路虹劍

摘要： 師生借助傳感器觀察和測量，實驗數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，探究效率大大提高。為解決小學(xué)科學(xué)教學(xué)中為用傳感器而用，甚至因為使用了傳感器導(dǎo)致弱化學(xué)生學(xué)習(xí)深度的問題，教師應(yīng)將傳感器用于人的感官難以獲取信息和需要精準(zhǔn)測量的實驗，多角度獲取證據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生批判質(zhì)疑精神;深度推進(jìn)探究進(jìn)程，助力學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展;開展“科學(xué)創(chuàng)客”活動，促進(jìn)素養(yǎng)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：傳感器;小學(xué)科學(xué);探究教學(xué);學(xué)生素養(yǎng)

隨著科技的不斷發(fā)展，傳感器已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。所謂傳感器，就是能感受被測量的信息并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號進(jìn)行輸出的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。教育信息化從1.0步入2.0后，教育生態(tài)發(fā)生著巨大轉(zhuǎn)變，傳感器在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中也得到了應(yīng)用。但筆者在聽評課中發(fā)現(xiàn)，教師使用傳感器存在一些問題。在關(guān)注學(xué)生素養(yǎng)發(fā)展的今天，傳感器的作用不再是簡單地支持與增進(jìn)科學(xué)教學(xué)效果，而是使學(xué)生在“技術(shù)使能”作用下真正得到全面發(fā)展。

一、小學(xué)科學(xué)教學(xué)中傳感器應(yīng)用問題

小學(xué)科學(xué)實驗活動呈現(xiàn)多樣化和自主化趨勢，給教師自主選擇和創(chuàng)新實驗方法營造了空間。很多科學(xué)實驗需要獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行比較，或者需要用顯微鏡進(jìn)行觀察，因此傳感器有很大的應(yīng)用空間。但在有些利用傳感器的教學(xué)中，筆者除了看到教師教得比較輕松順利外，并沒有發(fā)現(xiàn)比傳統(tǒng)教學(xué)手段有更多的優(yōu)勢和作用，甚至反而造成教學(xué)價值的缺失。

例如，對于觀察細(xì)胞、微生物的教學(xué)，有些教師會借助顯微鏡攝像頭的圖像傳感器將顯微鏡放大的樣本圖像輸送到大屏幕上，組織學(xué)生進(jìn)行觀察并加以講解。這樣做，避免了學(xué)生操作顯微鏡尋找樣本可能出現(xiàn)的種種狀況，大大加快了教學(xué)節(jié)奏，甚至有了更多的時間來豐富教學(xué)內(nèi)容。但筆者發(fā)現(xiàn)，在這樣的課堂上，學(xué)生從開始看到一個細(xì)胞的驚嘆到看各種細(xì)胞似乎都一樣的麻木，學(xué)習(xí)興趣隨著教學(xué)的推進(jìn)逐漸下滑。因為他們喪失了動手的機(jī)會，喪失了自主去尋找、去發(fā)現(xiàn)而獲得驚喜的機(jī)會，最關(guān)鍵的是整節(jié)課他們在經(jīng)歷以教師講授為主的教學(xué)。

又如，對于熱傳導(dǎo)的實驗教學(xué)，傳統(tǒng)手段是在銅棍上分段抹上凡士林，并粘上小棍，用火給銅棍的一端加熱，觀察小棍掉落的順序，從而推斷熱是從物體的高溫部分傳向低溫部分。教師組織這個實驗活動，有時會因為各種原因造成小棍掉落的順序不符合預(yù)期而影響學(xué)生發(fā)現(xiàn)規(guī)律。于是有些教師就選用溫度傳感器觀測銅棍不同位置的溫度變化情況，通過數(shù)據(jù)分析得到結(jié)論。這里使用溫度傳感器，并沒有改變探究教學(xué)的模式，該有的提出問題、作出假設(shè)、制訂計劃、搜集證據(jù)、處理信息等探究要素也都存在，只是獲取證據(jù)的方式變了，變得更加具有科技含量，且提高了實驗效率。但是，小學(xué)生獲得的科學(xué)概念一般屬于現(xiàn)象論下的概念水平，概念建構(gòu)過程更多是基于形象思維，即學(xué)生在看到事實現(xiàn)象的過程中深化理解。筆者認(rèn)為，對于熱傳導(dǎo)的探究，利用傳感器顯示抽象的數(shù)據(jù)并無優(yōu)勢，而利用直觀的實驗現(xiàn)象引導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)更適宜。

由此分析，教師利用傳感器開展小學(xué)科學(xué)教學(xué)，不應(yīng)該只是為了簡單、順利地獲取一個結(jié)果信息，而要促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)，使其提升素養(yǎng)。上述案例中并不是不能用傳感器技術(shù)，而是要適當(dāng)使用，朝著發(fā)展學(xué)生素養(yǎng)的目標(biāo)而努力。

二、運用傳感器改進(jìn)小學(xué)科學(xué)探究教學(xué)手段，突破教學(xué)難點

（一）運用傳感器獲取人的感官難以獲取的信息

所有實驗活動都離不開觀察，但人的感覺器官的靈敏度和精度是有限的。因此，一些實驗觀察活動必然需要傳感器的支持，但一定不要為用而用，而是起到不可替代的作用，解決學(xué)生觀察獲取信息的難題。

例如，教師講授噪聲防治時，布置項目任務(wù)讓學(xué)生制作簡單的隔音裝置，探究不同材料和結(jié)構(gòu)的降噪效果，但是僅憑耳朵去識別效果肯定不好，這時借助聲音傳感器技術(shù)下的分貝儀來探究就是一個很好的選擇。在這個實驗活動中，為避免各組相互干擾，教師將分貝儀放在制作好的隔音小盒里讓學(xué)生實驗，對數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，評估裝置的隔音效果。

（二）運用傳感器獲取精準(zhǔn)數(shù)據(jù)，解決測量實驗的難題

小學(xué)生動手能力不強(qiáng)，在一些精準(zhǔn)性要求較高的實驗探究活動中經(jīng)常問題頻出，尤其是測量數(shù)值類的實驗，往往會收集到誤差比較大甚至錯誤的數(shù)據(jù)，直接影響結(jié)論的生成。教師可以借助相應(yīng)的傳感器解決誤差過大的問題。

例如，在研究影響摩擦力大小因素的探究實驗中，學(xué)生需要用測力計在不同粗糙程度的接觸面上水平勻速拉動小車，并讀取測力計的數(shù)值。但學(xué)生的實驗操作和讀測力計讀數(shù)中都會有誤差產(chǎn)生，有的誤差會導(dǎo)致錯誤結(jié)論。這種情況下，教師往往不容易捕獲每個學(xué)生形成誤差的原因，只能通過經(jīng)驗告知他（她）數(shù)據(jù)偏差可能是何種原因所致，于是學(xué)生不得不接受多數(shù)組的數(shù)據(jù)和結(jié)論。此時，教師選用精度很高的電子推拉力計可以從操作層面避免誤差的產(chǎn)生，大大提高教學(xué)質(zhì)量。

（三）運用傳感器改進(jìn)實驗，正確對待學(xué)生的質(zhì)疑

小學(xué)階段的科學(xué)探究往往受實驗條件制約，干擾因素較多，處理不好就會出現(xiàn)與科學(xué)概念不相符的現(xiàn)象和結(jié)果，有時學(xué)生會有其他解釋，這會嚴(yán)重影響學(xué)生的學(xué)習(xí)。教師可以運用傳感器改進(jìn)實驗，設(shè)計更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶骄炕顒?，解決學(xué)生質(zhì)疑實驗結(jié)果甚至結(jié)論的問題。

例如，小學(xué)科學(xué)教學(xué)開展熱輻射的探究教學(xué)時，往往是在常態(tài)環(huán)境下做實驗，學(xué)生總會質(zhì)疑空氣對流在其中起到的作用。一些教師用權(quán)威壓制學(xué)生的這種想法。其實，教師營造一個近乎真空的空間，學(xué)生就容易接受了。

教師找來一根密封玻璃管，將里面的空氣抽出，讓學(xué)生用光源直射和斜射管子，觀察管內(nèi)溫度是否發(fā)生變化且會如何變化。此時，如果管內(nèi)放置的是常用的溫度計就不利于準(zhǔn)確測量和學(xué)生讀數(shù)了，于是，教師采用溫敏電子溫度計讓學(xué)生觀測（數(shù)顯部分留在瓶外）。這個實驗活動讓學(xué)生很清楚地看到數(shù)顯屏上的數(shù)字在光照瓶子下會增大，且對比光直射瓶子和斜射瓶子時，屏顯上數(shù)字增長的速度和停止的數(shù)值均不同。學(xué)生通過數(shù)據(jù)分析，認(rèn)識到存在熱輻射，并知道光直射一個區(qū)域時，這個區(qū)域的溫度比光斜射時高，同時理解了為什么每天早晚涼而中午熱。

又如，對于空氣是否有質(zhì)量的探究活動，教師同樣運用傳感器改進(jìn)實驗，解決了學(xué)生實驗操作結(jié)果與概念不相符的問題。傳統(tǒng)實驗方案是：教師用線繩提起一根直棍，在直棍兩側(cè)分別掛一個氣球并調(diào)平，然后吹起一個氣球讓學(xué)生觀察現(xiàn)象。這個實驗并不復(fù)雜，但操作難度較大，吹鼓氣球時很容易移動棍子上掛在三處的繩子，失去平衡致使結(jié)果不可控。此外，吹鼓的氣球受到更大的空氣浮力，也可能導(dǎo)致結(jié)論錯誤。同樣選擇一個密封的瓶子，教師用力敏電子秤稱量有空氣和被抽出空氣的瓶子質(zhì)量，通過數(shù)據(jù)之差準(zhǔn)確反映事實，有效幫助學(xué)生構(gòu)建了空氣有質(zhì)量的概念。

三、在探究教學(xué)中利用傳感器促進(jìn)學(xué)生素養(yǎng)發(fā)展

（一）運用傳感器多角度獲取證據(jù)，培養(yǎng)學(xué)生的批判與質(zhì)疑精神

雖然很多科學(xué)結(jié)論暫時還停留在假設(shè)的層次上，但小學(xué)科學(xué)學(xué)科探究的科學(xué)問題都是在實證基礎(chǔ)上形成的科學(xué)結(jié)論。教師從學(xué)生角度去審視所有探究學(xué)習(xí)內(nèi)容，會發(fā)現(xiàn)有些活動只是獲得了一方面的證據(jù)就形成結(jié)論了。從多年教學(xué)情況來看，學(xué)生一般不會質(zhì)疑，但不能否定有些學(xué)生內(nèi)心是有疑惑的。這樣的探究不利于學(xué)生素養(yǎng)發(fā)展。

例如，引導(dǎo)學(xué)生觀察蒸發(fā)現(xiàn)象時，很多教師會用濕抹布擦黑板創(chuàng)設(shè)情境，待黑板上的水看不見了以后提出問題“黑板上的水到哪里去了”。有的學(xué)生說“滲進(jìn)黑板里去了”;有的學(xué)生說“變成水蒸氣飛進(jìn)空氣里了”。還有一些學(xué)生持“水就是消失不再存在了”的觀點。對于這個觀點，有些教師誤以為轉(zhuǎn)換了其他形式存在就被忽略掉了。其實，這些學(xué)生的觀點就是不再有這部分物質(zhì)，即絕對消失。

教師在探究教學(xué)中必須糾正學(xué)生的錯誤認(rèn)知。傳統(tǒng)實驗方案是：證明水沒有進(jìn)入黑板里面去，于是學(xué)生相信水進(jìn)入到空氣里了，加上他們有一定知識儲備很容易接受這個說法。但從探究學(xué)習(xí)概念的意義構(gòu)建角度看，這多少違背了教學(xué)要求。要解決這個疑難問題，必須用實證探究，這時傳感器就能發(fā)揮關(guān)鍵作用了。

教師組織學(xué)生用電子秤稱量一塊小黑板的質(zhì)量并做記錄，再用濕抹布將小黑板擦濕，稱量質(zhì)量并記錄。接著，學(xué)生用燈照射，觀察水變干的過程，并記錄電子秤上數(shù)值的變化情況。學(xué)生分析數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，水完全看不見后，電子秤上的數(shù)值恢復(fù)到了只有小黑板時候的數(shù)值，這說明水并沒有進(jìn)入到黑板里。那還有兩種可能：一個是變成水蒸氣進(jìn)入空氣中，一個是真的消失掉了。

教師接著提供了濕敏濕度計做實驗。學(xué)生再次將小黑板擦濕，并將濕度計置于小黑板上方，他們發(fā)現(xiàn)水在變干的過程中，濕度計上的數(shù)值呈現(xiàn)上升趨勢。于是，學(xué)生基于數(shù)據(jù)事實否定了“消失”的觀點，一致構(gòu)建了水變干就是變成水蒸氣進(jìn)入空氣里的認(rèn)知。

這節(jié)課里，傳感器的作用就是將原本不可實證的部分做到實證，實現(xiàn)學(xué)生多視角審視并解決問題，培養(yǎng)批判質(zhì)疑精神，發(fā)展探究實踐素養(yǎng)。

（二）運用傳感器深度推進(jìn)探究進(jìn)程，助力學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展

科學(xué)思維是小學(xué)科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)之一。對某一節(jié)課而言，深度學(xué)習(xí)更多體現(xiàn)在學(xué)生思維的表現(xiàn)程度上，對于高年級學(xué)生，教師要給他們更多的挑戰(zhàn)。在一些原本進(jìn)行觀察的學(xué)習(xí)內(nèi)容中，教師讓學(xué)生運用傳感器和Arduino控制板組合進(jìn)一步探究，會促進(jìn)他們思維發(fā)展。

例如，教師設(shè)計了“暖和的房間”一課，以項目式學(xué)習(xí)的方式讓學(xué)生探究空氣熱對流現(xiàn)象。教師設(shè)計了一個房間的模型，提出任務(wù)性問題“要給這個房屋安裝暖氣，這個暖氣安在哪里效果最好呢”。基于生活經(jīng)驗，有的學(xué)生說安在墻靠近地面位置，有的說安在墻的中間位置，還有的認(rèn)為是靠房頂?shù)奈恢谩?/p>

哪些學(xué)生的觀點是正確的？教師分別將電熱棒模擬暖氣放在房間墻面的上、中、下三個位置，并提供香，從頂部往房間模型里放煙。學(xué)生則在“暖氣”所在的三個位置分別觀察煙的流動情況，從而推理熱在里面是如何傳遞的，并基于煙流動現(xiàn)象的事實，得出“暖氣裝在墻面的下方效果最好”的結(jié)論。

一般情況下，這節(jié)課的概念構(gòu)建就會在這樣一個模擬實驗中，通過轉(zhuǎn)換法進(jìn)行觀察解釋就結(jié)束了。但教師為了學(xué)生的探究學(xué)習(xí)更有深度，證據(jù)更充分，又提供了溫感器與Arduino控制板，讓學(xué)生用數(shù)據(jù)進(jìn)一步證明暖氣裝在房間墻體下面效果最好。

如圖1所示，當(dāng)電熱棒所模擬的暖氣分別置于房間模型的上、中、下位置時，溫感器感應(yīng)的房間溫度從22 ℃到24 ℃需要的時間（25 ℃是此時教室里的溫度），分別用了6分46秒、5分4秒和3分4秒，學(xué)生通過對數(shù)據(jù)的比較分析進(jìn)一步證實了“暖氣安置在房間墻體下面效果最好”的結(jié)論。

學(xué)生在這次學(xué)習(xí)中，首先基于生活經(jīng)驗進(jìn)行猜想，并基于煙的流動提出假設(shè)，最后運用信息技術(shù)手段獲得證據(jù)完成探究學(xué)習(xí)任務(wù)。在這個過程中，學(xué)生的思維始終活躍著，他們會利用不同層次的證據(jù)進(jìn)行科學(xué)推理，從而構(gòu)建科學(xué)概念。

（三）運用多種傳感器開展“科學(xué)創(chuàng)客”活動，促進(jìn)素養(yǎng)發(fā)展

教師使用傳感器，不能滿足于簡簡單單實現(xiàn)觀察信息的獲取，而要促進(jìn)學(xué)生發(fā)展。科學(xué)課上，學(xué)生經(jīng)常使用傳感器開展探究學(xué)習(xí)活動獲得證據(jù)，同時他們逐漸地也會對用傳感器解決問題越來越感興趣。教師應(yīng)該提供給學(xué)生學(xué)科學(xué)、用科學(xué)的機(jī)會，讓他們合作解決真實問題，使素養(yǎng)得到全面的發(fā)展。

北京市東城區(qū)史家胡同小學(xué)的學(xué)生在看到教師每天中午都要很辛苦地推著很沉的飯車給每個班送飯時，就產(chǎn)生了一種設(shè)計一款自動送餐車的念頭。學(xué)生在教師的組織和指導(dǎo)下，借助多方力量，經(jīng)過幾輪的設(shè)計，最終制造出一款“智能送飯機(jī)器人”。這款機(jī)器人通過色敏感應(yīng)器，識別食堂到班級之間地面上貼的不同顏色的色帶前行;頭部設(shè)有紅外線感應(yīng)器，能感應(yīng)一定距離里的障礙物，當(dāng)有學(xué)生從前方經(jīng)過時，就會停下來等待;頭部裝有一對類似于昆蟲的觸角（觸感器），一旦紅外線感應(yīng)器失靈，這就是第二道安全防線，觸角碰到障礙物時機(jī)器人會立即停止前行。學(xué)生制造這款機(jī)器人還應(yīng)用了一些其他技術(shù)，用以實現(xiàn)不同功能。

這款機(jī)器人雖然是模型，但實現(xiàn)了基本功能。機(jī)器人設(shè)計與制造得到了學(xué)校、教師的支持和指導(dǎo)，以及社會多方力量的技術(shù)幫助，但基本創(chuàng)意、設(shè)計與實驗都是學(xué)生自己完成的。實踐過程中的學(xué)習(xí)最為真實，學(xué)生素養(yǎng)也會得到很好的發(fā)展。

傳感器替代人的感官從自然世界獲取信息，但教師不能只為教學(xué)順利推進(jìn)而無限制地選用傳感器，在所謂的順利過程中要思考，是否簡化了實驗活動同時也簡化了學(xué)生的思考。如果簡化了學(xué)生思考，是否會弱化學(xué)生素養(yǎng)的發(fā)展呢？教師運用傳感器開展小學(xué)科學(xué)的探究教學(xué)，一定是為學(xué)生的學(xué)服務(wù)，為學(xué)習(xí)目標(biāo)達(dá)成和素養(yǎng)發(fā)展服務(wù)，而不是為了教師教起來簡單。

注：本文系北京市教育學(xué)會“十四五”教育科研課題2021年度一般課題“以科學(xué)創(chuàng)客教學(xué)模式實施小學(xué)科學(xué)教學(xué)的研究”（課題編號：DCYB2021-304）的研究成果之一。

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（作者系北京市東城區(qū)教育科學(xué)研究院教研員）

責(zé)任編輯：祝元志