数字技术在小学科学探究实验中应用的研究

数字技术在小学科学探究实验中应用的研究主持人：上虞市城东小学 夏苗锋小学科学是一门以实验探究为基础的学科，探究实验生动形象，从感性到理性，从具体到抽象，从简单到复杂，符合认识规律、教学规律，是培养学生科学精神的重要手段。学生通过观察、实验、思考，能培养观察能力、分析能力、归纳能力、动手能力和解决问题的能力；学生通过实验能学到实验技能，养成良好的实验习惯，培养科学态度和科学作风。所以说实验探究在小学科学起到了非常积极的作用。但由于教材内容的综合性、开放性和灵活性，与教材配套的课程资源，特别是相应的科学探究实验仪器设备不足，仪器精确程度不高导致实验效果欠佳等矛盾日益突出。因此，我们有意识、有目的地研究开发和利用各种资源，研制便于学生自主探索、合作学习的仪器设备，促进学生的探究显得应用非常迫切和重要。第一部分：生成背景一、传统实验方法分析现在小学科学探究实验主要以传统的实验仪器来完成的，如果我们为了研究开发和利用新的实验仪器设备，而否定了原来传统的探究方法，这是不科学的，传统的实验方法在探究实验中举足轻重。（一）传统实验方法的优势1. 亲自读数、记录数据，能锻炼学生的观察能力。2. 实验时要自己组装实验器材，能够锻炼动手能力 3. 利用原始数据作图并判断分析图像，能锻炼学生的分析思考能力。（二）传统实验方法的不足但是随着新课程改革的不断深入，有些传统的实验探究方法仅很难满足学生发展的需要，有些还成为阻碍实验教学质量提高的瓶颈：1部分传统实验手段的存在着操作技术上的许多障碍。现有实验仪器普遍精度低、误差大、可重复性差，影响学生对小学科学实验现象规律的深入理解。如在上小学科学的过程中运用到的计时器、弹簧秤、温度计、压强计等实验仪器，学生存在着不会用、用不好、用不准的问题，而导致实验效果大打折扣。2部分传统实验存在着探究花时间，实验效率不高的问题传统的科学探究实验因为过程复杂，步骤繁琐，往往使学生在实验中扮演了一个参加机械劳动的 “机器”，学生在实验操作过程中必须把大量的精力和时间花费在操作过程上，没有足够的时间来观察现象、思考问题和提出问题。如，在研究小学科学六上斜面一课中斜面的省力规律的实验中，学生每个坡度做 3 次实验，取平均值，如何更快更准地得到实验数据，节省许多宝贵的探究时间，把更多精力集中在对探究过程的分析和研究上，提高小学科学探究实验的效率？这是我们应该考虑现实问题。3部分传统实验在在观察微小实验现象时受到限制小学科学探究的成功经验表明，把探究实验现象和规律纳入学生可视化范围，让学生“看到现象”是实验成功的关键。在小学科学探究实验中涉及声学、光学、力学、磁学实验所要求的基本数据较难获得，靠虚拟或者仿真替代的也是纸上谈兵。如何将微小现象放大化、实验过程直观化，增强实验可视性，这是也是传统实验应该克服的。4. 部分传统实验得出的数据的误差较大，造成实验分析的错误有时在探究过程中数据存在很大的出入，最终虽然勉强能得出结论，但从部分学生的表情来看，还是不能很好地信服。这样不利于培养学生获取数据分析数据的能力。也不利于培养学生的科学探究精神。二、解决方法以传感技术、计算机技术和通信技术为基础的信息技术在最近的二十年内迅速发展，其广泛应用不仅显著改变了人类的生产、经营甚至生活形态，而且也逐步进入到学校的教学应用，我们看到多媒体教学、计算机仿真、互联网应用、教学软件管理等等，传统教学只要和信息技术结合，就会迸发出空前的生机和活力。 在小学科学实验探究中引入数字实验系统，使一些传统实验无法想象的变得可视、可听、图文并茂，这是实验的革新，为学生的亲自探索、亲身体验提供了一个很好的平台。小学科学探究数字实验系统是由传感器、数据采集器、数据分析处理软件、实验教程构成的一套完整的实验辅助系统。三、引入数字实验系统的现实意义（一）基于课程改革背景下的小学科学实验探究需要我国的基础教育课程改革的启动以 2001 年颁布基础教育课程改革纲要（试行）为标志，到 2005 年秋季，已进入全面的推广应用阶段，全国中小学阶段各起始年级的学生基本都进入了新课程。本次小学课改的一个明显特点是首次明确强调培养学生科学素养、探究能力、问题解决能力的目标，并在在小学三-六年级设立科学课和综合实践活动课。其中小学科学课的改革与设立最为彻底，基本保持了与全球发达国家和地区小学科学教育的一致性。 在此背景下，原来小学的自然实验室已经不能满足新的小学科学课程标准下的科学教学的需要，建设小学科学探究实验室，已经成为实施小学科学教学、培养学生科学素养和探究能力的配套措施。 基于数据实验系统的科学探究实验室已在英国、美国、日本、香港、台湾等先进国家和地区推行多年，例如在香港，数据实验系统已经列入小学科学实验室的标准配置目录。（二）数字实验系统是建设小学科学探究实验室重要装备内容2009 年 11 月，浙江省教育厅在宁波和温州正式启动“小学科学探究性实验室工程”，以全面加强实验室建设，培养学生的创新思维和探究精神，提高学生问题解决能力和实践操作技能。截止 2010 年 4 月底，浙江省建成首批 80 个小学科学探究实验室。浙江省教育技术中心已制订小学科学探究实验室装备方案，小学科学探究实验室系统包含能源之道、生命之秘、力热之奇、声音之妙、电磁之奥、光影之魅、地理之谜、综合探究等 8 个科学探究主题的教学仪器及配套设施，充分满足小学阶段科学课程和拓展需要，体现源于教材、高于教材的系统特色；仪器设备注重与生活实际相结合，与现代科技相联系；在这 8 个科学探究主题的教学仪器及配套设施中很多内容涉及到数字实验系统。但是这些实验系统与教材不配套。数字实验系统更能激发学生的探究兴趣，体现合作交流和自主探究理念，适应学生观察实验和动手操作，满足科学教育素养和技术技能培养要求。是现代化教育的一个窗口，是创新教育的一个抓手。（三）数字实验系统是改进实验材料重要手段之一早在 2006 年，上虞市科学教研组就研究的课题基于科教版小学科学（3-6 年级）教材中活动材料改进的研究与实践就提到了活动材料准备影响探究实验有效性的问题。在上虞市小学科学教师中进行了一次专题问卷调查。通过回收的 120 份调查表分析，发现：92的小学科学教师认为上科学课最大的苦恼是材料准备工作;46.15的教师有经常碰到材料准备困难的情况;62.5的教师在实际的课堂教学中，材料的使用达不到探究活动预期效果。而 84.6%的教师想过材料改进的方法，15.4% 的教师有过材料改进的经验，所有的教师都想参与材料改进和研究工作。教科版小学科学（3-6 年级）教材编写的基点设置在活动上，用活动统整科学知识、过程、方法以及情感、态度、价值观三维目标，用活动的方式展示小学生科学探究学习。在强调学生亲身经历以探究为核心的学习活动中，就离不开赖以开展活动的实验材料，提供什么样的材料在一定程度上影响着活动的质量与效率。数字实验系统的引入，对于教学一线的小学科学教师而言，降低了实验材料准备的繁杂性，为师生提供了更加直接、更加有效的实验探究方法，将会大大方便一线科学教师课前的工作量，同样会更精细地满足学生探究的需要，增强实验探究有效性。（四）对小学信息技术与科学探究整合的尝试数字实验系统要求运用信息技术作为工具，使科学实验的呈现方式、学生的探究方式、教师的教学方式和师生的互动方式实现全新的变革，促进小学科学探究过程中的各个要素和环节实现全面优化。将数字实验系统有效融合于小学科学营造一种新型的探究环境，实现一种既能发挥教师主导作用又能充分体现学生主体地位的以“自主、探究、合作”为特征的实验探究的方式，从而把学生的主动性、积极性、创造性较充分地发挥出来，使学生的创新精神和实践能力的培养真正落到实处。数字化实验系统是一种全新的软硬件一体化的实验系统，它具有多类型的传感器、多通道的数据采集器，实现了实验手段数字化、测量呈现实时化、现象规律可视化、操作测量简单化，在真实实验的基础上实现了信息技术与小学科学探究的整合，在延续传统的同时超越传统。第二部分：进展情况一、召开项目实施论证会2011 年 12 月 21 日，项目组全体成员在城东小学召开论证会，参加项目论证会议的有城东小学校长、上虞市电教馆技术人员、浙江省胜昔科技公司经理。浙江省胜昔科技经理介绍目前中学配置数字化实验系统的情况，小学数字化实验系统研制迫在眉睫。我们项目实施的目标是基于教材，改进教材中的实验器材，最好研制数字实验工具箱，受老师欢迎，利用胜昔科技现有的传感器可以做哪些实验，结合现有传感器可以研制哪些数字实验器材。胜昔科技公司、电教馆表示全力配合课题实施，并提供必要的帮助。会议对与会成员布置了任务，分组落实，按年级落实到人，哪些实验可以结合实验项目，提出数字研究项目方案。二、考察数字化实验系统2012 年 3 月 9 日上午，项目组全体成员考察上虞市东关小学由省电教馆配置的科学探究实验室，项目实施组成员一一实践研究。下午，课题组全体成员参观胜昔科技工厂，公司领导介绍公司的主打产品“传感器”，并示范传感器应用于小学科学实验所看到的放大的实验效果：用传感器放大声音的波段效果，用计算机直观的显现，公司领导提出装备小学科学探究实验室的设想，并提出了传感器应用于小学科学实验室探究的具体项目。三、整理科学课本中运用数字技术的实验项目组全体成员对小学科学课本所有探究实验进行整理，八册教材中共整理出可以运用数字化技术的实验 20 个。四、编写数字技术运用于实验的器材制作脚本现在正在着手编写具体的方案（实验器材制作脚本），包括：应用传感器类别、应用情境设计、教材中具体应用的内容、应用功能、建议及意见。下步打算与厂家联系生产数字化实验设备，开出数字化实验研讨课，成果总结，完成产品，进入实验室装备。第三部分：遇到的困惑首先，教改项目研究前期投入较大，经费的投入制约着项目的进一步研究。浙江省胜昔科技有限公司虽然愿意为项目实施扎实推进和成果转化提供资金和技术保障，但商人往往有利的话才会投入。如果在试验阶段，投资的积极性不高。其次，要用数字化手段来进行某一探究实验，选择实验课题时就应该考虑采用数字化手段来进行这个实验的必要性。在实验课题的选择上，数字化实验比较适合用在那些过程比较复杂的，要采集的数据