開展傳感器實驗提高學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)的探索

席學榮

摘要： 信息時代，教師開展傳感器實驗提高學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)非常必要且具有可行性。與傳統(tǒng)實驗相比，傳感器實驗優(yōu)勢明顯：數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果更直觀，數(shù)據(jù)搜集更精準，實驗的可信度更高，更有利于定量分析。為提高學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)，教師在傳感器教學中，以數(shù)據(jù)的可視化實現(xiàn)學生直觀認知，以數(shù)據(jù)的精準化助力學生定量分析，以數(shù)據(jù)的功能化指引學生揭示問題本質(zhì)，以數(shù)據(jù)的智能化激發(fā)學生創(chuàng)新意識，能有效提高學生的數(shù)據(jù)知識、數(shù)據(jù)技能、數(shù)據(jù)思維等數(shù)據(jù)素養(yǎng)，進而促進學生核心素養(yǎng)發(fā)展。

關鍵詞：科學教學；傳感器；數(shù)據(jù)素養(yǎng)

具備良好的數(shù)據(jù)素養(yǎng)是科學家潛質(zhì)之一。在科學課程的學習中，收集數(shù)據(jù)是重要的探究環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)是分析推理、得出結(jié)論的基礎，是學生觀察、探究并對事物性質(zhì)作出合理解釋的依據(jù)。

一、開展傳感器實驗對于發(fā)展學生核心素養(yǎng)意義重大

科學課程重視對學生統(tǒng)計與分析能力的培養(yǎng)，特別是數(shù)據(jù)分析能力。教師應指導學生進行有效的數(shù)據(jù)分析，讓他們在探究的過程中觀察現(xiàn)象，建構科學概念，形成科學觀念。這樣才能彰顯數(shù)據(jù)的價值。傳感器作為科學實驗的新型測量儀器，它是采集實驗數(shù)據(jù)的利器，可用于精準測量溫度、濃度、色度、酸堿度等。教師合理利用傳感器等數(shù)字化裝置開展科學實驗教學，有利于改進傳統(tǒng)實驗，讓學生憑借可視化的數(shù)據(jù)，認識科學問題的本質(zhì)，借此培養(yǎng)學生多視角收集證據(jù)解決問題的能力。這是“技術為教學賦能，技術為實驗教學服務”的體現(xiàn)。傳感器的應用使科學探索變得簡便、高效。新技術的應用正在引發(fā)教學方式變革，推動教學儀器的更新與升級。

科學研究的起點是觀察，觀察的目的是獲得關于現(xiàn)象的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)不僅是現(xiàn)象存在的“證據(jù)”，而且是顯示其存在的形式?？茖W的理論或觀點都是研究者在掌握充分的事實和數(shù)據(jù)并對其認真分析后提出的。同時，每個理論或觀點都需要人們用翔實的事實和數(shù)據(jù)去驗證。用事實和數(shù)據(jù)說話是一種科學思維，也是評判觀點或理論是否科學的重要標準。正如科普作家劉光裕所言，現(xiàn)代科學實質(zhì)是研究記錄數(shù)據(jù)之間的關系，分析數(shù)據(jù)間的相關性和出現(xiàn)的可能性，進而發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“新課標”）指出教師應注重培養(yǎng)學生的推理論證能力，即基于證據(jù)與邏輯、運用分析與綜合、比較與分類，建立證據(jù)與解釋之間的關系，以及科學探究的能力。數(shù)據(jù)是科學實驗最直接的表現(xiàn)形式，也是學生參與實驗的直觀證據(jù)。要激發(fā)青少年的科學家潛質(zhì)，教師應大力提高學生的數(shù)據(jù)素養(yǎng)，讓學生學會搜集數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)問題、發(fā)現(xiàn)規(guī)律。

二、傳感器實驗在提高學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)中的作用

（一）直觀呈現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果

學生借助傳感器對實驗現(xiàn)象進行定量探究，可以增強探究的科學性，激發(fā)創(chuàng)新思維，提高實踐與創(chuàng)新能力，彌補傳統(tǒng)實驗在測量方面的不足：用傳感器配合數(shù)據(jù)采集器和計算機將數(shù)據(jù)以圖形形式顯示，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)字化采集與傳輸和可視化呈現(xiàn)。傳感器的應用使實驗從定性轉(zhuǎn)向定量，可增強學生的數(shù)據(jù)意識。教師利用計算機處理實驗數(shù)據(jù)，在實驗的基礎上將信息技術與實驗教學有機結(jié)合，初步實現(xiàn)了數(shù)據(jù)測量的數(shù)字化。

例如，對于“電磁鐵”的教學，在傳統(tǒng)實驗條件下探究影響電磁鐵磁力的因素，會出現(xiàn)以下問題：一是在相同條件下，每次用磁鐵吸的大頭針數(shù)量不一，記錄煩瑣；二是用電池作為電源，電流不恒定，電池使用時間越長，電流越小，影響實驗數(shù)據(jù)的準確性；三是電磁鐵實驗裝置不能直觀地顯示磁力值，數(shù)據(jù)支持不夠。為更有效、直觀地探究電磁鐵磁力與哪些因素有關，教師借助直讀式電磁力實驗儀器和磁感應強度傳感器開展實驗，改進后實驗數(shù)據(jù)更準確、更直觀，便于學生探究磁力與什么因素有關。

又如，對于“水的浮力——沉在水中的物體是否受到浮力”“鹽水導電嗎——鹽水濃度低就不能導電嗎”“溶液的酸堿性——果汁的酸堿性”“水果電池——不同水果導電時的電流”等實驗，學生都可以借助傳統(tǒng)實驗器材開展實驗，從中體驗與感悟。在學生實驗的基礎上，教師利用傳感器演示實驗，將“看不見的數(shù)據(jù)”或無法用傳統(tǒng)實驗器材收集到的數(shù)據(jù)，變成可以形象感知的圖表，排除學生在學習過程中的疑問和障礙，幫助學生理解科學概念和科學原理，使學生知其然并知其所以然。

（二）提高數(shù)據(jù)采集精準度

師生可以借助傳感器對數(shù)據(jù)進行實時采集和檢測，減小手工測量可能出現(xiàn)的誤差。傳感器靈敏度高，可用于檢測實驗過程中微小量的變化，支持操作者對實驗變量進行定量檢測。另外，傳感器具備“實時實驗”的功能，能夠?qū)崟r展示數(shù)據(jù)的變化，支持數(shù)字化測量，采集的數(shù)據(jù)精準度高。教師將傳感器與計算機結(jié)合應用于實驗，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示、分析和智能化處理，使動態(tài)受力實時測量、動態(tài)位移實時測量、磁感應強度測量等實驗的精準度顯著提高。

例如，在“力與運動”教學中，教師指導學生用數(shù)字化手段探究“拉力與小車前進快慢是否有關”，實驗效果良好。小車行駛距離較短，而速度較快，實驗過程中，學生用秒表測定行駛時間，常常手忙腳亂，收集數(shù)據(jù)很困難。教師讓學生借助傳感器測定行駛時間，通過顯示屏精準顯示小車行駛時間。在傳感器的支持下，學生收集數(shù)據(jù)從容不迫，理解與建構概念也就水到渠成。

（三）增強實驗可信度

教師借助傳感器和計算機，將不可見的實驗變化過程通過信號轉(zhuǎn)化，變成可視化的曲線圖，有利于學生對實驗過程進行監(jiān)控，給學生以直觀的印象，同時有利于增強實驗的可信度，彌補常規(guī)測量的不足^[1]。例如，教師用常規(guī)方法開展“人呼吸的氣體變化”實驗，即借助澄清石灰水進行對比，間接證明人體呼出的二氧化碳氣體增多，如此實驗學生難以理解。如果教師引入氣體檢測傳感器開展實驗，學生能清晰觀察氧氣和二氧化碳量的變化，這樣實驗的可信度得以提高。

（四）發(fā)揮“量”變功能

傳感器定時記錄數(shù)據(jù)是保障信息有效的關鍵。在傳感器的支持下，教師可將實驗過程中相關量的變化情況以曲線形式呈現(xiàn)，結(jié)合宏觀變化與微觀本質(zhì)，讓學生參與推理、論證等高階思維活動，深入理解科學概念。例如，教師借助傳感器開展液體熱脹冷縮實驗，將定性實驗變成定量實驗，讓學生精準觀測溫度變化量、體積變化量，深入理解物體體積會隨溫度升降而變化。

又如，在探究“不同溫度的物體相互接觸”的過程中，學生需要同時觀察、測量、記錄冷水浸入熱水中后二者的溫度變化情況。教師開展該實驗旨在讓學生建構科學的認知，即熱量可以從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，兩個系統(tǒng)在發(fā)生傳熱的條件下趨于熱平衡。其實，獲取證據(jù)環(huán)節(jié)，重點不在于溫度計的正確使用和如何讀數(shù)，而在于獲取有效數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)制作折線圖，分析、比較、概括得出探究實驗的結(jié)論。也就是說，學生要學會運用探究實驗的證據(jù)進行信息加工，科學地表述變化規(guī)律。教師借助溫度傳感器開展實驗，能實時精確測量冷熱水的溫度變化，并將溫度變化曲線圖呈現(xiàn)在學生面前，直觀演示熱交換過程中冷熱水溫度的變化情況。

三、應用傳感器教學促進學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)提高的路徑與方法

（一）利用可視化工具呈現(xiàn)實驗過程，助力學生直觀認知

在使用傳感器開展科學實驗時，教師應讓學生深入了解實驗原理、方法和過程，實時采集實驗過程中的數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測和觀察數(shù)據(jù)的變化情況，可利用數(shù)據(jù)可視化工具將觀察到的實驗現(xiàn)象、數(shù)據(jù)變化，以圖表或曲線的形式展示，幫助學生直觀地了解數(shù)據(jù)變化規(guī)律和趨勢。

例如，在“不同的聲音”實驗中，教師要求學生用身邊的材料制造音調(diào)不同的聲音。對于該實驗，傳統(tǒng)方法是用耳朵聽，“相同長短粗細的材料，長的音調(diào)低，短的音調(diào)高；相同長短的材料，粗的音調(diào)低，細的音調(diào)高”。這種方法存在缺點：用耳朵聽帶有強烈的主觀性，區(qū)分度不明顯，不易判斷。教師借助傳感器開展實驗可彌補上述不足：先讓學生明確實驗原理、方法和過程，再開展聲音的高低實驗。教師將實驗過程以數(shù)值和圖像呈現(xiàn)，讓學生先用耳朵聽，再看數(shù)據(jù)和圖像變化，提升學生的感性與理性認知能力。

小學生容易混淆“聲音的大小”和“聲音的高低”這兩個概念。他們在學習這兩個概念前，往往認為聲音越大，音調(diào)越高。對于“聲音”的教學，如何讓學生了解清楚并進一步區(qū)分“聲音的大小”和“聲音的高低”概念是教學的難點和重點。教師借助聲音傳感器教學可解決上述問題。教師指導學生實驗時，讓學生初步理解聲音傳感器的基本原理和實驗方法，監(jiān)測聲音衰減過程，在計算機上觀察圖樣變化過程，將看不見的聲音變成直觀化的“看得見的聲音”。

（二）精準采集實驗數(shù)據(jù)，指導學生定量分析

教師借助傳感器采集科學實驗數(shù)據(jù)時，要盡可能消除人為因素干擾，使用前要對傳感器進行精準設置和校準，減小誤差，保證實驗數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性。為做到數(shù)據(jù)采集的精準化，在實驗教學中，教師要指導學生提前知曉傳感器的基本原理，了解傳感器的測量范圍，掌握正確的操作方法，以及合理放置和調(diào)整傳感器參數(shù)。

在探究“怎樣得到更多的光和熱”時，學生需要測試不同顏色材料的吸熱能力，但所選擇的材料之間吸熱能力差異較?。ㄈ绨咨牧虾头凵牧希?，如果用傳統(tǒng)的溫度計測量，數(shù)據(jù)變化不大，甚至沒有變化，這會給學生造成困惑，教師也比較尷尬。運用溫度傳感器測量，上述問題便迎刃而解：教師先讓學生了解溫度傳感器的原理、使用方法、測量范圍、操作步驟，再指導學生使用溫度傳感器測量不同顏色材料的吸熱能力，讓學生觀察溫度變化過程，快速準確獲取實驗數(shù)據(jù)。傳感器測量精準度很高，哪怕變化細微，也能快速準確地呈現(xiàn)。學生根據(jù)傳感器生成的數(shù)據(jù)（曲線、刻度等），分析、歸納、總結(jié)得出實驗結(jié)論，高效完成實驗任務。

傳感器測量精確度較高，其呈現(xiàn)效果與人的感官感受的效果不可同日而語，用傳感器檢驗實驗成效可以減少感官帶來的誤判。對于定量實驗而言，精準采集實驗數(shù)據(jù)至關重要，教師要在課前解決傳感器放置位置、時間等問題，在實驗中對學生進行指導。例如，學生設計保溫裝置時，利用溫度傳感器進行精準測量是實驗成功的關鍵。教師讓學生將溫度傳感器置于保溫裝置中間放置10分鐘，指導他們觀察、分析儀器顯示的溫度變化值和曲線變化情況，將數(shù)據(jù)圖表生成為實驗報告。學生檢驗保溫裝置的功能，獲取數(shù)據(jù)為進一步改進裝置提供證據(jù)。精準檢測也為教師評價學生作品提供了可靠的過程性資料和證據(jù)，改變了傳統(tǒng)實驗靠手感覺的窘境^[2]。

（三）促進實驗分析數(shù)據(jù)的功能化，指引學生揭示問題本質(zhì)

傳感器可以幫助學生采集大量的數(shù)據(jù)。學生將采集的數(shù)據(jù)進行分析和處理，才能發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中蘊含的信息和規(guī)律。如何幫助學生分析和利用數(shù)據(jù)？教師在使用傳感器時，要指導學生掌握數(shù)據(jù)分析方法，如數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)統(tǒng)計和數(shù)據(jù)挖掘等基本的數(shù)據(jù)處理方法和高級的數(shù)據(jù)處理技術，引導他們分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)背后的規(guī)律和趨勢，探究成因和影響因素。

例如，教師教學“熱空氣和冷空氣”時，讓學生“感覺熱空氣在哪里”，由于各人感受不同，學生對于火焰下方是否有熱空氣持不同觀點。為了有效探究上述問題，教師將蠟燭置于一個上、中、下都帶有溫度傳感器的支架中央，點燃蠟燭后每分鐘采集一次火焰上、中、下方的溫度數(shù)據(jù)，指導學生對實驗數(shù)據(jù)進行分析，理解為何熱空氣主要集中在火焰的周圍和上方?；鹧娴南路接袥]有熱空氣呢？學生對實驗數(shù)據(jù)精準分析，體驗到火焰的下方也存在一定的熱空氣，但數(shù)量極少。如此實驗便解答了“火焰下方是否有熱空氣”的疑問，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)的“功能性”。

又如，在“擺”的教學過程中，教師采用紅外光電傳感器計量擺動次數(shù)，引導學生整理數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)擺動規(guī)律。

（四）發(fā)揮智能化處理數(shù)據(jù)的優(yōu)勢，激發(fā)學生創(chuàng)新智慧

隨著技術的發(fā)展，傳感器越來越智能化和自動化。學生使用智能化的傳感器和相關的軟件，可以高效地處理和分析數(shù)據(jù)。此外，教師可以指導學生利用云計算等技術，將數(shù)據(jù)上傳至云端，并通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和協(xié)同處理，進一步提高數(shù)據(jù)的可利用價值和效率。在科學實驗教學中，教師指導學生初步了解人工智能和機器學習等技術，使之具備使用相應工具對數(shù)據(jù)進行分析和處理的能力，這樣就能更好地發(fā)掘數(shù)據(jù)中的信息和知識，提高數(shù)據(jù)應用的效率和準確性，真正實現(xiàn)智能化處理數(shù)據(jù)。

例如，“新型農(nóng)場”單元看似僅涉及技術與工程，實則跨學科，融合生命科學、信息科技、力學等為一體。教學時，教師指導學生將各類型傳感器設計應用到農(nóng)場經(jīng)營中，建造立體農(nóng)場，實現(xiàn)“精準農(nóng)業(yè)”和“智慧生活”。這種智能化體現(xiàn)在：能精準完整記錄植物的生長過程，種植過程可智能管理等；溫度、土質(zhì)、水分、養(yǎng)分等數(shù)據(jù)精準且可視。在智能化數(shù)據(jù)處理技術的加持下，學生設計“新型農(nóng)場”變成一場關于選擇和決策的數(shù)學游戲，可以有更多的精力用在創(chuàng)新上。

四、在科學教學中普及傳感器實驗未來可期

數(shù)字化時代，信息技術日新月異，學生信息技術應用能力不斷提高。圖形化編程和模塊化設計是數(shù)字化信息系統(tǒng)（DIS）的優(yōu)勢，其應用降低了DIS傳感器編程難度，如Mixly圖形編程使Arduino UNO R3主板不再局限于C++編程。小學生使用傳感器參與科學學習活動（特別是數(shù)字化實驗）越來越方便。小學科學教學中，傳感器將被廣泛應用于相關實驗。

教師借助傳感器開展科學實驗，提高學生數(shù)據(jù)素養(yǎng)大有可為。開展跨學科學習活動，讓學生將知識學習與生活實踐聯(lián)系起來解決問題，提高其綜合素質(zhì)是時代要求。傳感器可用于多學科的實驗教學。在今后的教學中，筆者將繼續(xù)探索如何借助傳感器優(yōu)化實驗教學，拓寬應用面，讓學生更好地探索科學規(guī)律，提高效率，發(fā)展核心素養(yǎng)。

參考文獻

[1] 劉東波，賀秉軍.生物傳感器在植物光合作用實驗教學中的應用[J].內(nèi)蒙古師范大學學報（教育科學版），2017（5）：159-161.

[2] 孫梅芳.傳感器技術在小學科學實驗教學中的應用[J].小學科學（教師版），2015（11）：35.

（作者系云南省教育科學研究院科學教育教研員、特級教師，教育部基礎教育指導委員會科學教育專業(yè)委員會委員）

責任編輯：祝元志