数字化实验在中小学衔接性科学探究活动中的应用探索.pdf
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1、24|数字化实验在中小学衔接性科学探究活动中的应用探索科学专题义务教育科学课程标准(2022 年版)1(以下简称“课标”)将义务教育科学课程划分为一至二、三至四、五至六和七至九四个学段,然而学段衔接,尤其是第三学段向第四学段(小学向中学)过渡存在不足,有待优化。笔者以“衔接”为关键词对新课标文本进行检索,发现共出现十处“衔接”,其中四处强调“幼小衔接”,其余六处泛泛地提到“学段衔接”,并没有特别指向中小学衔接。课标意识到学段衔接问题,但对于小学与初中如何衔接,目前还没有给予更多的指导。由于小学和初中在教学内容、教学方法存在分野,导致中小学教师各自为战。具体表现为:教学内容前后不统一,同一内容多
2、次出现但概念表述不同;教学活动重复设置,甚至前后矛盾;小学和初中科学教师缺乏沟通与协作,甚至互相埋怨。课标要求教师基于学生的认知水平和知识经验设计进阶方案:内容应当由浅入深、由表及里、由易到难,活动要从单一到综合,课程目标和内容螺旋式上升。教师梳理中小学科学教学内容,科学开展“中小学衔接性科学探究活动”可以促进中小学科学教学的“双向奔赴”。教师开展科学探究活动,揭示条件对于物质、运动和相互作用及能量之间的转化关系,是引导文|舒俊波数字化实验在中小学衔接性科学探究活动中的应用探索初中和小学的科学教育教学在科学概念上存在差异,因两个学段共享一个课标,但教材内容的衔接却与之不完全吻合,故小学和初中科
3、学教师都期待尽早实现小学科学与初中科学有效衔接。教师分析梳理中小学教材中复现的教学内容,将数字化实验嵌入衔接性探究活动中,利用数形转换、概念建模等功能,能够优化衔接性探究活动,促进中小学科学教育教学顺利过渡。关键词:中小学衔接;数字化实验;科学探究活动摘要:学生认识科学概念、培养学生科学思维能力的重要内容之一。美国国家科学教育标准(NSES)在第六章“科学内容标准”针对三个学段的学生给出了借助工具开展科研活动的指导意见:对五至八年级学生,要让他们了解科学家应用数据采集技术提高实验精度并实现定量分析;对九至十二年级学生,要让他们看到科学家依靠技术优化了数据的收集和处理。新技术可以用于收集所需的数
4、据,为探究提供证据,有助于科学进步。教师将“数字化实验”引入科学课堂,有助于提高科学探究活动的有效性。教师借助“数字化实验”促进中小学科学教学的衔接,能有效弥合中小学科学教育教学断点。一、数字化实验有利于中小学科学探究活动的衔接“中小学衔接性科学探究活动”是基于对小学和中学科学教材的归纳、汇集得到的多次出现且其间存在有序进阶关系的探究活动。其中,进阶关系最为清晰、逻辑最为顺畅的是物理学科的内容。义务教育物理课程标准(2022 年版)指出,物理观念是物理课程核心素养的组成部分,物理观念主要包括物质观念、运动和相互作用观念、能量观念等要素2。由于物理概念具有抽象2024 年第 1 期 中小学数字化
5、教学|25科学专题性,上述要素均属于学生的认知难点。笔者对浙江省使用的教科版小学科学教材和浙教版中学科学教材进行统计,发现两者“物理领域”中存在衔接关系的相关单元共有七个,具有显著的衔接性、进阶性的探究活动超过 30 个。笔者认为,充分考虑“物质科学领域”科学概念的进阶关系和衔接作用,在精心设计的基础上有效开展衔接性探究活动,使中小学物理概念保持一致,对于弥合不同学段,尤其是小学和中学两个学段之间的教学断点,实现课标要求的教学衔接,具有重要意义。数字化实验系统是借助信息技术对传统实验教学改进的产物。数字化实验与传统实验貌似大相径庭,其实两者都是面向真实对象的实验。以目前浙江省配备较多的 DIS
6、 为例(Digital Information System,即“数字化信息系统”3),该系统由“传感器+数据采集器+实验软件包+计算机”组成,能够高速、精准地采集几乎所有类型的实验数据并交由专用软件进行分析。教师应用 DIS 能有效克服传统实验手段读数缓慢、误差过大、仪器笨重等弊端,并借助对微小信号的放大、暂态信号的捕捉和能够显示过程的曲线功能,实现诸多实验现象的可视化、直观化,显著降低科学探究活动的难度,极大地丰富学生的科学体验4。学生使用交互式计算机“微型世界”来学习力学中力和运动的知识,同时获得了动手和动脑的经验,对科学有了深入的理解。与许多十二年级学生相比,使用数字化学习工具的六年级
7、学生能更好地理解加速度和速度的概念5。教师科学地开展数字化实验,让学生在小学就为初中的科学概念学习打基础,尤其是将抽象的物理概念教学适当前置到小学阶段,使学生获得丰富的经验。如此,教师可以在小学阶段为初中的科学教学铺平道路。二、数字化实验应用于中小学衔接性探究活动的实践表 1 所列的七个探究实践活动属于典型的中小学衔接的科学探究实践活动。对于其中涉及的物质科学等领域的概念,教师开展数字化实验,可以使学生在小学阶段获得经验,深化理解。(一)认识酒精灯的火焰学生在三年级学习“水”单元“水沸腾了”的知识时会接触酒精灯,其中多数学生可能是第一次。教材在此处仅针对酒精灯给出相关安全提示,但在教学中,教师
8、往往会告知学生酒精灯火焰的外焰温度最高,要求用外焰加热。小学生会心生疑问:为什么外焰温度最高?如果教师此时给出实验测量的支架,小学生就能轻松翻过认知陡坡,从而对酒精灯火焰的特性形成完整的认知,构建起火焰的三层结构模型。学生在三年级系统地学用酒精灯,在七年级参与“走进科学实验室”活动,但教材给出的实验依然是基于木条炭化程度的间接验证。由于木条炭化程度由木条材质、温度、受热时间和氧气含量等因素共同决定,该实验的现象往往给学生表 1 数字化实验在中小学衔接性探究活动中的应用教学内容教材设置衔接探究概念下沉效果物质酒精灯火焰三上(三年级上册,余类同)、七上使用规范;木条炭化火焰模型三态变化三上、五下、
9、七上温度变化与水的形态变化之间的关系;水的形态变化的关键点温度测量;其他物质形态变化时的温度温度作为物态变化的条件;物态变化时的温度变化规律磁场二下、六上、八下磁铁;电磁铁;电磁关系磁感应强度运动和相互作用力四上、七下力的大小;力和物体运动之间的规律力的大小与方向简单机械六上、九上简单机械原理;力与能量做功力的大小与方向声的奥秘四上、七下声音的高低、声音的产生与传播声波、声强测量能量热传递五下、七上金属热传导;空气热传递温度测量26|数字化实验在中小学衔接性科学探究活动中的应用探索科学专题增添更多困惑,甚至让教师陷入尴尬境地。针对上述问题,笔者使用高温传感器开展实验(如图 1),从焰心开始测量
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