数字实验系统促进小学科学探究的研究|探究实验

数字实验系统促进小学科学探究的研究

一、小学科学数字实验系统概念界定 小学科学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， 其中：
传感器：包括氧气、二氧化碳、氧气、心电图、磁场、 气压、电流、电压、pH值、心率、温度、湿度、力等几十种 涵盖小学科学基本所有探究活动涉及的数据测量工具。

数据采集器：数据采集器是一种电子仪器，用于采集在 一段特定时间内，来自传感器对温度、相对湿度、光强、电 压、压力、力等所测得的变化情况的数据。大部份数据采集 器均可与PC连接，通过软件启动传感器进行数据采集，并对 所采集的数据进行阅读及分析。数据分析处理软件：用来处理、分析数据采集器采集到 的实验数据，可形成曲线、数字表、表格、直方图、示波器 等数据分析图形，使探究实验的结果更为直观，更容易帮助 学生找到规律。

实验教程：一般是指与课程配套的实验指导或案例。

二、为什么要建设小学科学数字实验系统 1．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。

2．数字实验系统是建设小学科学探究实验室重要装备内容之一。

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。该工程通过经费补助的形式，投入省级专项经费 约250万元。通过建设一批有特色、有成果、有实效的示范 学校，并充分发挥其引领辐射作用，带动小学科学实验室建 设与应用工作的深入开展，积极探索新型小学科学教学模式。

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。

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。

3．数字实验系统是改进实验材料重要手段之一。

早在2006年，学校实施的《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。学校在上虞市小学科学 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。

4.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。

三、小学数字实验系统在科学探究中的优势 1．数字化实验系统为科学探究提供了更多情景。

小学科学是一门以实验探究为基础的学科，而有些实验 在实验室中无法很好地进行。借助数字实验系统提供的先进 技术则突破了传统实验手段的限制，它不但能替代许多传统 仪表，如计时器、弹簧秤、温度计、压强计等，而且还能直 接测量速度、磁感应强度等传统仪表无法测量的数据。大幅 度改进了原来做不出、做不好的实验，使许多原来只能定性 研究的实验可以定量分析了，许多“瞬时”的过程能被高速 扫描记录下来仔细分析了，因此学生可以探究的问题范围和 深度都大大拓展，这对提高学生的探究能力很有益处。?2．节省了科学探究时间，提高课堂效率。

在数据采集上，计算机和传感器等数字手段的介入，可 以更快更准地得到实验数据。从而能节省很多宝贵的教学时 间，使得我们把更多精力集中在对探究过程的分析和研究上， 极大地提高了小学科学探究实验的效率。

在数据分析环节上，利用计算机灵活的数据处理能力， 可以在采集数据的同时用软件把图线绘制出来，使学生能直 观地看出实验结果。从而让学生能够将更多的时间、心力用 于实验设计、探究和分析上，从而有利于探究教学的实施。

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，用“传感器”把研究在不同坡度的斜面上物体 运动直接提升的转换成电信号，经过计算机运算，可以在荧 光屏上显示不同坡度的斜面物体提升的省力规律，而不用进 行每个坡度做3次实验，取平均值，同学们可以在实验上节 省很多时间，进而提高了课堂效率。

3．微小现象放大化、实验过程直观化，增强实验可视 性。

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。

比如，在学习《声音是怎样产生的》这一课时，让学生 从波形看到声音是由物体振动产生的。声传感器的引入，可 以直接检测并显示锣、鼓、尺子 、橡皮筋装置、音叉、哨子的波形，清晰、可视，有助于学生的理解，牢牢抓住了学 生探究的思维。而不用粉笔头、纸片、橡皮碎末、乒乓球这 些生活化的东西用到课堂中，用来明显地放大了物体发出声 音时的振动。使探究实验过程直观化，增强实验可视性。

4.有利于培养学生获取数据分析数据的能力。

数字实验系统，就是需要不同于传统的实验仪器的信息 工具仪器，如传感器和数据采集器和计算机。从这个角度看， 小学科学信息素养能力包括使用信息工具仪器硬件的操作 技能和获取数据的能力。数字化对于小学生来说，是比较抽 象的，但实验系统可以引入比较形象的方式解决抽象的问题。

适当组合地使用传感器和数据收集器来采集数据和利用实 时图像来呈现数据，使学生腾出更多的时间在对数据的分析 和评价上。如在测量空气中二氧化碳浓度的时候，可以在电 脑中显示更一个更形象的二氧化碳卡通图形挤占电脑屏幕， 从形象中轻松获得数据。

电子数据表是广泛使用用来分析数据的软件。数据可以 通过键盘收到输入或从文件夹中输出。电子数据表一个重要 的用处就是数据可以以图像的形式分析。两组或多组相关的 数据可以用柱状图或简单的线形图表示。所以，利用信息专 业软件，分析数据的能力是小学科学实验探究的新内涵。

四、小学数字化实验探究的原则和要求 数字实验系统是为更好地促进小学科学探究服务的，作 为科学教学过程中的探究实验，最重要的不在于得到某一项具体的实验结果，而在于整个探究实验过程。开展数字化实 验教学必须按照一定的要求来进行，才能得到事半功倍的效 果。

首先，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，要采集的数据量比较多的，数据处理中计算 量比较大的实验。

其次，在制定实验的要求时，设计的实验过程和方法， 也要尽量体现数字化实验的特点。用数字化系统进行实验时， 突出的问题是数据的采集、处理都是在幕后进行的，这在实 际工作中可能带来很多便利，而在教学中却是一个不足。因 此，在实验设计中要尽可能把这些幕后的操作移到前台来。

第三，数字化实验和传统探究实验各有长处和短处，二 者应该是互补关系，不能互相取代，应根据教学的具体需求， 将数字化实验和传统探究实验相结合进行教学。

新的教材、新的教学实验内容、新的实验模式、新的实 验技术和实验方法必然会对实验材料提出新的要求，“数字 实验系统”强大的数据采集和处理功能，有利于学生通过努 力去发现问题和寻找规律。面向21世纪的新一代教学仪器必 须是先进的教育思想、完善的教育功能和先进的科学技术的 完美结合，“数字实验系统”应用于小学科学探究实验是一 次教学手段的革新，是教育技术的进步，具有非常独到的优点。