浅谈数字传感器在科学探究实验中的优势

    陈秋香

    【摘 要】 数字传感器在科学探究实验中得到越来越广泛的应用，相比传统实验室，数字化实验系统在测量、采集和处理实验数据等方面具有明显的优势。笔者将数字化探究应用到小学科学课堂中，结合自己的课堂实践，本文就传感器在小学科学探究实验应用中的优势展开探讨。

    【关键词】 数字传感器；直观化；降低难度；降低误差；提高效率；定量研究

    【中图分类号】 G62.32 【文献标识码】 A 【文章编号】 2095-3089（2017）16-0-01

    在科学教学中，教师要注重通过探究实验再现科学发现的过程，从而让学生体验到“猜想一验证一归纳”的科学探究过程。传统条件下，由于实验器材、实验条件等的限制，相当一部分探究不能进行，学生可进行探究的实验内容相对较少，而且定性、模糊的研究居多。随着科技的迅猛发展，与实验密切相关的数字传感器进入了我们的科学课堂，给解决这些问题带来了契机。传感器以其精确、智能、易于操作等优势，不仅让学生亲历探究活动更直观，而且可以更好地保持学生的兴趣和求知欲；降低实验难度，提高实验效率，让学生有更多的时间和精力反思、交流自己和同伴的探究过程，整理、分析实验现象和数据，完成对新知的自主建构；改变目前多定性实验的现状，拥有更多定量实验的机会，让学生探究活动更接近科学本质。笔者结合课堂实践，对传感器在小学科学探究实验中的应用优势谈几点自己的心得。

    一、抽象变具体，使过程直观化

    教育应从具体经验人手，逐步进人抽象，有效的学习之路必须是铺满着具体经验的。小学科学实验中引入数字传感器后，利用传感器技术替代传统的测量仪器完成力、热、声、光、电等多种数据的采集。数据通过数据采集器处理后上传到配套电脑，由教学软件进行实时的处理与分析，这个采集数据的过程能通过软件在电脑上具体呈现出来。如声音的大小和高低这两个概念很容易混淆，小学生在学习这两个概念前往往认为声音越大音调也会越高。因此在教学《声音》這一内容时，怎样让学生了解并区分声音大小和高低概念成为让科学教师头疼的事情。利用声音传感器，问题一下子迎刃而解了，声音传感器可以直接检测出整个声音的衰减过程，并且在计算机屏幕上清晰地呈现出这一过程。传感器技术将看不见的波变成了直观化的曲线，用动态图的形式让学生“看见了声音的变化”。

    二、降低误差，采集准确数据

    在《我们的小缆车》一课中，使用传统方法研究“拉力大小与小车运动快慢”的实验，会出现下面的情况：（1）小车的运动轨迹是偏的，且拉力不同偏行的程度不同；（2）拴住小车的绳子跟桌面之间，特别是桌角边缘，有摩擦。

    这些因素会使学生采集到的数据误差很大，进而引起学生对实验设计和初始判断的否定，对学生探究未知形成障碍。利用光电门传感套件和配套车轨进行实验，我们可以发现：小车会自动沿着车轨行驶（解决偏行问题），车轨边缘安装的滑轮消除了摩擦力对实验的影响。由此可见，融入光电门传感技术后，排除了传统实验中影响实验结果的外在因素，提高了实验准确性。一组组精确的实验数据，为学生进一步的思考、讨论、各抒己见提供了科学的依据，学生归纳获得的探究结果更真实更准确。

    三、智能控制，降低实验难度

    还是以《我们的小缆车》一课中“拉力大小与小车运动快慢”的实验为例，传统的做法是学生分工合作：一位学生手动放小车，一位学生用秒表掐时，然后再对测得的数据进行分析与比较。这样的弊端主要有两个：（1）放小车和掐秒表这两个动作，学生一个人完成存在一定难度，如果让两个学生完成，又不能做到完全同步；（2）手动掐表计时，小车运动的信息由眼（耳）传到大脑，再由大脑发出指令按下计时键，学生基本做不到小车被三角板挡住的一瞬间掐停秒表，而且不同学生的反应时间不同，也易犯错。

    利用“光电传感器”，在小车经过的地方两侧架设光电门，小车经过时，光就不能传过去，此时就开始计时，小车过去后，光又能射过去，这就获得了时间差。这个时间差通光电门传感器传到电脑上，不论小车运动速度多快，平板电脑上都会即刻显示，都能精准记录运动时间。数字传感器的应用，大大降低了实验操作难度，让学生对实验更感兴趣，更乐于对后续的数据分析、处理，从而得出更接近科学本真的结论。

    四、提高效率，节省时间

    如果仅仅让学生经历探究活动，还不能帮助他们学会如何学习。让学生运用批判性的眼光对自己和同伴的探究过程和结果进行监控和评价，可以使他们不断明白自己在做什么，以及为什么这么做[2]。这就要求教师在组织科学探究实验过程中，既要保证亲历、体验的过程，又要确保学生有足够的时间思考和交流。

    例如在学习“测量呼吸和心跳”一课时，学生进行心跳的测量实验费时费力。原因有三：一是用手摸心脏部位测量心跳，既费时也易错；二是运动后，学生注意力不能马上集中，测量准确性不高；三是要测多个“一分钟”。整个一节课时间，被测量、纠错活动占去了大半，探究的重心完全放在了“做”，而学生的“想”和“交流”的时间和机会被迫减少甚至忽略。应用心率传感器，学生就可以即时测得不同状态下的精确心率数值，既节约学生的时间，又排除了其他因素的干扰，提高了数据准确性。让学生的注意力从“摸心跳”“数数”等转向对“呼吸和心跳”关系的深层分析与探究，有更多的时间交流、分析、概括实验现象和数据，实现“思”“做”“说”等各个环节时间的灵活分配，提高探究实验效率。

    五、改变现状，进行定量研究

    定量分析是科学研究的重要思想，我们很多实验发现并不是直接观察的结果，而是对转变后的物理量进行观察统计，从而间接得出科学结论。传感器技术的运用为定量研究创造了条件，可以转变当前实验探究中重定性轻定量研究的现状。传感器测量的数值精度较高，一方面可以把测量的结果用物理量、动态曲线来表示，另一方面可以将无法直接观察到的物理量转化为可见的物理量，这是感官感受无法比拟的，因此运用传感器技术可以减少感官的“误判”。例如学生进行保温装置的设计时，为了弄清自己设计的保温装置的效果，就要对其进行定量分析，而不是单纯靠“感觉来判断。”温度看不见摸不着，我们可以通过温度传感器，进行定量测量：让学生打开将温度传感器放人保温装置中一段时间，通过观察分析系统软件中显示的温度变化值和曲线变化，检验学生设计的保温装置的成效。此外还可以将数据图表生成为实验报告，为学生进一步改进自己的装置提供证据。

    六、结束语

    数字传感器技术在小学科学实验教学中的应用，使科学探究实验更丰富、更规范、更科学、更有效；使教学方法上实现了多样化；在教学模式上使交互式教学成为可能；在教育理念上为教育的发展提供了新思路。但我们同时也应该认识到，“技术”是一把双刃剑，传感器的应用也有些不足：（1）虽然使数据的获得更加直接和直观，却弱化了计算、作图、操作等重要能力的培养；（2）传感器的原理复杂，增加了学生对仪器原理的认知难度等。因此，我们需要根据实际情况，作出相应的改变。

    参考文献：

    [1]韦钰.探究式科学教育教学指导[M].教育科学出版社，2005.

    [2]郁波.科学探究与人是如何学习的.http：//www.zjxxkx.com.

    [3]吴向东.数字时代的科学教育[M].华南理工大学出版社，2012，（8）.