數(shù)字化工具在科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的案例研究

陳小衛(wèi)

[摘 要]在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，使用數(shù)字化工具可以完成力、熱、聲、光、電等各類(lèi)實(shí)驗(yàn)，提高測(cè)量的精度和速度，完成常規(guī)儀器難以完成的實(shí)驗(yàn)。基于此，需要對(duì)數(shù)字化工具在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用進(jìn)行研究，系統(tǒng)梳理出教科版小學(xué)科學(xué)教材中適合應(yīng)用數(shù)字化工具進(jìn)行教學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并將這些內(nèi)容編制成案例，為一線科學(xué)教師尤其是兼職教師更好地開(kāi)展教學(xué)提供范本。

[關(guān)鍵詞]實(shí)驗(yàn)教學(xué);案例研究;數(shù)字化工具;應(yīng)用

[中圖分類(lèi)號(hào)] G623.6[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1007-9068（2021）09-0074-02

國(guó)外研究者從不同的層次、不同的方向、不同的角度對(duì)數(shù)字化工具應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行研究，結(jié)果表明：數(shù)字化工具應(yīng)用于教學(xué)，可以促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)能力、信息素養(yǎng)、自主探究能力及綜合能力的提升，對(duì)小學(xué)科學(xué)教學(xué)具有突破性意義，因?yàn)閿?shù)字化工具的介入與使用，讓科學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)更精準(zhǔn)，解釋更有說(shuō)服力。

伴隨著中小學(xué)課程教材改革，數(shù)字化教學(xué)理念也開(kāi)始在我國(guó)逐步推廣。如上海著名的實(shí)驗(yàn)教學(xué)專(zhuān)家、特級(jí)教師馮容士與山東遠(yuǎn)大集團(tuán)合作研發(fā)的“朗威數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”，加快了我國(guó)信息數(shù)字化教學(xué)的步伐?！笆濉逼陂g，廣東省中山市鳳鳴小學(xué)的黎少容老師主持了一個(gè)課題，題目是《數(shù)字探究促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)發(fā)展的研究》，該課題圍繞“朗威數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”設(shè)計(jì)了一些教學(xué)的活動(dòng)方案，但不是依托科學(xué)教材進(jìn)行的，類(lèi)似于課外探究性實(shí)驗(yàn)社團(tuán)，形成獨(dú)立于小學(xué)科學(xué)教材之外的內(nèi)容體系。另外，通過(guò)文獻(xiàn)查閱，一些中學(xué)物理、化學(xué)學(xué)科教師發(fā)表了關(guān)于使用數(shù)字化工具提高教學(xué)有效性的論文，這些論文雖然只是零星的、以碎片化的方式，用事例來(lái)說(shuō)明數(shù)字化工具在教學(xué)中使用的意義，沒(méi)有進(jìn)行系統(tǒng)的闡述和編制成教學(xué)案例，但也是學(xué)界對(duì)數(shù)字化教學(xué)的一種嘗試?；诖耍倚ｉ_(kāi)展了數(shù)字化工具在小學(xué)科學(xué)中應(yīng)用的案例研究，系統(tǒng)梳理出教科版小學(xué)科學(xué)教材中適合使用數(shù)字化工具進(jìn)行教學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，并將這些內(nèi)容編制成案例，在案例設(shè)計(jì)上加強(qiáng)指導(dǎo)，為一線科學(xué)教師尤其是兼職教師更好地開(kāi)展教學(xué)提供范本，最大限度地保證實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

一、數(shù)字化工具簡(jiǎn)介

數(shù)字化工具是一種建立在測(cè)量技術(shù)上的檢測(cè)裝置，能夠感受到被測(cè)量的信息，并能將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)化為需要形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲(chǔ)、顯示、記錄和控制等要求。這里的數(shù)字化工具，指為完成小學(xué)科學(xué)教學(xué)目標(biāo)而使用的系列傳感器和應(yīng)用軟件，用它們可以完成力、熱、聲、光、電等各類(lèi)實(shí)驗(yàn)，提高測(cè)量的精度和速度，完成常規(guī)儀器難以完成的實(shí)驗(yàn)。

我校通過(guò)對(duì)教科版小學(xué)科學(xué)教材中適合用數(shù)字化工具進(jìn)行教學(xué)的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行梳理，經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、實(shí)踐，使之形成一組獨(dú)立案例，借助案例的推廣使用，讓一線科學(xué)教師，特別是兼職教師，對(duì)數(shù)字化工具有一定的認(rèn)識(shí)，并能將其運(yùn)用于日常實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，提高課堂教學(xué)效率。同時(shí)，通過(guò)教師參與案例的設(shè)計(jì)和研究，實(shí)現(xiàn)其運(yùn)用理論提高實(shí)踐水平的目標(biāo)。

二、研究背景

1.科學(xué)課程發(fā)展的要求

實(shí)驗(yàn)是科學(xué)教學(xué)的核心，想要學(xué)好科學(xué)必須從實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，而實(shí)驗(yàn)材料又是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基礎(chǔ)，選擇有結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)材料，可以讓學(xué)生獲取直接經(jīng)驗(yàn)和引發(fā)思考，揭示科學(xué)概念的內(nèi)涵，促進(jìn)認(rèn)知發(fā)展。同時(shí)，教育部辦公廳《關(guān)于印發(fā)<2017年教育信息化工作要點(diǎn)>》中明確指出：“以構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化、個(gè)性化、終身化的教育體系，建設(shè)‘人人皆學(xué)、處處能學(xué)、時(shí)時(shí)可學(xué)的學(xué)習(xí)型社會(huì)，培養(yǎng)大批創(chuàng)新人才為發(fā)展方向，貫徹落實(shí)教育信息化‘十三五規(guī)劃總體部署，按照‘服務(wù)全局、融合創(chuàng)新、深化應(yīng)用、完善機(jī)制的原則，大力推動(dòng)‘四個(gè)提升和‘四個(gè)拓展，充分發(fā)揮教育信息化對(duì)教育現(xiàn)代化的支撐和引領(lǐng)作用?！庇纱丝梢?jiàn)，將數(shù)字化工具應(yīng)用在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中是教學(xué)手段變革的趨勢(shì)。

當(dāng)前，小學(xué)科學(xué)教材中的科學(xué)實(shí)驗(yàn)大多以不精確、定性為特征，很少有定量研究，主要原因是小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)儀器配備標(biāo)準(zhǔn)已有近十年未更新，老舊的實(shí)驗(yàn)器材依然是主流。數(shù)字化工具的引入，不僅僅是實(shí)驗(yàn)工具的更新，更重要的是為定性實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)變?yōu)槎繉?shí)驗(yàn)提供可能。而且，數(shù)字化工具以精確、智能、易于操作等優(yōu)勢(shì)，可大大提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)效。

2.學(xué)生實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)提升的要求

受傳統(tǒng)教學(xué)理念和實(shí)踐的影響，小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中普遍存在“重知識(shí)，輕探究”“重形式，輕實(shí)質(zhì)”“重動(dòng)手，輕思維”的假探究活動(dòng)現(xiàn)象。如果將數(shù)字化工具引入科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)中，能夠讓學(xué)生親歷探究活動(dòng)，拓展研究?jī)?nèi)容，更好地滿足學(xué)生的好奇心和求知欲;能夠降低實(shí)驗(yàn)難度，提高實(shí)驗(yàn)效率，讓學(xué)生有更多的時(shí)間和精力反思、交流自己與同伴的探究過(guò)程，整理、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和數(shù)據(jù)，完成對(duì)新知的自主建構(gòu);能夠創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方法，擁有更多定量實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，讓學(xué)生的探究活動(dòng)更接近科學(xué)本質(zhì)。

3.科學(xué)教師專(zhuān)業(yè)水平發(fā)展的要求

目前，很多一線科學(xué)教師是兼任教師，他們對(duì)教材的研究不夠，如何使他們勝任科學(xué)課程的教學(xué)任務(wù)，是一個(gè)既現(xiàn)實(shí)又迫切需要解決的新課題?；诖?，我校提出這個(gè)課題，意在從小學(xué)科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)教學(xué)的設(shè)計(jì)與研究切入，梳理出教材中適合使用數(shù)字化工具進(jìn)行教學(xué)的演示實(shí)驗(yàn)和學(xué)生的分組實(shí)驗(yàn)，并形成優(yōu)秀的教學(xué)設(shè)計(jì)、教學(xué)范例，使科學(xué)教師能夠更好地理解和進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)，提高科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。為了更好地理解和把握教材中適合使用數(shù)字化工具的探究實(shí)驗(yàn)，教師還需要學(xué)習(xí)相關(guān)理論、文獻(xiàn)資料和數(shù)字化工具的使用方法。

三、研究思路與策略

1.研究思路

2.研究策略

（1）開(kāi)展前期調(diào)研。

為了解目前宿遷市中心城區(qū)各校對(duì)數(shù)字化工具的使用情況及課堂教學(xué)效果，我校以發(fā)放調(diào)查問(wèn)卷的形式，向中心城區(qū)39所學(xué)校的390名科學(xué)教師展開(kāi)前期調(diào)研工作，收到有效問(wèn)卷322份。調(diào)查結(jié)果顯示，在學(xué)校層面，各校均能夠執(zhí)行科學(xué)課程計(jì)劃開(kāi)設(shè)的科學(xué)課，規(guī)范配備科學(xué)實(shí)驗(yàn)室和實(shí)驗(yàn)器材，但很多實(shí)驗(yàn)器材為常規(guī)、老舊器材，教學(xué)中存在實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不精確等現(xiàn)象;只有7所學(xué)校增添購(gòu)置了數(shù)字化工具，能正常使用數(shù)字化工具進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)的只有3所學(xué)校。在教師層面，大多數(shù)教師由于是科學(xué)兼職教師，科學(xué)素養(yǎng)不高，沒(méi)有時(shí)間思考科學(xué)教學(xué)，普遍的教學(xué)方式是拿著書(shū)本講知識(shí)、講實(shí)驗(yàn)，也有一些優(yōu)秀的年輕教師，能對(duì)數(shù)字化工具與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)器材在精確程度、實(shí)驗(yàn)速度、培養(yǎng)學(xué)生能力、實(shí)驗(yàn)誤差等方面做詳細(xì)的比對(duì)分析和匯總。從調(diào)查結(jié)果可以看出，在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用數(shù)字化工具迫在眉睫。

（2）對(duì)小學(xué)科學(xué)教材中適合應(yīng)用數(shù)字化工具教學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)梳理。

我校按照“主題引領(lǐng)，活動(dòng)整合，突出探究”的思路，對(duì)教科版小學(xué)科學(xué)教材中適合應(yīng)用數(shù)字化工具教學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)梳理，形成了40個(gè)典型的實(shí)驗(yàn)主題，其中物質(zhì)科學(xué)20個(gè)，生命科學(xué)12個(gè)，地球與宇宙科學(xué)8個(gè)。如在《變色花》一課中使用酸堿指示筆進(jìn)行教學(xué)，解決了紫甘藍(lán)汁無(wú)法檢測(cè)弱堿和弱酸性物質(zhì)的問(wèn)題，使學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)酸堿性的本質(zhì)。又如，在《觀察一朵花的結(jié)構(gòu)》一課教學(xué)中使用體視顯微鏡，拓展感官的局限，使學(xué)生更準(zhǔn)確地區(qū)分完全花和各種不完全花。

（3）研討確定案例的基本格式。

為了形成獨(dú)特的研究成果，我校在案例編制過(guò)程中，本著實(shí)用、有效、簡(jiǎn)潔的原則，形成三個(gè)主體的結(jié)構(gòu)框架：基本設(shè)計(jì)思想—實(shí)驗(yàn)活動(dòng)設(shè)計(jì)—數(shù)字化工具介紹。

基本設(shè)計(jì)思想，主要闡述教學(xué)中使用常規(guī)儀器有哪些弊端，應(yīng)用數(shù)字化工具對(duì)達(dá)成教學(xué)目標(biāo)、建構(gòu)科學(xué)概念有怎樣的幫助，重點(diǎn)體現(xiàn)學(xué)生哪方面的能力得到培養(yǎng)和提升。

實(shí)驗(yàn)活動(dòng)設(shè)計(jì)，重在選擇符合學(xué)生認(rèn)知規(guī)律、有利于激發(fā)學(xué)生探究興趣、發(fā)展學(xué)生思維、體現(xiàn)學(xué)生親歷探究過(guò)程的活動(dòng)，引入教學(xué)環(huán)節(jié)。這一主體主要由兩個(gè)教學(xué)活動(dòng)組成：一是使用常規(guī)儀器進(jìn)行教學(xué)，強(qiáng)調(diào)教師要選擇有結(jié)構(gòu)的材料，既要有使用常規(guī)儀器檢測(cè)可以得出結(jié)果的材料，又要有使用常規(guī)儀器無(wú)法得出結(jié)果的材料。如《測(cè)量力的大小》一課中使用彈簧測(cè)力計(jì)測(cè)量身邊常見(jiàn)物體的重力時(shí)，教師可以為學(xué)生準(zhǔn)備這樣一些物體：鉤碼、科學(xué)課本、文具盒、修正液、橡皮筋。學(xué)生掌握彈簧測(cè)力計(jì)的正確使用方法后，可以準(zhǔn)確測(cè)量出鉤碼、科學(xué)課本、文具盒、修正液的重力，但由于彈簧測(cè)力計(jì)的精確度不夠，所測(cè)橡皮筋的重力為0牛，難道橡皮筋不受地球引力的影響？學(xué)生形成認(rèn)知沖突，也為下面數(shù)字測(cè)力計(jì)的出現(xiàn)埋下伏筆。二是使用數(shù)字化工具進(jìn)行教學(xué)時(shí)，教師要引導(dǎo)學(xué)生從橫向和縱向兩個(gè)方面對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生分析、歸納、推理等能力。每個(gè)教學(xué)活動(dòng)結(jié)束后，案例編制教師要寫(xiě)清設(shè)計(jì)意圖。

數(shù)字化工具介紹部分，主要由數(shù)字化工具圖片、使用方法、帶來(lái)的優(yōu)點(diǎn)組成，為一線教師使用數(shù)字化工具展開(kāi)教學(xué)提供了借鑒。

（4）關(guān)于使用案例開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)用。

為了研判案例的價(jià)值和效果，我校利用同課異構(gòu)、專(zhuān)題沙龍、教學(xué)研討等形式對(duì)所編寫(xiě)的案例進(jìn)行實(shí)踐應(yīng)用，以檢驗(yàn)案例的實(shí)用效果。如在同課異構(gòu)活動(dòng)中，可先分組，讓一組教師使用常規(guī)儀器進(jìn)行教學(xué)，另一組教師使用數(shù)字化工具進(jìn)行教學(xué)，形成實(shí)驗(yàn)對(duì)比，從而分析出哪種方式更有利于促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的提升。通過(guò)各項(xiàng)活動(dòng)的開(kāi)展，我校對(duì)執(zhí)教人員的案例設(shè)計(jì)進(jìn)行點(diǎn)評(píng)、分析，逐步完善，強(qiáng)化了教學(xué)案例的效果。

（特約編輯 木 清）