优点对传统实验方式是一个非常好的补充，在实验的过程中能发挥出巨大作用。在传统实验中，一些只能定性、无法定量的实验以及一些微小或瞬间数据的测量上，数字化实验能发挥出巨大作用。
解析数字化实验应用于学生的“学”
在教学中，新工具的发明和改进，对学生的认知和思维发展具有十分重要的作用。数字化实验可以引导科学探究，使科学探究进入了一个新的发展高度，并且因为其特有的教学功能而具有广阔的发展前景。
为更好地服务于科学课堂，数字传感器的应用要立足于小学科学实验的学科特点。因此可以先从小学科学教材入手，进行全面、深入、具体、系统的了解，找准数字传感器所适用的实验类型，充分应用数字传感器的超强数据信息化处理功能，使实验由定性分析上升到定量分析，增强实验结果的精确度和可信度，提高实验效率。
1.数字化实验改变学生的学习模式
在探究过程中，运用科学的方法对问题进行研究，设计调查研究方案是一个非常重要的环节，这个环节设计得好与坏将直接影响到探究过程中能否观察到正确的科学现象。因此，在教学环节中，教师遵循探究是以学习者为主体，自主构建知识体系为原则。教师利用白板下发学习任务后，学生以四人小组为单位，通过手中的白板接受任务，可以自由讨论，并着手进行解决。学生在白板上完成解决方案后，可以利用无线网络发送至教师机。在此基础上，教师利用无线网络可将学生的反馈投射在白板上，让全班同学共同参与，完成实验方案的呈现、展示、交流。在生生互动、师生互动的过程中，优化了教学过程，提升了教学效率，为建立以学生学习为中心的课堂教学奠定了基础。
从单一的接受性学习方式转变为体验、研究、发现相结合的学习方式，这是课程改革的要点之一。数字化实验的使用，不仅拓宽了学生的求知领域与视野，而且为每一个学生提供了观察和体验的机会，鼓励学生积极参与数字化实验的设计，激发了他们的主观能动性，提升了他们的学习积极性，培养了他们的探究精神。
2.数字化实验让科学探究的结论更加真实有效
实验是探究的重要途径，能否通过实验获得正确的科学结论，关键在于获取的实验数据是否精确。在数字化实验中，由于传感器和计算机的引入，实验的过程中能够更加快速、准确地连续监测、采集和处理实验数据，并能够通过相应的软件系统，将实验数据实时直观地显示出来，能够将实验过程更客观、更真实地展现出来，提高了实验的准确性。
执教“摩擦力的影响因素”内容时，学生须重点掌握的是影响摩擦力大小的因素，如何确定影响因素，学生须利用实验探究的方法获得相应数据，在对每一组数据进行分析的基础上进行总结，探究摩擦力的大小与哪些因素有关。为保证实验的效率和精确程度，在本次实验过程中，可用数字实验中的力传感器代替弹簧测力计完成实验，一方面降低了实验操作难度，在保证物体匀速运动的情况下，物体所受的摩擦力的大小能够直观地实时显示在电脑屏幕上，学生通过每次测量的摩擦力的大小，确定摩擦力的大小与物体的重量及接触面光滑程度有关，与物体的运动速度、接触面大小无关。传感器的使用不仅使得测量效率大大提高，而且使得测量结果更加精确，再微小的差异也可以被及时捕捉到。同时投影技术的支持使得实验的过程和结果能够实时、直观地呈现在全班同学面前，使得结论的得出更具有说服力。
3.数字化实验可将实验由定性分析提升到定量分析
定性分析和定量分析是人们认识事物时用到的两种分析方式。所谓定性分析，就是对研究对象进行“质”的方面的分析，主要是解决研究对象“有没有”“是不是”的问题，需要用文字语言对实验结果进行相关描述。定量分析，是对研究对象进行数量特征、数量关系和数量变化的分析，需要用数学语言对实验结果进行说明。
執教“空气的组成”内容时，原本课堂上安排了蜡烛燃烧和澄清石灰水变浑浊两个实验，帮助学生了解空气中有支持燃烧的氧气以及能使澄清石灰水变浑浊的二氧化碳气体存在，这是通过实验定性分析的结果。但是氧气和二氧化碳在空气中所占的体积比例是多少？定性分析的结果并不能为学生提供答案。
传感器的使用则能有效地解决这一问题。具体的操作过程也很简便，只需连接计算机、数据采集器、氧气传感器和二氧化碳传感器。进入实验软件系统，点击“通用软件”，系统会自动识别所接入的传感器，并实时显示当前环境空气中氧气和二氧化碳的浓度。 数字化实验中的气中氧传感器和二氧化碳传感器的应用不仅能帮助学生了解空气的组成，还能对其含量做出精准测定，将定性实验升华为定量实验。这些都将推动科学探究进一步深入下去，让学生的科学探究更具价值和意义。
4.数字化实验将“不可能”变为“可能”
随着信息时代的发展，教学星球系统是比较先进的教学仪器之一，是实现三维立体动态展示的单体数字化教学仪器。它通过国际先进的三维图像处理平台，方便教师将图片、视频、动画等多媒体资源转变为球面图像，结合精密光学技术，瞬间展示在数字化球形投影屏幕上，动态立体地再现自然科学的现象和过程。
“探索宇宙”内容旨在通过一系列的观察、记录、实验、讨论、资料阅读等方式，引领学生走近天文殿堂，揭开宇宙的神秘面纱。但是对于小学生而言，囿于观察能力、观察空间及污染问题等一系列影响因素的限制，观察未必能取得较好的结果，更多的则是依靠课堂上教师提供的较为单一的图片、视频及文字资料，在想象力的加工下探索宇宙，认识星空，教学效果一般。数字化实验则可改善传统课堂的弊端，通过数字星球的模拟，将学生带入了触手可及的太空世界。
数字星球系统除了有投影机、鱼眼透镜组、球形投影屏幕、底座、遥控器等硬件材料外，还包含了一系列的配套新课标课程资源、专题资源以及拓展资源等软件材料。在教学过程中，只需启动“Storyteller”这一系统软件，教师可根据自己的教学设计选择相应的内容进行讲解，当讲到某个具体的知识点时，数字星球的球形屏幕就会实时呈现出与本知识点相关的球面图像或动画，时而是“喷火”的太阳，时而变身为转动的地球，时而又成为太阳系大家族的其他成员。取下球形屏幕，利用投影机和配套课程资源，结合实验室里的“穹顶”造型，我们还能在教室里看到漫天的“繁星”。
数字星球系统通过球形屏幕进行的一系列动态演示，突破传统教学模式和显示模式，使原本平面、静态、单调的天文知识瞬间变得立体而生动，帮助学生构建起空间的概念，化抽象为具体。这种多角度、多层次、多形式的学习更易于被学生接受，更易激发他们的学习兴趣，促进学习方式的变革。
数字化实验服务于教师的“教”
1.数字化实验缩减实验准备的工作量
对于刚刚接触数字化实验的教师而言，面对一些精密的现代化仪器设备，教师对其性能不是非常熟悉，在缺少技术支持的情况下，会将数字化实验等同于传统实验进行使用，如力传感器等同于弹簧测力计，酸碱传感器等同于pH试纸，温度传感器等同于温度计……与传统实验设备需要搭建装置不一样的是，数字化实验只需要选择相应的传感器装置和配套的软件即可，教师实验前期准备的工作量大大缩减。
2.数字化实验拓展教学功能
在能够比较熟练使用数字化实验设备的前提下，教师可在课堂教学的过程中发挥数字化实验所特有的教学功能，来解决传统实验无法解决的问题。比如，有的实验方法陈旧、数据难以收集、误差大，在实验的过程中不能精密地捕捉到一些细微的变化，精确性有待提高;而数字化实验利用其精密度高、可操作性强、数据容易收集、处理的优点，给课堂教学带来便捷性、精确性的体验。
执教“力在哪里”内容时，学生须认识力的大小，教师组织学生利用弹簧测力计对力的大小进行测量，出现了问题：测量的物体较轻，弹簧测力计的指针不会发生变化，无法读数;测量的物体较重，超过弹簧测力计的最大测量值，无法读数。为解决测量难题，教师适时引入力传感器，它可以将测量结果精确至0.01牛，测量的范围与弹簧测力计相比，得到了非常大的提高。
3.数字化实验简化教学过程
交互式电子白板的出现真正实现了人机交互，建立起白板、计算机、教师、学生之间的信息交换、双向互动的通道。数字化实验中交互式电子白板的使用，不仅替代了传统的黑板与粉笔，还能让教师将制作好的课件和整个教学过程结合在一起，除可直接在白板上对课件进行编辑、注释、保存等一系列常规操作外，还能针对学生的回答，在屏上进行批注，实现及时反馈。其自带的拖放、放大、组合等功能，让师生、生生间的互动更加灵活，也更利于突出教学重点。除此以外，交互式电子白板还具有强大的资源库功能，在教学过程中教师可随意调用各种素材资源，更好地为课堂教学服务，提高了课堂效率，保证了教学任务的完成。
应用数字化实验辅助科学探究，实现了科学探究与信息技术的整合，满足了信息时代发展的需求。数字化实验充分发挥了传感器和计算机的优势，利用传感器对实验数据实行了自动化的采集、记录、分析，不仅快速、準确，而且极大地节省了实验时间，提高了课堂效率。数字化实验对于每一个动态的数据都能够实时地记录下来，真实地再现实验的每一个瞬间，使得一些原本受实验测量仪器的限制，无法在课堂上呈现的实验得以开展，有效地解决了教学难题。
总之，数字化实验在小学科学教学中的有效应用，满足了学习者在科学探究中的多种需要，从手段上、观念上和教学模式上都引起了深层次的变革，体现了教育思想观念的进步。因此，数字化实验的使用必将成为科学探究改革的重要突破口。