數(shù)字技術(shù)在小學(xué)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的研究

數(shù)字技術(shù)在小學(xué)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用的研究主持人：上虞市城東小學(xué)夏苗鋒小學(xué)科學(xué)是一門以實(shí)驗(yàn)探究為基礎(chǔ)的學(xué)科，探究實(shí)驗(yàn)生動(dòng)形象，從感性到理性，從具體到抽象，從簡單到復(fù)雜，符合認(rèn)識(shí)規(guī)律、教學(xué)規(guī)律，是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)精神的重要手段。學(xué)生通過觀察、實(shí)驗(yàn)、思考，能培養(yǎng)觀察能力、分析能力、歸納能力、動(dòng)手能力和解決問題的能力；學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)?zāi)軐W(xué)到實(shí)驗(yàn)技能，養(yǎng)成良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣，培養(yǎng)科學(xué)態(tài)度和科學(xué)作風(fēng)。所以說實(shí)驗(yàn)探究在小學(xué)科學(xué)起到了非常積極的作用。但由于教材內(nèi)容的綜合性、開放性和靈活性，與教材配套的課程資源，特別是相應(yīng)的科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備不足，儀器精確程度不高導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果欠佳等矛盾日益突出。因此，我們有意識(shí)、有目的地研究開發(fā)和利用各種資源，研制便于學(xué)生自主探索、合作學(xué)習(xí)的儀器設(shè)備，促進(jìn)學(xué)生的探究顯得應(yīng)用非常迫切和重要。第一部分：生成背景一、傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法分析現(xiàn)在小學(xué)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)主要以傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器來完成的，如果我們?yōu)榱搜芯块_發(fā)和利用新的實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，而否定了原來傳統(tǒng)的探究方法，這是不科學(xué)的，傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法在探究實(shí)驗(yàn)中舉足輕重。（一）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的優(yōu)勢(shì)1.親自讀數(shù)、記錄數(shù)據(jù)，能鍛煉學(xué)生的觀察能力。2.實(shí)驗(yàn)時(shí)要自己組裝實(shí)驗(yàn)器材，能夠鍛煉動(dòng)手能力3.利用原始數(shù)據(jù)作圖并判斷分析圖像，能鍛煉學(xué)生的分析思考能力。（二）傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法的不足但是隨著新課程改革的不斷深入，有些傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)探究方法僅很難滿足學(xué)生發(fā)展的需要，有些還成為阻礙實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量提高的瓶頸：1．部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段的存在著操作技術(shù)上的許多障礙?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器普遍精度低、誤差大、可重復(fù)性差，影響學(xué)生對(duì)小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象規(guī)律的深入理解。如在上小學(xué)科學(xué)的過程中運(yùn)用到的計(jì)時(shí)器、彈簧秤、溫度計(jì)、壓強(qiáng)計(jì)等實(shí)驗(yàn)儀器，學(xué)生存在著不會(huì)用、用不好、用不準(zhǔn)的問題，而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)效果大打折扣。2．部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)存在著探究花時(shí)間，實(shí)驗(yàn)效率不高的問題傳統(tǒng)的科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)因?yàn)檫^程復(fù)雜，步驟繁瑣，往往使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中扮演了一個(gè)參加機(jī)械勞動(dòng)的“機(jī)器”，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)操作過程中必須把大量的精力和時(shí)間花費(fèi)在操作過程上，沒有足夠的時(shí)間來觀察現(xiàn)象、思考問題和提出問題。如，在研究小學(xué)科學(xué)六上《斜面》一課中斜面的省力規(guī)律的實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生每個(gè)坡度做3次實(shí)驗(yàn)，取平均值，如何更快更準(zhǔn)地得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，節(jié)省許多寶貴的探究時(shí)間，把更多精力集中在對(duì)探究過程的分析和研究上，提高小學(xué)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)的效率？這是我們應(yīng)該考慮現(xiàn)實(shí)問題。3．部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在在觀察微小實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象時(shí)受到限制小學(xué)科學(xué)探究的成功經(jīng)驗(yàn)表明，把探究實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和規(guī)律納入學(xué)生可視化范圍，讓學(xué)生“看到現(xiàn)象”是實(shí)驗(yàn)成功的關(guān)鍵。在小學(xué)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)中涉及聲學(xué)、光學(xué)、力學(xué)、磁學(xué)實(shí)驗(yàn)所要求的基本數(shù)據(jù)較難獲得，靠虛擬或者仿真替代的也是紙上談兵。如何將微小現(xiàn)象放大化、實(shí)驗(yàn)過程直觀化，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)可視性，這是也是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)應(yīng)該克服的。4.部分傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)的誤差較大，造成實(shí)驗(yàn)分析的錯(cuò)誤有時(shí)在探究過程中數(shù)據(jù)存在很大的出入，最終雖然勉強(qiáng)能得出結(jié)論，但從部分學(xué)生的表情來看，還是不能很好地信服。這樣不利于培養(yǎng)學(xué)生獲取數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)的能力。也不利于培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)探究精神。二、解決方法以傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)為基礎(chǔ)的信息技術(shù)在最近的二十年內(nèi)迅速發(fā)展，其廣泛應(yīng)用不僅顯著改變了人類的生產(chǎn)、經(jīng)營甚至生活形態(tài)，而且也逐步進(jìn)入到學(xué)校的教學(xué)應(yīng)用，我們看到多媒體教學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真、互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、教學(xué)軟件管理等等，傳統(tǒng)教學(xué)只要和信息技術(shù)結(jié)合，就會(huì)迸發(fā)出空前的生機(jī)和活力。

在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究中引入數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，使一些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)無法想象的變得可視、可聽、圖文并茂，這是實(shí)驗(yàn)的革新，為學(xué)生的親自探索、親身體驗(yàn)提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。小學(xué)科學(xué)探究數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是由傳感器、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)分析處理軟件、實(shí)驗(yàn)教程構(gòu)成的一套完整的實(shí)驗(yàn)輔助系統(tǒng)。三、引入數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)意義（一）基于課程改革背景下的小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)探究需要我國的基礎(chǔ)教育課程改革的啟動(dòng)以2001年頒布《基礎(chǔ)教育課程改革綱要（試行）》為標(biāo)志，到2005年秋季，已進(jìn)入全面的推廣應(yīng)用階段，全國中小學(xué)階段各起始年級(jí)的學(xué)生基本都進(jìn)入了新課程。本次小學(xué)課改的一個(gè)明顯特點(diǎn)是首次明確強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)、探究能力、問題解決能力的目標(biāo)，并在在小學(xué)三--六年級(jí)設(shè)立科學(xué)課和綜合實(shí)踐活動(dòng)課。其中小學(xué)科學(xué)課的改革與設(shè)立最為徹底，基本保持了與全球發(fā)達(dá)國家和地區(qū)小學(xué)科學(xué)教育的一致性。在此背景下，原來小學(xué)的自然實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)不能滿足新的小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)下的科學(xué)教學(xué)的需要，建設(shè)小學(xué)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)室，已經(jīng)成為實(shí)施小學(xué)科學(xué)教學(xué)、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和探究能力的配套措施?；跀?shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)室已在英國、美國、日本、香港、臺(tái)灣等先進(jìn)國家和地區(qū)推行多年，例如在香港，數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)已經(jīng)列入小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)配置目錄。（二）數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是建設(shè)小學(xué)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)室重要裝備內(nèi)容2009年11月，浙江省教育廳在寧波和溫州正式啟動(dòng)“小學(xué)科學(xué)探究性實(shí)驗(yàn)室工程”，以全面加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和探究精神，提高學(xué)生問題解決能力和實(shí)踐操作技能。截止2010年4月底，浙江省建成首批80個(gè)小學(xué)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)室。浙江省教育技術(shù)中心已制訂《小學(xué)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)室裝備方案》，小學(xué)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)包含能源之道、生命之秘、力熱之奇、聲音之妙、電磁之奧、光影之魅、地理之謎、綜合探究等8個(gè)科學(xué)探究主題的教學(xué)儀器及配套設(shè)施，充分滿足小學(xué)階段科學(xué)課程和拓展需要，體現(xiàn)源于教材、高于教材的系統(tǒng)特色；儀器設(shè)備注重與生活實(shí)際相結(jié)合，與現(xiàn)代科技相聯(lián)系；在這8個(gè)科學(xué)探究主題的教學(xué)儀器及配套設(shè)施中很多內(nèi)容涉及到數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。但是這些實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與教材不配套。數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)更能激發(fā)學(xué)生的探究興趣，體現(xiàn)合作交流和自主探究理念，適應(yīng)學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)和動(dòng)手操作，滿足科學(xué)教育素養(yǎng)和技術(shù)技能培養(yǎng)要求。是現(xiàn)代化教育的一個(gè)窗口，是創(chuàng)新教育的一個(gè)抓手。（三）數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是改進(jìn)實(shí)驗(yàn)材料重要手段之一早在2006年，上虞市科學(xué)教研組就研究的課題《基于科教版小學(xué)科學(xué)（3-6年級(jí)）教材中活動(dòng)材料改進(jìn)的研究與實(shí)踐》就提到了活動(dòng)材料準(zhǔn)備影響探究實(shí)驗(yàn)有效性的問題。在上虞市小學(xué)科學(xué)教師中進(jìn)行了一次專題問卷調(diào)查。通過回收的120份調(diào)查表分析，發(fā)現(xiàn)：92％的小學(xué)科學(xué)教師認(rèn)為上科學(xué)課最大的苦惱是材料準(zhǔn)備工作;46.15％的教師有經(jīng)常碰到材料準(zhǔn)備困難的情況;62.5％的教師在實(shí)際的課堂教學(xué)中，材料的使用達(dá)不到探究活動(dòng)預(yù)期效果。而84.6%的教師想過材料改進(jìn)的方法，15.4%的教師有過材料改進(jìn)的經(jīng)驗(yàn)，所有的教師都想?yún)⑴c材料改進(jìn)和研究工作。教科版小學(xué)《科學(xué)（3-6年級(jí)）》教材編寫的基點(diǎn)設(shè)置在活動(dòng)上，用活動(dòng)統(tǒng)整科學(xué)知識(shí)、過程、方法以及情感、態(tài)度、價(jià)值觀三維目標(biāo)，用活動(dòng)的方式展示小學(xué)生科學(xué)探究學(xué)習(xí)。在強(qiáng)調(diào)學(xué)生親身經(jīng)歷以探究為核心的學(xué)習(xí)活動(dòng)中，就離不開賴以開展活動(dòng)的實(shí)驗(yàn)材料，提供什么樣的材料在一定程度上影響著活動(dòng)的質(zhì)量與效率。數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的引入，對(duì)于教學(xué)一線的小學(xué)科學(xué)教師而言，降低了實(shí)驗(yàn)材料準(zhǔn)備的繁雜性，為師生提供了更加直接、更加有效的實(shí)驗(yàn)探究方法，將會(huì)大大方便一線科學(xué)教師課前的工作量，同樣會(huì)更精細(xì)地滿足學(xué)生探究的需要，增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)探究有效性。（四）對(duì)小學(xué)信息技術(shù)與科學(xué)探究整合的嘗試

數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要求運(yùn)用信息技術(shù)作為工具，使科學(xué)實(shí)驗(yàn)的呈現(xiàn)方式、學(xué)生的探究方式、教師的教學(xué)方式和師生的互動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)全新的變革，促進(jìn)小學(xué)科學(xué)探究過程中的各個(gè)要素和環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)全面優(yōu)化。將數(shù)字實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有效融合于小學(xué)科學(xué)營造一種新型的探究環(huán)境，實(shí)現(xiàn)一種既能發(fā)揮教師主導(dǎo)作用又能充分體現(xiàn)學(xué)生主體地位的以“自主、探究、合作”為特征的實(shí)驗(yàn)探究的方式，從而把學(xué)生的主動(dòng)性、積極性、創(chuàng)造性較充分地發(fā)揮出來，使學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的培養(yǎng)真正落到實(shí)處。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是一種全新的軟硬件一體化的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它具有多類型的傳感器、多通道的數(shù)據(jù)采集器，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)手段數(shù)字化、測(cè)量呈現(xiàn)實(shí)時(shí)化、現(xiàn)象規(guī)律可視化、操作測(cè)量簡單化，在真實(shí)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了信息技術(shù)與小學(xué)科學(xué)探究的整合，在延續(xù)傳統(tǒng)的同時(shí)超越傳統(tǒng)。第二部分：進(jìn)展情況一、召開項(xiàng)目實(shí)施論證會(huì)2011年12月21日，項(xiàng)目組全體成員在城東小學(xué)召開論證會(huì)，參加項(xiàng)目論證會(huì)議的有城東小學(xué)校長、上虞市電教館技術(shù)人員、浙江省勝昔科技公司經(jīng)理。浙江省勝昔科技經(jīng)理介紹目前中學(xué)配置數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的情況，小學(xué)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制迫在眉睫。我們項(xiàng)目實(shí)施的目標(biāo)是基于教材，改進(jìn)教材中的實(shí)驗(yàn)器材，最好研制數(shù)字實(shí)驗(yàn)工具箱，受老師歡迎，利用勝昔科技現(xiàn)有的傳感器可以做哪些實(shí)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)有傳感器可以研制哪些數(shù)字實(shí)驗(yàn)器材。二、考察數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)2012年3月9日上午，項(xiàng)目組全體成員考察上虞市東關(guān)小學(xué)由省電教館配置的科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)室，項(xiàng)目實(shí)施組成員一一實(shí)踐研究。下午，課題組全體成員參觀勝昔科技工廠，公司領(lǐng)導(dǎo)介紹公司的主打產(chǎn)品三、整理科學(xué)課本中運(yùn)用數(shù)字技術(shù)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組全體成員對(duì)小學(xué)科學(xué)課本所有探究實(shí)驗(yàn)進(jìn)行整理，八冊(cè)教材中共整理出可以運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)的實(shí)驗(yàn)20個(gè)。四、編寫數(shù)字技術(shù)運(yùn)用于實(shí)驗(yàn)的器材制作腳本現(xiàn)在正在著手編寫具體的方案（實(shí)驗(yàn)器材制作腳本），包括：應(yīng)用傳感器類別、應(yīng)用情境設(shè)計(jì)、教材中具體應(yīng)用的內(nèi)容、應(yīng)用功能、建議及意見。下步打算與廠家聯(lián)系生產(chǎn)數(shù)字化實(shí)驗(yàn)設(shè)備，開出數(shù)字化實(shí)驗(yàn)研討課，成果總結(jié)，完成產(chǎn)品，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室裝備。第三部分：遇到的困惑首先，教改項(xiàng)目研究前期投入較大，經(jīng)費(fèi)的投入制約著項(xiàng)目的進(jìn)一步研究。浙江省勝昔科技有限公司雖然愿意為項(xiàng)目實(shí)施扎實(shí)推進(jìn)和成果轉(zhuǎn)化提供資金和技術(shù)保障，但商人往往有利的話才會(huì)投入。如果在試驗(yàn)階段，投資的積極性不高。其次，要用數(shù)字化手段來進(jìn)行某一探究實(shí)驗(yàn)，選擇實(shí)驗(yàn)課題時(shí)就應(yīng)該考慮采用數(shù)字化手段來進(jìn)行這個(gè)實(shí)驗(yàn)的必要性。在實(shí)驗(yàn)課題的選擇上，數(shù)字化實(shí)驗(yàn)比較適合用在那些過程比較復(fù)雜的，要采集的數(shù)據(jù)量比較多的，數(shù)據(jù)處理