S4A在小学科学教学中的应用
苏雅萍 吴怡
摘要：本文基于传统实验教学及小学科学学情现状，尝试将S4A作为小学科学数字化实验的载体。作者以“水的温度变化”和“节约能源与开发新能源”两个实验为例，分别设计了S4A教学和传统教学并进行对比，探索S4A在科学实验以及促进小学生自主探究等方面所起的作用，明确其在自动化、高精度获取可视化数据及拓展教学方面的优势，指出教师可根据实际，有选择地将S4A融入小学科学教学。
关键词：S4A;科学实验;自主探究
中图分类号：G434? 文献标识码：A? 论文编号：1674-2117（2019）19-0070-04
● 引言
S4A原意是Scratch for Arduino，是Scratch为支持Arduino硬件而做出的修改版本，也可以理解为它是Scratch传感器板的一个升级版本。[1]在中小学的创客教育和信息技术课程中，一般将Arduino作为微控制器，可以和多种类型的传感器、电子器件连接，配合Scratch进行创意电子作品制作。在某个方面，S4A也可以理解成是Arduino及电子模块等硬件与Scratch软件的结合。它将“做中学”融入教学过程，让学生在创造和制作过程中获取知识，并将学到的知识应用到实际当中。
在小学科学课程的探究实验中，有些实验因为传统操作导致数据不可定量、实验精度和效率低，无法有效促进学生拓展、联想、猜测能力的提升。[2]随着数字化实验在课堂的运用，部分教师开始尝试将Arduino配合传感器进行数字化实验来解决传统实验的不足，微控制器与传感器的运作需要一种编程语言形式作为中介，较为常见的是C语言，但对小学生来说，他们难以看懂以C语言为主的文本编程语言，更不要说学会独立编写。相比之下，S4A在促进小学科学教学方面有其优势：一方面，它作为实验教具，保证了实验精度和效率;另一方面，S4A的多样性和深度可以让学生持续学习，特别是与项目结合的时候，学生的态度和学习动机非常高。[3]
● S4A教学与传统实验教学的对比
1.“测试水的温度”实验对比
在“测试水的温度”实验中，教学目标是让学生认识不同温度的水在相同时间内的变化。
（1）传统教学
a.探究问题：常温下，两个烧杯中的水温变化一样吗？
b.教师讲解：“水的温度测试”实验的过程，如图1～图3所示。
c.猜测假设：学生猜测两个烧杯中水温的变化趋势。
d.分组实验：首先，在实验过程中注意温度计不可离开液体也不可触碰烧杯;其次，观察过程视线要与温度计液面最低处等平，在十五分钟内每隔两分钟记录一次数据，得出水温变化趋势（如图4）。
（2）S4A教学
a.探究问题：常温下，热水和温水的温度变化会一样吗？
b.教师讲解：“水的温度测试”实验的过程。
c.猜测假设：学生猜想两种烧杯中的水在常温下的温度变化趋势。
d.分组实验：搭建硬件，将LM35温度传感器连接至Arduino;理解试验程序，并运行程序（如图5）。
（3）S4A和传统实验教学对比（如表1）
结合图4和图5可以看出，S4A实验和传统实验都能正确反映实验结果，说明S4A和传统实验都能保证数据的精确。但学生在进行传统实验的过程中，可能会因为操作不当形成误差，数据能否精确不能保证，同时传统实验读取温度和绘制图形需要挤占大部分的课堂时间，这势必会缩减观察和讨论时间，导致学生无法将注意力集中在实验现象的观察上。
相比之下，利用S4A自制教具首先满足了高精度、自动化获取数据和绘制图形的需要，帮助学生成功完成实验，为实验结果分析和讨论留出时间;其次，利用S4A可以促进学生对数学知识的理解和编程兴趣[4]，在S4A中涉及到如相对位置、邏辑运算和四则运算等中高年级知识，教师可以将等待完整数据的教学时间充分利用起来，让学生在潜移默化中理解数学概念。
2.“节约能源与开发新能源”实验对比
在“节约能源与开发新能源”实验中，需要学生明确可再生能源与不可再生能源的区别，区分不同能量的来源，引导学生从身边小事做起节约能源。
（1）传统教学
a.探究问题：白炽灯与荧光灯哪个效率更高？
b.教师讲解：将瓦数相同的白炽灯和荧光灯同时开启，10分钟后用温度计读取二者温度，并记录数据。
c.猜测假设：学生猜想白炽灯和荧光灯将电能转化为光能的效率。
d.分组探讨：温度和光能之间的关系;收集关于开发新能源的资料，汇报自己的观点和看法。
（2）S4A教学
a.探究问题：以电灯为例，谈谈如何节约电能。
b.教师讲解：将瓦数相同的白炽灯和LED灯同时开启，利用光敏电阻传感器读取二者的亮度，并记录数据（如下页表2）。
c.猜测假设：学生猜想其他节约方式，如定时关闭、自动调整亮度等。
d.分组实验：利用现有的电子模块和Arduino，搭配Scratch设计制作一个节能电灯。
（3）S4A和传统实验教学对比
传统实验用测温来推理光效率的方式，不仅费时，而且需要引导学生进行思维转换。传统实验本身不能直接得出LED灯发光效率更高，它需要学生理解同样瓦数的灯泡，其温度越高则电能转化为热能越多，因此光能越少。而通过S4A改进教学思路，利用光敏传感器输出电压与光照度呈线性的特点[5]，等电灯发光稳定后即可得到光亮度，结果明显又精确。
传统教学中分组资料收集和汇报的方式过于单一，且收集资料对学生来说可能会有些枯燥，未必能达到让学生从身边小事做起节约能源的目的。而引导学生借助S4A基于日常生活中接触的节能电灯进行创意电子产品制作（如表3），能让学生在探索、研究、实践、分享的过程中，整合不同学科的知识，也改变了以往教学方式过于单一、学生被动学习的低效课堂模式。[6]同时，互动产品的制作，从设计草图、选择适当材料、利用编程技术和相关电子器件进行产品搭建及后续的改进，一定程度上体现了技术与工程的思想。
● S4A在小学科学教学中的应用策略
S4A在探究实验中可以帮助教师改进实验，提升实验精度和效率;作为实验载体，S4A可引导学生自主探究和提升相关设计、计算及制作能力。因此，教师在教学过程中可从实际出发，有选择地使用它。
首先，选择S4A提高教学效率。利用S4A自制教具免去了机械枯燥的观测操作，同时这也是实现定量化研究的良好方式，如蜡烛燃烧的实验，传统实验中学生单凭眼睛观察很可能会误认为烧杯内蜡烛熄灭是因为没有氧气，不能明确熄灭是因为氧气含量低[7]，而用S4A搭配气体传感器来自制教具，学生可以得到量化的结果进行分析。传统实验和S4A实验在帮助学生获取精准数据和结果分析方面基本一致，但在保证较高的教学效率的情况下，教师可以选择S4A来进行教学。
其次，合理确定S4A教学角色。由于不同学段和地区的学生对Arduino和Scratch的接触程度不同，在小学低年级的教学中，教师可以将S4A作为实验教学的载体，学生只需要学会搭建S4A的实验教具来观察实验结果、获取实验数据和形成科学概念。但在小学高年级学段，由于信息技术课程已经开始教授Scratch，因此引导学生将S4A作为自主探究的载体，能够改变单一的教学方式，让学生将所学带出教室，立足现实需要，在家庭、社区等场所通过团队或个人的形式开展科学活动。
最后，避免机械使用S4A。S4A在小学科学教学中一般是作为科学数据获取和探究、学生发挥创意思维、实现设计的途径，而在传统实验和S4A实验结果精确度差别不大的情况下，传统实验在观察和绘图方面具有较大优势。当然，传统实验和S4A实验并不矛盾，若是能够将二者结合教学或者对比教学，发挥双方的优势，教学效果会更好。
● 结语
总之，S4A可以助力小学科学实验朝着更加严谨、多样的方向发展，它既能加强学科融合，也可以避免因实验器件老旧、实验内容落后带来的实验数据不准确等问题。同时，它可以增强学生的探究意识和实践能力，所以教师可根据教学的具体要求，有选择地开展S4A实验和传统实验教学。
参考文献：
[1]梁森山，武健，管雪沨.S4A在教育中的应用价值[J].中国信息技术教育，2014（05）：9-11.
[2]夏良英，李永洪，张喜林.DIS实验和传统物理实验在教学实践中的对比研究[J].物理教师，2014，35（04）：42-45+58.
[3]José-Manuel Sáez-López，Marcos Román-González，Esteban Vázquez-Cano.Visual programming languages integrated across the curriculum in elementary school： A two year case study using“Scratch”in five schools[J].Computers & Education，2016（97）.
[4]馬楠.基于Scratch的信息技术与小学数学课程整合的实例探究[J].中小学电教，2017（Z1）：62-64.
[5]王天会，李昂，王丹，等.光敏传感器基本特性与应用教学研究[J].实验技术与管理，2017，34（05）：170-173+177.
[6]吴鑫.小学创客教育初级人工智能作品的设计——以开源机器人“小菠萝”存钱罐作品为例[J].现代教育技术，2018，28（06）：122-126.
[7]詹伟达.基于数字传感器的小学科学探究教学[J].教育信息技术，2015（Z2）：85-88.
作者简介：苏雅萍，福建师范大学在读硕士，研究方向为科学与技术教育。
点
