◎ 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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)的改革。全國(guó)《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(shí)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(jiǎn)稱DIS）進(jìn)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(yùn)用DIS開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)也越來越多。

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是對(duì)傳統(tǒng)科學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)量工具和數(shù)據(jù)處理方法的革命，其在自然實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)，改變了學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的方式。通過對(duì)DIS的組成與功能深入了解并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的嘗試應(yīng)用，來提高認(rèn)識(shí)、形成共識(shí)。并在更多實(shí)踐與應(yīng)用效果反思的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)開展改進(jìn)與創(chuàng)新，最終促進(jìn)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(shí)驗(yàn)中提高認(rèn)識(shí)、形成共識(shí)

DIS在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用是一項(xiàng)新技術(shù)、新課題，對(duì)多數(shù)自然教師來說，都面臨一個(gè)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(rèn)識(shí)。上海市中小學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研發(fā)中心經(jīng)過多年的開發(fā)與實(shí)踐，已經(jīng)為一線教師提供了大量的DIS設(shè)備與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容，并通過不斷嘗試應(yīng)用實(shí)踐。

DIS本質(zhì)上是一套實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)配套器材、智能實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和應(yīng)用，具有定量、精確、快速等實(shí)驗(yàn)測(cè)量技術(shù)優(yōu)勢(shì)。簡(jiǎn)單來說，DIS在實(shí)驗(yàn)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(cè)量?jī)x器。這種在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的轉(zhuǎn)變，對(duì)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(shí)踐應(yīng)用，進(jìn)一步提高DIS在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的深度和廣度，最終形成開展DIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)的常態(tài)化應(yīng)用。

通過進(jìn)一步提高對(duì)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)意義價(jià)值的思考，我們對(duì)應(yīng)用DIS開展自然實(shí)驗(yàn)教學(xué)具有的優(yōu)點(diǎn)形成以下共識(shí)：①實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)過程由單純的驗(yàn)證變成探究與驗(yàn)證相結(jié)合；④實(shí)驗(yàn)時(shí)間顯著縮短，實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)。

二、在改進(jìn)和創(chuàng)新傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中積累案例、形成經(jīng)驗(yàn)

自然課堂中涉及大量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器在某些實(shí)驗(yàn)測(cè)量中的誤差和操作過程的復(fù)雜性影響了學(xué)生對(duì)正確科學(xué)概念的建構(gòu)和教師對(duì)課堂教學(xué)效率的提高。根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知和操作水平，并結(jié)合DIS的特點(diǎn)，對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行有效的改進(jìn)和創(chuàng)新，特別是通過實(shí)驗(yàn)器材裝置化和模塊化設(shè)計(jì)，可以使實(shí)驗(yàn)測(cè)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(shí)間的研究與實(shí)踐，積累了一些改進(jìn)和創(chuàng)新傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與DIS實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的案例，對(duì)于促進(jìn)課堂轉(zhuǎn)型起到了明顯的效果。

（一）提高測(cè)量精確性，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)探究時(shí)效

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

通過使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備相結(jié)合改進(jìn)實(shí)驗(yàn)：①使用溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集器和DIS軟件，實(shí)時(shí)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(gè)鹵素射燈模擬太陽，并用隔溫板分隔光線。這樣改進(jìn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①用鹵素射燈照射兩分鐘左右的時(shí)間，即可明顯看出直射和斜射引起的溫度差異，實(shí)驗(yàn)時(shí)效更強(qiáng)；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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)弱因素的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，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(qiáng)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(cè)影響電磁鐵磁性強(qiáng)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(duì)小學(xué)生提出了較高的要求；②通過吸引鐵釘?shù)膫€(gè)數(shù)判斷磁性的強(qiáng)弱的準(zhǔn)確性較低，且計(jì)數(shù)不方便；③調(diào)整線圈匝數(shù)、整齊度、鐵芯粗細(xì)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備相結(jié)合改進(jìn)實(shí)驗(yàn)：①利用磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器測(cè)量電磁鐵的磁性強(qiáng)弱，以數(shù)顯模塊上的磁感應(yīng)強(qiáng)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?。虎劾醚b置模塊化設(shè)計(jì)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(xì)的鐵芯等模塊化組件。這樣改進(jìn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：①使用磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器測(cè)量電磁鐵的磁性強(qiáng)弱，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)觀察更方便；③電位器的應(yīng)用，便于學(xué)生針對(duì)“電流強(qiáng)度”因素進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)過程更真實(shí)，形成正確的概念。

（三）提高結(jié)果可靠性，形成嚴(yán)謹(jǐn)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(shí)驗(yàn)中，采用小電珠與被測(cè)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(cè)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(shí)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(shí)，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(zhǎng)度、粗細(xì)、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(jìn)行實(shí)驗(yàn)；③因?yàn)榭床坏诫娮枳兓牟町悾瑢W(xué)生易產(chǎn)生“銅等材料不會(huì)受長(zhǎng)度、粗細(xì)、溫度等因素影響”的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)。

通過使用數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與自制實(shí)驗(yàn)設(shè)備相結(jié)合改進(jìn)實(shí)驗(yàn)：①利用電流傳感器和電壓傳感器，用伏安法測(cè)量出連接不同導(dǎo)體電路中的電流和電壓，通過DIS的自動(dòng)計(jì)算功能顯示該導(dǎo)體的電阻值；②通過多次測(cè)量并計(jì)算電阻平均值，獲得最終該導(dǎo)體的電阻值。這樣改進(jìn)具有以下優(yōu)點(diǎn)：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(shí)驗(yàn)分析更直接；②將多次測(cè)量并計(jì)算獲得的電阻平均值作為導(dǎo)體的電阻值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更可靠；③學(xué)生能對(duì)銅等低電阻率材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)材料更全面。

通過對(duì)部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)與創(chuàng)新，形成數(shù)字化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，可以較好地提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)分析、動(dòng)手操作和邏輯思維能力，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)方法的掌握和實(shí)驗(yàn)工具的使用，發(fā)揮學(xué)生在課堂中進(jìn)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(rèn)知，獲得豐富的學(xué)習(xí)經(jīng)歷，培養(yǎng)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和實(shí)證意識(shí)，最終促進(jìn)自然課堂的轉(zhuǎn)型。

三、在利用DIS促進(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)技能是數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)字化實(shí)驗(yàn)的整合才是自然實(shí)驗(yàn)教學(xué)的發(fā)展方向，才能真正促進(jìn)自然課堂的轉(zhuǎn)型。

（一）與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)互補(bǔ)兼容才能各顯優(yōu)點(diǎn)

小學(xué)自然實(shí)驗(yàn)教學(xué)經(jīng)過長(zhǎng)期的研究與實(shí)踐，已經(jīng)積累了大量經(jīng)典的傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)器材、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)，用以突破難點(diǎn)解決問題的。它具有不可或缺性，如DIS為師生開展實(shí)驗(yàn)提供了數(shù)據(jù)與圖像處理平臺(tái)，極大地提高了課堂的教學(xué)效率。學(xué)生對(duì)一些原本抽象的知識(shí)和規(guī)律更容易理解和掌握。反觀傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(xì)致觀察和形成科學(xué)思維的一個(gè)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(shí)驗(yàn)方式結(jié)合，使實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，形成互補(bǔ)兼容的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式，真正促進(jìn)課堂教學(xué)轉(zhuǎn)型。

（二）基于數(shù)據(jù)信息流的實(shí)驗(yàn)教學(xué)才能更嚴(yán)謹(jǐn)

DIS數(shù)據(jù)的采集和處理均已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)基于實(shí)驗(yàn)信息流的閉環(huán)控制。

DIS最為根本的教學(xué)價(jià)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(qiáng)大的獲取和使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息流的能力。沒有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)信息流，教師針對(duì)科學(xué)規(guī)律的講解缺乏事實(shí)的鋪墊，學(xué)生對(duì)科學(xué)規(guī)律的認(rèn)知將得不到現(xiàn)象的支撐。科學(xué)學(xué)習(xí)就會(huì)回到死記硬背的“原始”狀態(tài)，自然課堂也會(huì)因各種主客觀因素陷入“假實(shí)驗(yàn)”的惡性循環(huán)，而尊重事實(shí)、強(qiáng)調(diào)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)研究需求

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

教師在更多應(yīng)用DIS開展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過程中，能發(fā)現(xiàn)問題、提出真實(shí)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(dòng)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(shí)踐中不斷革新。如數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原先是單機(jī)版軟件，實(shí)驗(yàn)設(shè)備間不互聯(lián)，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)這個(gè)問題影響了實(shí)驗(yàn)后的分析交流，現(xiàn)在通過軟件技術(shù)的升級(jí)，DIS已經(jīng)可以對(duì)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)行為以及結(jié)果實(shí)現(xiàn)云存儲(chǔ)與云計(jì)算。這為教師組織學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究提供大數(shù)據(jù)支持。

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