数字化实验,开拓初中科学实验拓展新思路

发表时间:2017/9/26   来源:《中小学教育》2017年11月第296期   作者:朱可乐
[导读] 数字化实验结合了传统实验教学的特点和数字化的优势,有效提高了科学实验教学效率。本文从数字化实验的概念和优势入手,结合教学实际对于数字化实验的应用策略进行了分析探讨。

朱可乐 浙江省杭州市第十五中学教育集团(总校) 310013  
摘 要:数字化实验为初中科学实验教学开辟了一条新思路,数字化实验结合了传统实验教学的特点和数字化的优势,有效提高了科学实验教学效率。本文从数字化实验的概念和优势入手,结合教学实际对于数字化实验的应用策略进行了分析探讨。
关键词:数字化 科学实验 初中 应用
        随着计算机技术的发展和实验环境的不断完善,数字化实验开始进入到教育学领域,为科学实验教学的开展提供了新的思路和方式。数字化实验借助了先进的传感器和计算机设备,具有强大的数据分析和结果显示能力,相比于传统的实验观察,其结果更具有说服力,同时能够为学生灌输用其他学科工具建立模型、研究问题的思想。将数字化实验引入到初中实验教学中就显得尤为重要。


        图1. 数字化实验简介
        一、数字化实验的概念与教学优势
        数字化实验是以传感器和计算机为基础,结合传统的实验仪器,将实验数据采集之后用计算机进行分析处理,通过数据图表和图像展示现象、解释规律。与传统实验相比,数字化实验有着无可比拟的优势:首先,数字化实验借助了多种设备仪器,能够将肉眼看得比较模糊粗略的结果清晰地展现出来,结果更具有精确性和说服力;其次,数字化实验能够将实验过程中发生的微小变化展现出来,具有对瞬间结构的展现性;再次,数字化实验中的计算机能够将变化过程予以展现,大大增强了观察效果,提高了课堂效率。
        二、数字化实验在科学实验教学中的应用策略
        数字化实验的优越之处在于其对实验结果的处理分析显示能力,其侧重于对实验结果的探究过程;而传统实验仅是对结果进行定性分析,强调实验思维和操作过程。在开展数字化实验的过程中,应注重数字化与传统化的有效结合,从多个层面培养学生的实验能力。笔者从以下四个方面对数字化实验的开展过程进行了探讨。
        1.启发式引导,引发数字化实验猜想。进行合理的实验猜想是数字化实验开展的第一步,在实验开始前教师可引导学生结合所学的科学知识对实验结果进行猜想。猜想过程考查了学生对于知识的掌握程度,同时也给学生的实验设计和开展提供了方向,能够达到巩固课堂教学结果,提升数字化实验开展效率的目的。例如,在《电流的测量》一课,引导学生完成两个实验:串并联电路中电流的关系。在开始实验前,教师引导学生结合水流对于电流的关系进行分析。经过对比分析研究,学生得出串联电流应处处相等,而并联干路电流应等于各支路电流总和的结论。接下来的过程中,教师引导学生分析各个电子原件如何布置才能得到串并联的实验操作。借助启发式的引导,学生对于实验结论形成了初步的猜想,以此为基础进行的实验设计就更加具备针对性和效率性。在启发式引导环节,除了实验猜想外教师也应对实验操作的注意事项进行点拨,为学生的实验设计打好基础,提高数字化实验的教学效率。
        2.合作式学习,鼓励数字化实验设计。科学实验旨在考查培养学生的实验设计操作能力,实验设计过程是一个整体性的过程,需要进行分析设计考查的点也较多。在实验过程中可通过合作式学习的方式,让学生在讨论中集思广益,完成对于数字化实验的设计。数字化实验具备“数字”的特点,因此除了实验装置外教师应强调学生将数字化的设备与实验仪器进行连接,引导学生完成对于数字化和实验装置的整体设计。例如,在进行《酸和碱之间的反应》一课的教学时,教师给学生布置盐酸和氢氧化钠发生中和反应的实验操作。传统的实验过程学生只能够通过观察指示剂的颜色变化得出酸碱中和反应的结果。在数字化实验过程中可依托PH传感器和温度传感器获得PH值和温度变化情况。在实验开展前教师提出实验要求:(1)设计中和实验的实验操作过程;(2)结合数字化设备进行实验仪器的安排;(3)实验仪器有烧杯、玻璃棒、盐酸和氢氧化钠溶液、滴管、PH传感器和温度传感器;(4)以小组为单位进行合作设计。在实验设计的过程中,学生完成了两部分的设计工作,分别为传统实验的操作流程和结合有数字化仪器的实验仪器安排。实验操作流程:在烧杯中放入一定量的盐酸溶液;向烧杯中滴加氢氧化钠溶液并不断搅拌;观察PH值和温度变化过程。实验仪器安排:将数字化仪器与实验操作进行结合,使PH传感器测量PH值,使用温度传感器测量温度值。学生设计的实验仪器安排如图2所示。
 
        图2. 中和实验仪器设置
        通过合作式的学习方式,学生高效地完成了对于数字化实验的设计。通过对于传统实验的设计和与数字化设备的结合,学生形成了实验设计的基本思路,同时具备了使用数字化仪器进行科学验证的思维,形成了良好的实验设计习惯。
        3.探究式实践,完成数字化实验操作。实验操作是数字化实验的重要过程,在实验过程中学生可结合对于实验的设计安排完成对于实验结果的获取分析。实验操作以学生自主探究为主,在此过程中教师可对操作关键点进行提示并在实验过程中对学生进行点拨引导。数字化实验操作任务主要有以下两点:1.结合实验设计进行精确的实验操作;2.结合数字化设备进行数据的采集。例如,在进行《二力平衡的条件》一课的实验过程中,需要从两个力的大小和方向两方面进行实验探究。在实验过程中,学生采用了小车、砝码、滑轮、位置传感器、力传感器以及角度传感器。在对力的大小进行验证时,使用角度传感器保证拉动小车的砝码在同一方向,学生在小车两端加砝码,并使用力传感器检测记录力的变化,使用位置传感器检测小车是否发生了移动;在对力的方向进行验证时,改变拉动小车的角度,同样使用位置传感器检测小车是否发生移动。在数据采集过程中学生使用了如下表格进行记录,为后续分析做好准备。
表1. 二力平衡实验记录表


        借助严谨的操作过程和详细的实验记录,学生完成了对于二力平衡的操作。探究化的操作过程强化了学生的实践能力和操作水平,数字化设备为学生的实验结果提供了详细数据,使得整个实验过程更为严谨有效。
        4.论证式分析,塑造数字化实验思维。数字化设备能够提供精确的数据,同时学生也可借助数字化设备进行结果的分析处理,以图形、表格等方式对于实验结果进行记录展示。在教学环节,教师可引导学生以多种方式展现数据进行论证式分析,强化学生对于实验结果的认知和对于数字化实验的认可。例如,在进行《物质的比热》一课的教学时,学生对于水和煤油进行了加热,并对加热时间和温度变化进行了测量并将采集到的结果利用计算机软件绘制到一张图表中。图表清晰明了地展示出了加热过程中的水温变化,使学生明确了水的比热容较大这一特性。
       

      图3. 水和煤油比热实验
参考文献
[1] 严西平 钱蕙 初中化学数字化实验的探索[J].化学教学,2013,(12),48-50。
[2] 朱折峰 浅析数字化(DIS)实验在初中科学教学中的应用[J].新课程学习(下),2013,(2),122-123。
[3] 陆努杰 数字化实验系统在初中科学教学中的应用分析[J].中小学电教,2016,(3),39-40。

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