数字化装备引入小学科学实验的影响研究——以上海市中小学实验教学说课活动中的数字化实验系统DIS为例

在教育数字化背景下，信息技术已深度融入学科教学体系，科学教育领域尤为突出。现代教育技术的常态化应用，不仅显著提升了课堂教学效率，更深刻重塑了教师的教学理念与教学模式，为科学教育开辟了新的发展空间。然而需要特别强调的是，对于小学生科学素养培育而言，亲身参与探究过程、获得直接经验始终是不可替代的学习核心。这就要求学科教师必须智慧地把握技术应用的度，以“润物细无声”的方式实现技术对教学的支持功能，既要充分发挥信息技术在辅助教学、保障学习、提升效果方面的优势，又要避免技术应用喧宾夺主。教师应当立足课程本质需求，通过创造性使用教材、深度研究教学方法，使信息技术真正成为活化教材、优化教学的有效工具，最终实现构建有思维深度、有探究实效的科学课堂这一根本目标。

一、数字化装备对小学科学学科的重要性

数字化实验系统(DIS)包含一系列数字化装备，其引入首先极大地丰富了小学科学实验教学的内容与形式，使抽象的科学概念变得直观可感，有效激发了该年龄段学生的学习兴趣与探究欲望。其次，通过使用DIS，师生能够更加安全、便捷地进行实验操作，降低了实验风险，同时提高了实验的精确度和数据收集的效率。最后，还促进了小学科学实验教学评价方式的多元化，教师可以通过数据分析软件实时跟踪学生的学习进展，及时给予个性化指导，促进了学生科学素养的全面发展(表1)。

表1    小学科学实验教学涉及的数字化装备

在2021年、2022年、2024年上海市中小学实验教学说课活动中，共有53节小学科学课参赛，梳理汇总显示，使用DIS或其他数字化装备(含自制)的说课作品共35节，约占总量的66%。其中，2021年使用DIS或其他数字化装备(含自制)的比例为60%，而到2024年，这一比例上升至95%。由此可以看出，随着教育部2019年印发《关于加强和改进中小学实验教学的意见》、上海市教育委员会2024年印发《关于做好2024年上海市教育数字化转型工作的通知》，越来越多的教师开始思考如何将数字化装备融入课堂。

二、数字化装备赋能小学科学实验教学的优势

(一)突破传统教学方式，提高教学时效性

以2024年说课案例《水和沙的温度变化》为例，《义务教育科学课程标准(2022年版)》(简称《课标》)的学业要求中明确提出，三至四年级学生要能够使用简单的工具测量物体的长度、体积、温度、质量等；对常见物体的特征和常见材料的性能表现出探究兴趣；认识到观察和测量的重要性，观察和测量的结果需要如实记录；能按要求进行合作探究学习；意识到各种材料对人们生活的意义。在教学内容中，授课教师需要学生将前一课时“水的温度变化”所记录的数据、绘制的折线图与本课中观察记录得出的沙子的温度进行比较分析。但学生难以保存之前学习内容的实验数据，这给本课的教学带来了较大的难度。此外，“沙子温度从加热到冷却”的观察活动需要20min的时间，再加上学生需在活动部分完成沙子温度的折线图记录，还需要分析讨论其与水温变化的异同，总体上很难在35min的时间内完成。

基于上述原因，结合DIS，可做出如下优化。将原先装水的100mL烧杯和装沙的坩埚统一换成长柄金属勺，由于金属材质传热速度＞坩埚(陶瓷)传热速度＞烧杯(玻璃)传热速度，水温加热到100℃的时间可大大减少，从而能使整堂课用于等待、持续观察的时间大幅减少。同时，金属勺都配有长柄，便于学生握持和操作，可避免因为高温造成的安全隐患。因此，教师将测量水和沙的水银温度计统一更换成DIS高温传感器。以往可能会出现测量数据误差过大，导致最后得到的结果与科学概念和规律不相符的情况，最终无法实现教学目标。而运用DIS高温传感器后，实验数据可精确采集，同时也降低了学生操作难度，有效减少了实验误差，提高了实验的精确度(图1)。

图1    测量水温和沙温实验装置

通过实验，学生可初步认识到：温度与物质之间的关系原理为比热容差异(物理)。吸热时，沙子升温快，水升温慢(如中午沙滩滚烫而海水凉爽)；散热时，沙子降温快，水降温慢(如夜晚沙滩变凉而海水温热)。热传递规律(物理)显示，在升温幅度相同时，水需吸收更多热量；吸收相同热量时，沙子温度变化更显著。从海陆热力性质(地理)看，沙子代表陆地(比热容小)，水代表海洋(比热容大)，实验结论可解释沿海地区昼夜温差小于内陆地区的原因等。

(二)将抽象问题具象化，突破教学重难点

借助实时数据收集与动态可视化技术，把抽象的科学原理转变为可感知的具体学习情境。例如物理中的“加速度”概念，传统教学多靠公式推导(抽象)，而使用DIS力传感器搭配运动轨道，可实时生成a-t图像(具象)，使学生能直接看到加速度和力的联系。又如化学里的中和反应，DIS的pH传感器可持续记录溶液酸碱度变化曲线，同时投影颜色渐变动画，将微观离子反应(抽象)转化为视觉信号(具象)。生物学中的光合作用速率实验中，学生往往误以为光照越强速率越快，应用“光照-氧气”DIS传感器组可实时输出数据，清楚展现“温度阈值”的限制(抽象规律)，打破经验主义的认知。数字化手段并非要取代传统实验，而是通过“数据—图像—结论”的闭环，让学生从具体操作反向推导抽象模型，实现科学思维的进阶训练。

以手摇发电的电流磁效应实验为例，可借助DIS数据采集器、手摇发电系列装置、电压传感器、多量程电流传感器、磁感应强度传感器等实验装置开展实验(图2)。

图2    手摇发电探究装置

一是用塑帽螺栓将发电机模块固定至底座，将发电机模块导线插头接入底座，将底座导线红黑插头接入相应用电模块；二是将多量程电流传感器、电压传感器接入底座相应接线柱，将磁传感器探管伸入螺线管中部；三是顺时针(或逆时针)转动发电机模块摇柄，可看到电流、电压变化(图3)。

图3    手摇发电探究实验数据

(三)强化师生联动，激发学习主动性

小学生具有强烈的好奇心，然而在传统教学模式中，学生只是被动接受知识的一方，这种方式无疑会降低学生的主动性和创造力，还可能使他们在探索自然奥秘时失去热情与动力。因此，为了实现教学创新，教师需要认识到构建趣味课堂的重要意义，并将其付诸实践。首先，教师应站在学生的角度，深入理解他们的内心世界，在具体操作中关注学生的兴趣和需求。其次，教师要注重课程导入的设计，通过生活中的实例引出相关知识点，激发小学生的好奇心与求知欲。这样既能推动学生深入探究，又能确保每位学生都能充分发挥主观能动性。最后，将抽象概念融入实验活动，借助实例向学生展示生活中的常见规律，可提升学生的认知能力，帮助他们完成知识的迁移。

例如，在2021年说课案例《苔藓喜欢什么样的“家”》的实验教学中(图4)，教师根据学情分析，通过考察校园、观察苔藓外形特点并对苔藓进行养护，让学生对于苔藓形成直观的认知，然后提出问题，引发学生思考并开展小组讨论。从温度、湿度、光照三个环境因素中选择一种因素分组设计并实施对比实验。

图4    苔藓喜欢什么样的“家”实验装置

三、结语

数字化装备的深度融入，正在重构小学科学实验的教学模式，其价值不仅体现在突破时空限制、具象化抽象概念、激活课堂互动等显性方面，更在于它重新定义了实验的本质，即从验证结论的工具，转向培育科学思维的载体。然而必须清醒认识到：传感器闪烁的数据灯、屏幕呈现的曲线图，终究无法替代学生亲手触摸土壤温度、观察苔藓生长的真实体验。未来的科学教育，应在技术赋能与具身认知之间寻求动态平衡。要让数字化装备成为延伸感官的“认知望远镜”，而非隔绝真实的“数字围墙”。唯有如此，方能真正实现《课标》所要求的“在探究实践中形成科学态度，在真实情境中理解科学本质”。