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数字化实验系统（Digital Information System，即DIS，简称数字实验）是一种新型实验系统，主要由传感器、数据采集器、计算机及实验软件包（专用软件、通用软件）等构成。作为系统核心的传感器可以认为是人类感觉器官的延伸，通过传感器可以测量温度、pH、CO2浓度、O2含量、光强度等。数据采集器则是数字化实验的“显示器”，它能够显示各种测量数据，以数字的形式直观地呈现给实验者。数字实验具有变定性研究为定量研究、智慧、高效等优点。
将数字化实验技术渗透到科学课教学中，可以将一些知识和问题通过具体的资料加以体现，增加学生的感性认识，并在科学探究中通过数据采集过程，将数据转化为证据，培养学生的科学思维能力，促进学生对概念的建构，有利于学生理解科学的本质。本文以《传热比赛》一课为例，谈谈数字化实验提供的数据和证据对概念形成的重要作用。
一、数字化教学实验设计
《传热比赛》一课需要引导学生经历完善实验计划、规范实施实验、获取实验数据、审视数据等探究过程，运用分析、综合、概括等思维方法，对感性认识进行理性加工，把数据变为支持自己观点的证据，培养学生的实证意识。最后通过深化与拓展，解决生活中的实际问题，最终建构本课的科学概念。
1.“传热比赛”传统实验
教材中安排的环节是：
（1）把塑料勺、木勺、鋼勺放在同一杯热水中，观察它们导热的快慢，区分出热的良导体和热的不良导体。
（2）实验研究铜、铁、铝三种金属材料，认识它们的传热性能是有差异的。
教材中设置的实验，没有具体数据，学生是凭着一系列感官体验得出科学概念，这样的实验方式学生难以记忆深刻、充分理解。
2.“传热比赛”数字化实验教学设计
[主要活动 具体活动 从生活中引入传热快慢的现象 图片出示烤羊肉串，通过对签子的讨论，引出材料与传热快慢的关系，引发学生争论，提出本节课的研究主题 观察多种材料的传热快慢 将涂有温变油墨的铜棒、橡胶棒、木棒、玻璃棒、塑料棒、铝棒放入热水中，进行传热比赛 不锈钢、铜、橡胶棒、木棒四种材料的传热比赛 借助传感器对4种材料进行传热比赛并进行数据分析，通过对曲线图的归纳整理，认识热的良导体和热的不良导体 归纳总结材料的各种特性 回忆三至五年级学过的有关材料特性的课程，归纳出材料的各种特性：硬度、吸水性、韧性、导电性、导热性等 生活中常见材料的热导率 图片出示热导率数值，了解生活中常见材料的导热能力 讨论生活中常见物品的材质 综合利用所学材料的特性，解决生活中的实际问题，将材料的特性与它的用途建立联系，建构本课第二个科学概念 ]
二、“传热比赛”数字化教学设计特色
1.定性研究——转化法的应用
热在物体中的传递是肉眼无法看见的，五年级学生虽然具备初步的逻辑思维能力，但若更直观地看到物体变化的过程可以更好地帮助其建构科学概念。所以，在本课的第一个环节，教师利用温变油墨遇热变色的原理，带领学生用直观的方式亲眼见证了热传递速度的快慢，将不易见的热传递现象转换成可见的直观现象，使他们意识到不同的材料导热能力有所不同。这种方法的不足之处在于传热速度慢的材料很难在短时间内看出效果，这种定性研究不能使学生进行更深入的科学探究。
2.定量研究——传感器与采集器的应用
课堂的第二环节，教师将温度传感器和数据采集器（图1）引入课堂，让学生通过实验数据发现问题。通过数据，学生会发现虽然第一个实验环节中的玻璃棒、橡胶棒等没变色并不是因为它们不导热，而是因为它们的导热速度比较慢，它们也可以导热。
3.分析数据建构基础概念
数字化的辅助设备帮助学生对抽象的热传递速度获得了具体的、详细的数据和曲线图，学生在实验中直观地看到了物体导热速度的变化趋势，进而对数据进行整理和分析，便能归纳出现象后面存在的规律。数字化教学正好填补了第一个环节中实验的不足（如图2）。
可以用提问的方式引导学生分析曲线图，例如，可以聚焦在某一个具体温度，分析这个点具体代表什么，位置高说明什么？位置低说明什么？通过曲线图上的什么，说明什么？
接下来再让学生分析上升最快的几种材料有什么共同点？根据材料导热快慢进行分类，发现数据背后隐藏的信息：导热快的材料属于金属。由此便可水到渠成地归纳出本节课的第一个科学概念：像金属这样导热能力强的材料，我们称之为热的良导体；像塑料、木头这种非金属材料，导热能力差，我们称之为热的不良导体。
在日常教学中，有时也会出现有问题的数据，这时不能简单地下结论，而是要引导学生一起分析原因，如有必要，可以收集更多的数据来佐证。
在《传热比赛》一课中，曾出现有误差的数据（数据反映木棒导热能力比橡胶棒要强）。在教师的引导下，学生分析问题数据产生的原因可能有：
（1）各组之间的木头材质不一样，可能导致数据不一样。
（2）木棒或橡胶棒本身材质有问题。
这时需要老师鼓励学生针对以上假设因素进行探究，更换材料获取多次数据，排除偶然因素对实验结果的影响。
4.建构科学概念，解决生活中的实际问题
学生通过一系列科学探究，知道了像金属这样导热能力强的材料称为热的良导体，像塑料、木头这样导热能力弱的材料称为热的不良导体。教师在此基础上进行拓展、深化，并联系生活中的材料，出示常见材料的热导率，引导学生利用所学，解决导入时提出的问题“做烤羊肉串的签子选择哪种材料更好”。在讨论分析中，学生会发现不锈钢这种材料不仅导热能力强、速度快，而且成本低廉、无毒无害，更适合使用。通过讨论，学生会意识到考虑问题不能局限于一个方面，要多角度考虑，从而解决问题。教师引导学生进一步思考与讨论：材料导热快慢与实际生活有什么关系？这样，学生会在脑海中建立起本课第二个科学概念：物体和材料特性之间的联系，即材料的特性不同，用途就不同。
三、教学反思
1.数字化实验可以促进学生科学思维能力的发展
第一次传热比赛采用温变油墨遇热变色的原理，将实验内容可视化，充分发展了学生的感性具象思维。第二个实验利用数据采集器和传感器，在数字化实验的辅助下，引导学生对感性认识进行理性加工，可以让他们更好地理解不同材料导热的快慢，帮助他们更好地建构科学概念。
2.数字化实验能将数据转化为证据
第一次实验学生通过肉眼观察，根据直观感受得出一部分实验结果。第二次实验通过数字化设备的精准测量，用数据和曲线图，更清晰地展示出实验结果，更精确地测量出材料导热性的强弱，再通过对数据的详细分析，将其转化为证据，从而使学生发现物体导热性的更多差异，帮助他们建构完整的科学概念。
3.应当灵活运用数字化实验器材
本课的数字化实验器材只有木棒、橡胶棒、铜棒、不锈钢棒四种材料，大小粗细一样，体现了实验的公平性，但是选材较少。可以增加一些实验材料，利用传感器进行测量，让学生更直观地看到各种材料的特性，从而更有效地建构科学概念。
北京市红英小学（100094）
北京市首都师范大学实验小学（100094）
将数字化实验技术渗透到科学课教学中，可以将一些知识和问题通过具体的资料加以体现，增加学生的感性认识，并在科学探究中通过数据采集过程，将数据转化为证据，培养学生的科学思维能力，促进学生对概念的建构，有利于学生理解科学的本质。本文以《传热比赛》一课为例，谈谈数字化实验提供的数据和证据对概念形成的重要作用。
一、数字化教学实验设计
《传热比赛》一课需要引导学生经历完善实验计划、规范实施实验、获取实验数据、审视数据等探究过程，运用分析、综合、概括等思维方法，对感性认识进行理性加工，把数据变为支持自己观点的证据，培养学生的实证意识。最后通过深化与拓展，解决生活中的实际问题，最终建构本课的科学概念。
1.“传热比赛”传统实验
教材中安排的环节是：
（1）把塑料勺、木勺、鋼勺放在同一杯热水中，观察它们导热的快慢，区分出热的良导体和热的不良导体。
（2）实验研究铜、铁、铝三种金属材料，认识它们的传热性能是有差异的。
教材中设置的实验，没有具体数据，学生是凭着一系列感官体验得出科学概念，这样的实验方式学生难以记忆深刻、充分理解。
2.“传热比赛”数字化实验教学设计
[主要活动 具体活动 从生活中引入传热快慢的现象 图片出示烤羊肉串，通过对签子的讨论，引出材料与传热快慢的关系，引发学生争论，提出本节课的研究主题 观察多种材料的传热快慢 将涂有温变油墨的铜棒、橡胶棒、木棒、玻璃棒、塑料棒、铝棒放入热水中，进行传热比赛 不锈钢、铜、橡胶棒、木棒四种材料的传热比赛 借助传感器对4种材料进行传热比赛并进行数据分析，通过对曲线图的归纳整理，认识热的良导体和热的不良导体 归纳总结材料的各种特性 回忆三至五年级学过的有关材料特性的课程，归纳出材料的各种特性：硬度、吸水性、韧性、导电性、导热性等 生活中常见材料的热导率 图片出示热导率数值，了解生活中常见材料的导热能力 讨论生活中常见物品的材质 综合利用所学材料的特性，解决生活中的实际问题，将材料的特性与它的用途建立联系，建构本课第二个科学概念 ]
二、“传热比赛”数字化教学设计特色
1.定性研究——转化法的应用
热在物体中的传递是肉眼无法看见的，五年级学生虽然具备初步的逻辑思维能力，但若更直观地看到物体变化的过程可以更好地帮助其建构科学概念。所以，在本课的第一个环节，教师利用温变油墨遇热变色的原理，带领学生用直观的方式亲眼见证了热传递速度的快慢，将不易见的热传递现象转换成可见的直观现象，使他们意识到不同的材料导热能力有所不同。这种方法的不足之处在于传热速度慢的材料很难在短时间内看出效果，这种定性研究不能使学生进行更深入的科学探究。
2.定量研究——传感器与采集器的应用
课堂的第二环节，教师将温度传感器和数据采集器（图1）引入课堂，让学生通过实验数据发现问题。通过数据，学生会发现虽然第一个实验环节中的玻璃棒、橡胶棒等没变色并不是因为它们不导热，而是因为它们的导热速度比较慢，它们也可以导热。
3.分析数据建构基础概念
数字化的辅助设备帮助学生对抽象的热传递速度获得了具体的、详细的数据和曲线图，学生在实验中直观地看到了物体导热速度的变化趋势，进而对数据进行整理和分析，便能归纳出现象后面存在的规律。数字化教学正好填补了第一个环节中实验的不足（如图2）。
可以用提问的方式引导学生分析曲线图，例如，可以聚焦在某一个具体温度，分析这个点具体代表什么，位置高说明什么？位置低说明什么？通过曲线图上的什么，说明什么？
接下来再让学生分析上升最快的几种材料有什么共同点？根据材料导热快慢进行分类，发现数据背后隐藏的信息：导热快的材料属于金属。由此便可水到渠成地归纳出本节课的第一个科学概念：像金属这样导热能力强的材料，我们称之为热的良导体；像塑料、木头这种非金属材料，导热能力差，我们称之为热的不良导体。
在日常教学中，有时也会出现有问题的数据，这时不能简单地下结论，而是要引导学生一起分析原因，如有必要，可以收集更多的数据来佐证。
在《传热比赛》一课中，曾出现有误差的数据（数据反映木棒导热能力比橡胶棒要强）。在教师的引导下，学生分析问题数据产生的原因可能有：
（1）各组之间的木头材质不一样，可能导致数据不一样。
（2）木棒或橡胶棒本身材质有问题。
这时需要老师鼓励学生针对以上假设因素进行探究，更换材料获取多次数据，排除偶然因素对实验结果的影响。
4.建构科学概念，解决生活中的实际问题
学生通过一系列科学探究，知道了像金属这样导热能力强的材料称为热的良导体，像塑料、木头这样导热能力弱的材料称为热的不良导体。教师在此基础上进行拓展、深化，并联系生活中的材料，出示常见材料的热导率，引导学生利用所学，解决导入时提出的问题“做烤羊肉串的签子选择哪种材料更好”。在讨论分析中，学生会发现不锈钢这种材料不仅导热能力强、速度快，而且成本低廉、无毒无害，更适合使用。通过讨论，学生会意识到考虑问题不能局限于一个方面，要多角度考虑，从而解决问题。教师引导学生进一步思考与讨论：材料导热快慢与实际生活有什么关系？这样，学生会在脑海中建立起本课第二个科学概念：物体和材料特性之间的联系，即材料的特性不同，用途就不同。
三、教学反思
1.数字化实验可以促进学生科学思维能力的发展
第一次传热比赛采用温变油墨遇热变色的原理，将实验内容可视化，充分发展了学生的感性具象思维。第二个实验利用数据采集器和传感器，在数字化实验的辅助下，引导学生对感性认识进行理性加工，可以让他们更好地理解不同材料导热的快慢，帮助他们更好地建构科学概念。
2.数字化实验能将数据转化为证据
第一次实验学生通过肉眼观察，根据直观感受得出一部分实验结果。第二次实验通过数字化设备的精准测量，用数据和曲线图，更清晰地展示出实验结果，更精确地测量出材料导热性的强弱，再通过对数据的详细分析，将其转化为证据，从而使学生发现物体导热性的更多差异，帮助他们建构完整的科学概念。
3.应当灵活运用数字化实验器材
本课的数字化实验器材只有木棒、橡胶棒、铜棒、不锈钢棒四种材料，大小粗细一样，体现了实验的公平性，但是选材较少。可以增加一些实验材料，利用传感器进行测量，让学生更直观地看到各种材料的特性，从而更有效地建构科学概念。
北京市红英小学（100094）
北京市首都师范大学实验小学（100094）