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1.新技術的應用有利于科學課程的改革
我們現在的科學課程是以過去的技術為基礎，而不是當今的技術（更談不上明天的）。把計算機和先進的傳感器技術看成是附加的，而不是課程基本結構的組成部分，課程的重大變革將受到嚴重的限制。如果空客A380飛機，繼續使用最基礎螺旋槳技術，它將無法成為世界上最大，最先進的大飛機。而傳感器在我們的生活中作為測量和控制儀器，無處不在，且越來普及。小學科學實驗室配備數據采集系統，有利于學生更早地接觸新的測量工具，建立“科學—技術—社會”的緊密聯系。
2.科學素養的提升要求學生掌握新的探究工具
現代人的科學素養包括能夠全面和充滿自信地使用電子工具。學生們應該早些在盡可能不同的范圍內開始使用計算機和數據采集系統，把新技術的應用與科學課程緊密相連，不但促進了新技術的進步而且對學生的動手能力、搜集信息能力、交流與表達能力的提升有很大提高。
二、基于數字化探究的小學科學教育框架
（一）關于科學知識要素的培養
對于小學科學素養第一要素是科學知識，應當看到，對于小學生而言，對科學知識的理解不會要求過深，傳統教學中往往通過呈現靜態的圖片或動畫以提高學生的興趣，在此基礎上教師對知識進行講解，盡管這樣的做法看似提高了教學效率，但是，國內外的教育研究表明，學生存在著很多的前科學概念，如果只是通過教師的講授，學生是很難真正改變這些概念的認識和理解的。數字化探究實驗的引入，則較好地針對了這一點弱勢。針對與某個知識點相關的問題，學生先提出自己的猜想，而后利用數字化實驗器材進行驗證，且因為數字化實驗系統能夠快捷、實時地呈現實驗數據和相應的圖示，為學生快速地理解實驗現象提供了重要的支持。另一方面，數字化探究的優勢之一是讓學生能夠更廣泛地接觸和了解較為前沿的實驗儀器和電子產品，這本身就是拓展學生知識面很重要的因素。英國學者FrankFearn設計了基于傳感器技術的課外探究活動以促進學生的探究能力。探究內容包括：池塘溫度(溫度傳感器)、哺乳動物活動(聲音和光傳感器)、肥堆微環境(溫度和濕度傳感器)、植物生長條件(光傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器、pH傳感器)。可以看到，上述數字化探究實驗，對于開拓學生的知識面是很有益處的，這也應當成為數字化探究提高學生知識要素的另一個切入點。
（二）關于科學過程和方法的培養
小學生科學素養的第二方面要素是科學過程和方法。國外數字化探究比國內要超前，美國康科德教育研究組織的著名傳感器技術教學應用教學發起人RobertTinker博士和密歇根州立大學著名科學教育專家JosephKrajcik教授以水質為主題，設計實驗組和對照組比較基于傳感器技術的探究活動和常規實驗活動對于學生相關能力的影響。研究結果表明，將傳感器技術與科學探究相結合，可以使學生的探究活動變得更為靈活，更有利于學生觀察技能的培養。相對于控制組，實驗組學生數據分析也更為全面，且隨著時間的增加，基于傳感器技術的科學探究活動對學生探究興趣、思維和探究技能等的培養均產生了積極的影響。
從上述案例可以看到，數字化探究在培養學生科學過程和方法方面，并不差于甚至優于常規實驗活動。進一步思考為什么會出現這樣的現象，很大一方面原因在于，數字化探究的靈活性相對傳統實驗更強，且數字化探究中呈現的圖線、數據等，為學生提供了更多觀察和思考的機會。因此，針對科學過程和方法的培養，數字化探究應當更側重于其完整的探究過程和大量的數據和圖線的分析上。再從另外的角度審視。科學方法中往往涉及到控制變量法，傳統實驗在不少變量上限于實驗器材條件限制，是較難嚴格控制好所有無關變量的，而數字化探究儀器則能夠較精確地做到這一點，應當在教學中凸顯這一特色。又如科學方法中轉化的思想，在數字化探究實驗中也是較為常見的，數字化探究儀器，基本上都是將其他信號，比如光信號、力的大小等，轉化為電信號，這是很直接且容易為學生所理解的轉化方法對應的例子，因此，數字化探究應當加大對這一科學方法的點撥。
（三）關于STS思想的培養
小學科學素養教育中除了科學知識、科學過程和方法外，第三方面的要素就是STS思想，即科學-技術-社會。培養學生這一意識，一方面要引導學生認識到科學技術對生活、公眾健康、工作條件、世界和平帶來有利的一面，另一方面又要引導學生警惕科學帶來的負面效應，如環境污染、自然資源的過渡消耗等，即必須用一分為二的觀點認識科學技術與社會的關系。利用數字化探究培養學生STS思想，結合其自身特征，可以從以下三大角度入手。
第一，利用數字化探究實驗本身便捷、快速、可靈活組裝的特點，引導學生比較數字化探究實驗與傳統實驗儀器的優勢，進而促使學生認識到科技發展帶給教學的各種便利。例如，常規實驗只能自行描點繪制曲線圖，而數字化探究實驗儀器則在做實驗的同時便能自動匯出相應的曲線，學生不僅要認識到曲線對應的科學知識和方法，也應當體會到這種便捷帶來的學習的高效率。
第二，利用數字化在生活中的各種應用，引導學生認識到科學技術在生活中所發揮的價值。例如，生活中的自動感應門、煙霧報警器、洗手自動出水開關等等，實際上都是利用了數字化探究中常見的傳感器。因此，要利用數字化探究來培養學生的STS理念，還需要將所使用的數字化探究實驗，拓展到與生活息息相關的領域，引導學生認識到科學技術在推動社會發展中所起的重要作用。
第三，利用數字化探究較為先進的實驗手段，研究與社會緊密相關的現象。例如，研究溫室效應的產生及其后果，研究酸雨天氣，研究河流污染后酸堿度的變化等等，通過常規傳統實驗往往是較難實現的，而通過數字化探究儀器，則能夠較方便地開展相應的實驗，進而引導學生更直觀地認識科學與技術發展帶給社會的負面影響。
三、基于數據采集系統的數字化探究應用案例分析
（一）數字化探究拓展學生對科學知識的認知空間及理解深度。
在科學學習中，要培養學生嚴謹的科學態度，讓學生知道事物本質的多樣性與統一性的關系。對事物的認識不僅要知道其普遍原理，還可以進一步了解其極值范圍，找到事物的最大值和最小值，這和知道其常見值一樣的重要。描述正在發生的變化的最好方法是把測量結果制成一張表格或圖像，使用數據采集系統可以實時得到數據表格和圖像。而表格和曲線可以顯示一個數字與另外一個數字的相互關系。這樣的數據處理結果，能讓學生更深入了解各個量之間的關系。案例一：利用溫度傳感器探究冰融化過程中的溫度變化1.實驗目的（1）用MGA模擬器加上兩個溫度傳感器來探索冰融化時溫度的改變以及熱流的方向；（2）建構有關冰融化的概念；（3）培訓科學處理與思考技能；（4）應用有關冰融化的知識來推測“全球暖化”的一些后果。3.提出探究問題傳統的實驗教學，學生感知到冰融化成水的現象，但是不能建立融化與熱之間的邏輯關聯。應用數據傳感器后，學生能在曲線圖中清醒直觀地看到融化的速度與熱之間的關系，輔以恰當的問題引導，有助于加深理解。
（二）支持個性化的實驗設計，豐富校本科學課程
在熟練使用傳感器以后，提供的各種測量工具，為教師很多創造性的科學實驗的涉及實施提供了可能。老師和學生可以設計自己的探究性的課題，對時間充足和有能力的學生的提高給予非常好的技術支撐，可以開展科學主題探究、科技論文研究和科技實踐活動。案例二：利用無線電波傳感器，探究手機（CDMA/GSM）在不同條件下的輻射的差異（變量：手機鈴聲到通話狀態、不同電池電量狀態、不同品牌、不同屏幕尺寸）；案例三：利用氧氣傳感器，探究室內植物光合作用的差異（不同植物光合作用產生氧氣的效率不同，不同植物白天和夜晚的光合作用效率不同，與樹葉大小或光照面是否成正比，等等）；案例四：利用光傳感器，探究燈泡（研究市面上的白熾燈、光管、節能燈、LED燈）的發光效率及發熱比較，不同燈的頻閃是否相同，市面上的護眼燈的護眼效果等。
（三）幫助學生延伸觸覺、聽覺、視覺和思維
數字化時代，學生能在實驗中通過數字化儀器輕易地采集非常豐富的數據。再加上專為數字化時代設計的探究學習教材和專為數字化儀器設計的實驗套件，就能讓學生通過所采集到的豐富數據去獲取許多書本以外的知識。案例五：水的循環實驗。本實驗的目的是要讓學生最終弄明白在一個打開的容器中水會跑到哪里去。這既不容易證明，又不容易檢測到。但是，水循環對地球上的生命具有極其重要的意義，通過借助相對濕度傳感器測量打開蓋子的盛水容器中周圍濕度的數據變化，學生可以理解蒸發、冷凝和物質守恒定律。案例六：測量那些開始比周圍環境涼的多的物體變暖的過程，以及比周圍環境熱的多的物體變涼的情況，學生可以使用數據采集系統采集到的實驗圖像來檢測溫度的微小變化，并標繪成圖，以檢測許多熱交換的實例。
（四）優化實驗過程，使實驗的重心回歸探究
傳統的探究式教學中，教師比較強調探究過程與設備的使用，數據的收集比較費時，一堂實驗課下來，學生大部分時間都耗在實驗裝置的安裝調試和實驗材料的準備上。數據采集系統的應用，將實驗的準備工作留在課外，學生只需將注意力集中到實驗數據的本身，從收集到的數據中找到要探究和解決的科學問題。案例七：熱傳導的實驗教學。1.實驗目的：本實驗的教學內容是讓學生理解，熱能會在一個很好的導熱體中很容易地被傳導，在不好的導熱體中不容易被傳導；金屬是一個很好的導熱體，塑料不是一個好的導熱體。比較以上兩個實驗裝置和實驗數據的獲取方式，我們可以看出，傳統實驗裝置設備準備較多，得出的數據是印象性、不精確的，采用數據采集系統的實驗裝置實驗條件簡單，只需一個溫度傳感器和兩根不同材質的導熱棒就可以完成，采集的數據在軟件上的顯示直觀、清晰，有利于學生在數據分析的基礎上，構建不同材質的熱傳導性能的知識概念。
四、數字化探究在科學教育中的應用建議
在目前來說，我國基于數據采集系統的數字探究實驗室建設還處于起步階段，開展基于數字探究的科學教育還有很多需要研究和完善的地方，筆者根據在實際教學案例中的經驗，提供幾點經驗和建議與讀者共享：
1.組織學生進行幾個真實的探究，會比給他們進行大量而表面化的活動，更有學習上的意義。初期要求每個班級每個學期實施2個主題的科學探究學習，對老師來說已經難能可貴，對學生來講，一次完整意義的探究學習，除了知識技能外，關鍵能培養學生的科學思維方式。
2.傳感器的配備可以根據學校的實際情況購置，沒必要一步到位，聲音、溫度、光、氧氣是小學最常用的傳感器，其它傳感器隨著教師使用技能的逐步提高，根據教學需要逐步購買。而因教學環境及數據采集器都已配備完畢，后續只需買應用的傳感器，預算壓力會小很多。
3.由于數據采集系統是新技術，多數教師對其不太了解。可以先在區域內配備小學科學探究中心實驗室，配備齊所有儀器設備，區域內小學教師可以自行到中心實驗室摸索或者帶全班學生到中心實驗室上課；中心實驗室所有儀器設備也可以借給學校老師。
4．成立小學科學探究應用研究及推廣的項目小組。小組可以基于中心實驗室開展工作，研究數據采集系統與科學探究教學的最優化應用。
作者：雷曉暉 單位：廣東省廣州市番禺區市橋德興小學
