◇耿健敏 柏 毅（通讯作者） 高 伟

（东南大学儿童发展与教育研究所、儿童发展与学习科学教育部重点实验室南京市栖霞区科学教研员）

一、小学科学传统实验教学中存在的问题

2022年版《义务教育科学课程标准》指出：探究和实践是科学学习的主要方式，要加强对探究和实践活动的研究与指导，整合启发式、探究式、互动式、体验式和项目式等各种教与学方式的基本要求，设计并实施能够促进学生深度学习的思维型探究和实践。在义务教育阶段，通过科学探究实验可以培养学生的创新精神、实践能力，提高学生的科学学习能力。然而，长期以来，小学科学的探究实验由于实验器材的局限性，往往很难得到精确的数据，实验结果以模糊、定性为主，定量研究的开展较为困难。这在一定程度上影响了学生对科学本质的理解，不利于培养学生严谨的科学思维。除此之外，传统实验还存在实验操作时间较长、数据处理过程烦琐、效率低等问题。

二、小学科学数字化实验概述

教育部印发的《教育信息化2.0 行动计划》强调，一个国家的教育信息化要发挥全球引领作用、达到世界领先水平，先进的软硬件基础设施、丰富的优质教育资源、数字化（乃至智慧化）校园环境、师生较高的信息技术应用能力与信息素养……这些都是必须具备的基础与条件。数字化实验作为信息技术与小学科学课程结合的平台，为小学科学教学内容的呈现、教学方式的转化，提供了变革的契机。本文中的数字化实验，特指运用数字化实验系统开展的小学科学实验。

数字化实验系统（Digital Information System，即DIS）由传感器、数据采集器、计算机、配套软件包（通用软件和专业软件）、配套实验材料等构成。从基于传感器的数字化实验模式来看，该模式是通过数字传感器采集实验数据产生的信息，通过数据采集器转化信息并输入计算机进行信息处理，通过软件系统以数据表、图像等形式输出处理后的实验数据。数字化实验通常有以下特点。

（一）实验数据更精准

国家标准GB7665-87 对传感器的定义是：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。传感器中的敏感元件以电学方式采集数据，因而传感器具有精度高、速度快，输出信号便于传输、转换、处理、显示的特点。例如，力、电流、pH 酸碱度等实验变量的测量，分别使用力传感器、电流传感器、pH 传感器，将其转化成电信号，输入数据采集器。这是传统的科学实验仪器弹簧测力计、电流表和pH 试纸等无法比拟的。有些传感器则填补了传统实验测量的空白，如，电磁传感器能够测量磁感应强度，因此较大程度地扩展了实验变量的测量范围。

（二）实验结果更直观清晰

传统的实验设备，几乎很难展现各个实验变量之间的因果关系，需要学生进行数据记录和计算，占用了课堂大部分的时间和精力，而数字化实验系统则实现了实验数据的采集、记录、分析同步，实验结果可以曲线、图表等多种方式直观地呈现出来。因此为学生分析实验结果、得出结论争取了更多的时间。由于数据采集器可以同时连接多个传感器，实现多种实验数据并行处理与显示，帮助学生对科学规律有更清晰的认知，大大提高了实验教学的效果。

（三）实验过程更有趣

行为主义学习理论认为，学习是刺激与反应的联结。利用数字化实验系统可以将实验的数据实时地展现在电脑或者平板的屏幕上，学生能得到更快、更精确的实验反馈，能够更迅速地做出响应，充分调动积极性。数字化实验相对于传统实验，形式更加新颖，使复杂的认知活动变得简单又轻松，能充分发挥学生在教学中的主体地位，激发学生学习科学知识和进行科学探究的兴趣，有效地提升学生的课堂参与度。

三、数字化实验在小学科学课堂中的实践

本文以苏教版小学科学六年级下册《做个生态瓶》一课为例，分析如何将数字化实验运用于小学科学课堂教学实践。

（一）课例研究背景

《做个生态瓶》是苏教版六年级下册第二单元“生物和栖息地”的第三课。本课围绕“做个生态瓶”这一主题层层展开，通过观察、实验、交流等学习方式，进一步理解生态瓶中生物与生物之间、生物与非生物之间的相互作用和依存关系，建立生态系统的概念，理解生态平衡的重要意义。

本节课借助数字化实验系统进行定量探究，代替了通过观察生态瓶中生物的生存情况，模糊定性得出结论的传统实验教学方式。课程研发团队通过反复修改，最终呈现如下教学设计。

（二）课例实施过程

1.创设情境，关联学生日常生活

播放电影《狼图腾》片段：人们赶到大雪湖去寻找狼贮备的食物，发现一只活着的小黄羊，比利格阿爸却要求把那只黄羊放了。教师抛出疑问：当时食物那么匮乏，为什么还要把那只黄羊放了呢？

设计意图：小学六年级的学生处于具体运算阶段，抽象思维尚不完善，因此需要从学生熟悉的场景或者感兴趣的事物引入。通过《狼图腾》电影片段这一教学情境的创设，利用影片中相关情节设计问题：“为什么要放走黄羊？”“草原中的生物之间有一条怎样的食物链？”进而引入“生态系统”和“生态平衡”两个核心概念。

2.开展数字化实验，打破探究局限

通过梳理电影《狼图腾》食物链的关系，分析生态系统所具备的要素。小型池塘生态瓶的设计环节分为两步，引导学生循序渐进地探究。

生态瓶的初步设计。在教师的指导下，引导学生以小组为单位自主设计池塘生态瓶草图，并进行分组汇报。通过这一环节，学生了解到一个池塘生态瓶里需要哪些基本要素：环境（阳光、温度等）、植物、动物等。教师出示并介绍本实验提供的材料：塑料瓶若干个、水藻若干棵、鱼若干条、沙子若干、泥土若干、自然水域的水。

生态瓶的优化设计。通过教师提问、学生交流回答的方式，一步一步引出数字化传感器。

教师提问：为了使生态瓶实现相对平衡状态，植物数量和动物数量应该如何控制？该探究实验应该如何设计？

学生交流：可以通过控制植物的数量，探究不同动物数量的变化对生态瓶稳定性的影响；通过控制动物的数量，探究不同植物数量的变化对生态瓶稳定性的影响。

教师提问：我们设计好的生态瓶，如何判断是否实现相对平衡的状态？

学生交流：可以通过观察生态瓶中的水是否浑浊、鱼是否还活着以及水藻是否枯黄。

教师提问：如果要检测生态瓶中水的状态、水中鱼的状态，可以通过哪些指标检测？

学生交流：检测水的pH 酸碱度、氧气含量、二氧化碳含量。

教师提问：如何检测？

学生回答：可以利用工具测量生态瓶中的氧气和二氧化碳的变化、水的pH酸碱度情况，观察生态瓶中的生物是否处于健康状态及水质的状态。

教师出示二氧化碳传感器、溶解氧传感器、pH传感器，指导学生分小组实验。每个小组做出四个生态瓶，分别是草多鱼少、草多鱼多、草少鱼多以及无草鱼多。在每个生态瓶中均接入二氧化碳传感器、溶解氧传感器、pH传感器。

设计意图：传统实验评价一个生态瓶的微型生态系统是否达到平衡的标准，通常是观察生态瓶中生物的存活状态以及水的浑浊度。该评价标准有一定局限性：首先，学生会疑惑生态瓶中水浑浊与否是否就可以代表生态瓶的平衡状态；其次，若鱼死亡，死亡因素是什么，学生无从得知；最后，学生不希望看到死亡，如果一个实验以生物的死亡为评判标准，就不利于树立学生良好的生命观，同时有悖实验伦理。因此，“做个生态瓶”这一实验利用传统的实验教学方式的弊端就此凸显。

将数字化传感器技术融入实验有以下优势：一是可以不依靠“死亡”让学生判断生态瓶是否实现生态平衡；二是影响生态瓶平衡的因素更容易显现，不需要学生通过感觉来猜想；三是可以观察生态瓶24 小时的数据，保证实验数据的完整性，有利于培养学生严谨的科学观。

3.分析数据结果，提升能力

根据数字化实验系统获取的数据结果以及溶解氧含量、二氧化碳含量、pH 酸碱度的动态曲线，分析生态瓶的状态。

总结迁移：回顾“生态平衡”的概念，通过列举身边大量生态系统被破坏的案例，引导学生从实际出发，从切实的行动中落实生态保护行动。

设计意图：科学探究最终是要进行实证研究，为验证之前的假设开展具有真实性的科学探究，归整学生零散的科学思维，达到完整缜密的状态。《做个生态瓶》一课的教学方式有很多种，教材给出的教学流程更多是停留在学生动手操作上，但对于六年级的学生而言，不应该仅仅局限于此。本节课的重点应该放在生态瓶制作之后的数据分析上，以锻炼学生的高阶思维。

四、数字化实验在小学科学实验教学中运用的反思与建议

在数字化实验的教学过程中，应注意以下几点。

（一）提前做好数字化实验系统的培训工作

在第一次上数字化实验课之前，全班学生均要先熟悉数字化实验系统的操作，对每个小组的组长重点培训，防止正式上课时因学生出现手忙脚乱的现象而降低教学效率。在课前调试好数字化实验系统并且提前分发实验材料，让学生提前预热，节约课堂上的宝贵时间。

（二）做好教学设计

在实验教学实践中，我们发现，学生往往看到教师准备好的传感器，便清楚该节课将要使用传感器做实验，并不会深入思考为什么该实验需要用传感器。因此，教师在教学过程中应该设计好教学环节，首先引导学生发现该实验采用传统的实验装置存在弊端，因而需要一些工具解决，这时数字化实验系统再隆重登场。

（三）正确认识实验误差

数字化传感器可以精确测量人的感官无法感知的物质世界，或是人感知了但无法给出精确量化的数据世界。但是由于传感器过于精确，使得学生过于关注数据的一致性，要获得标准答案，而忽略误差问题。因此，教师在教学过程中，需要和学生强调正视实验误差。

（四）正确认识数字化实验的地位

数字化实验虽然有明显优势，但是也有一些不足之处，如，传感器技术的使用提高了数据处理的效率，但是也弱化了学生的动手操作能力、计算能力以及作图能力。因此应该将传统实验与数字化实验优势互补，同时并重，不要陷入“既然有了数字化实验系统，所有科学实验都必须使用数字化展开教学”的误区。科学实验教学手段选择的核心是实现实验目的、培养学生的科学素养。因此，实验手段的选取必须从实验教学的目的出发，遵循科学探究的底层逻辑，即课程标准的要求。

在教育信息化的浪潮下，数字技术深刻地改变了人们的生活方式，也改变了教育的形态和内涵。基于数字化实验的小学科学实验教学，不仅对学生的探究能力提出了更高的要求，也对教师的教学能力提出了更高的要求。因此教师应该紧跟信息化的脚步，与时俱进，不断学习，终身学习。数字化实验与传统实验的整合是当前科学教学重要的研究方向，需要每一位科学教育工作者及一线教师，通过各种途径开发数字化实验教学案例，改进数字化实验方法，在科学教学过程中发展学生的思维，提高学生的科学素养，让数字化实验更好地为教学服务。