數(shù)字化實(shí)驗(yàn)在中小學(xué)銜接性科學(xué)探究活動(dòng)中的應(yīng)用探索

摘要：初中和小學(xué)的科學(xué)教育教學(xué)在科學(xué)概念上存在差異，因兩個(gè)學(xué)段共享一個(gè)課標(biāo)，但教材內(nèi)容的銜接卻與之不完全吻合，故小學(xué)和初中科學(xué)教師都期待盡早實(shí)現(xiàn)小學(xué)科學(xué)與初中科學(xué)有效銜接。教師分析梳理中小學(xué)教材中復(fù)現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容，將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)嵌入銜接性探究活動(dòng)中，利用數(shù)形轉(zhuǎn)換、概念建模等功能，能夠優(yōu)化銜接性探究活動(dòng)，促進(jìn)中小學(xué)科學(xué)教育教學(xué)順利過渡。關(guān)鍵詞：中小學(xué)銜接；數(shù)字化實(shí)驗(yàn)；科學(xué)探究活動(dòng)《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》[1]（以下簡稱“課標(biāo)”）將義務(wù)教育科學(xué)課程劃分為一至二、三至四、五至六和七至九四個(gè)學(xué)段，然而學(xué)段銜接，尤其是第三學(xué)段向第四學(xué)段（小學(xué)向中學(xué)）過渡存在不足，有待優(yōu)化。筆者以“銜接”為關(guān)鍵詞對(duì)新課標(biāo)文本進(jìn)行檢索，發(fā)現(xiàn)共出現(xiàn)十處“銜接”，其中四處強(qiáng)調(diào)“幼小銜接”，其余六處泛泛地提到“學(xué)段銜接”，并沒有特別指向中小學(xué)銜接。課標(biāo)意識(shí)到學(xué)段銜接問題，但對(duì)于小學(xué)與初中如何銜接，目前還沒有給予更多的指導(dǎo)。由于小學(xué)和初中在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法存在分野，導(dǎo)致中小學(xué)教師各自為戰(zhàn)。具體表現(xiàn)為：①教學(xué)內(nèi)容前后不統(tǒng)一，同一內(nèi)容多次出現(xiàn)但概念表述不同；②教學(xué)活動(dòng)重復(fù)設(shè)置，甚至前后矛盾；③小學(xué)和初中科學(xué)教師缺乏溝通與協(xié)作，甚至互相埋怨。課標(biāo)要求教師基于學(xué)生的認(rèn)知水平和知識(shí)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)階方案：內(nèi)容應(yīng)當(dāng)由淺入深、由表及里、由易到難，活動(dòng)要從單一到綜合，課程目標(biāo)和內(nèi)容螺旋式上升。教師梳理中小學(xué)科學(xué)教學(xué)內(nèi)容，科學(xué)開展“中小學(xué)銜接性科學(xué)探究活動(dòng)”可以促進(jìn)中小學(xué)科學(xué)教學(xué)的“雙向奔赴”。教師開展科學(xué)探究活動(dòng)，揭示條件對(duì)于物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)和相互作用及能量之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，是引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)概念、培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力的重要內(nèi)容之一。美國《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（NSES）在第六章“科學(xué)內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)”針對(duì)三個(gè)學(xué)段的學(xué)生給出了借助工具開展科研活動(dòng)的指導(dǎo)意見：對(duì)五至八年級(jí)學(xué)生，要讓他們了解科學(xué)家應(yīng)用數(shù)據(jù)采集技術(shù)提高實(shí)驗(yàn)精度并實(shí)現(xiàn)定量分析；對(duì)九至十二年級(jí)學(xué)生，要讓他們看到科學(xué)家依靠技術(shù)優(yōu)化了數(shù)據(jù)的收集和處理。新技術(shù)可以用于收集所需的數(shù)據(jù)，為探究提供證據(jù)，有助于科學(xué)進(jìn)步。教師將“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”引入科學(xué)課堂，有助于提高科學(xué)探究活動(dòng)的有效性。教師借助“數(shù)字化實(shí)驗(yàn)”促進(jìn)中小學(xué)科學(xué)教學(xué)的銜接，能有效彌合中小學(xué)科學(xué)教育教學(xué)斷點(diǎn)。一、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)有利于中小學(xué)科學(xué)探究活動(dòng)的銜接“中小學(xué)銜接性科學(xué)探究活動(dòng)”是基于對(duì)小學(xué)和中學(xué)科學(xué)教材的歸納、匯集得到的多次出現(xiàn)且其間存在有序進(jìn)階關(guān)系的探究活動(dòng)。其中，進(jìn)階關(guān)系最為清晰、邏輯最為順暢的是物理學(xué)科的內(nèi)容?！读x務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出，物理觀念是物理課程核心素養(yǎng)的組成部分，物理觀念主要包括物質(zhì)觀念、運(yùn)動(dòng)和相互作用觀念、能量觀念等要素[2]。由于物理概念具有抽象性，上述要素均屬于學(xué)生的認(rèn)知難點(diǎn)。筆者對(duì)浙江省使用的教科版小學(xué)科學(xué)教材和浙教版中學(xué)科學(xué)教材進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)兩者“物理領(lǐng)域”中存在銜接關(guān)系的相關(guān)單元共有七個(gè)，具有顯著的銜接性、進(jìn)階性的探究活動(dòng)超過30個(gè)。筆者認(rèn)為，充分考慮“物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域”科學(xué)概念的進(jìn)階關(guān)系和銜接作用，在精心設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上有效開展銜接性探究活動(dòng)，使中小學(xué)物理概念保持一致，對(duì)于彌合不同學(xué)段，尤其是小學(xué)和中學(xué)兩個(gè)學(xué)段之間的教學(xué)斷點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)課標(biāo)要求的教學(xué)銜接，具有重要意義。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是借助信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)的產(chǎn)物。數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)貌似大相徑庭，其實(shí)兩者都是面向真實(shí)對(duì)象的實(shí)驗(yàn)。以目前浙江省配備較多的DIS為例（DigitalInformationSystem，即“數(shù)字化信息系統(tǒng)”[3]），該系統(tǒng)由“傳感器+數(shù)據(jù)采集器+實(shí)驗(yàn)軟件包+計(jì)算機(jī)”組成，能夠高速、精準(zhǔn)地采集幾乎所有類型的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并交由專用軟件進(jìn)行分析。教師應(yīng)用DIS能有效克服傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段讀數(shù)緩慢、誤差過大、儀器笨重等弊端，并借助對(duì)微小信號(hào)的放大、暫態(tài)信號(hào)的捕捉和能夠顯示過程的曲線功能，實(shí)現(xiàn)諸多實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視化、直觀化，顯著降低科學(xué)探究活動(dòng)的難度，極大地豐富學(xué)生的科學(xué)體驗(yàn)[4]。學(xué)生使用交互式計(jì)算機(jī)“微型世界”來學(xué)習(xí)力學(xué)中力和運(yùn)動(dòng)的知識(shí)，同時(shí)獲得了動(dòng)手和動(dòng)腦的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)科學(xué)有了深入的理解。與許多十二年級(jí)學(xué)生相比，使用數(shù)字化學(xué)習(xí)工具的六年級(jí)學(xué)生能更好地理解加速度和速度的概念[5]。教師科學(xué)地開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生在小學(xué)就為初中的科學(xué)概念學(xué)習(xí)打基礎(chǔ)，尤其是將抽象的物理概念教學(xué)適當(dāng)前置到小學(xué)階段，使學(xué)生獲得豐富的經(jīng)驗(yàn)。如此，教師可以在小學(xué)階段為初中的科學(xué)教學(xué)鋪平道路。二、數(shù)字化實(shí)驗(yàn)應(yīng)用于中小學(xué)銜接性探究活動(dòng)的實(shí)踐表1所列的七個(gè)探究實(shí)踐活動(dòng)屬于典型的中小學(xué)銜接的科學(xué)探究實(shí)踐活動(dòng)。對(duì)于其中涉及的物質(zhì)科學(xué)等領(lǐng)域的概念，教師開展數(shù)字化實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生在小學(xué)階段獲得經(jīng)驗(yàn)，深化理解。（一）認(rèn)識(shí)酒精燈的火焰學(xué)生在三年級(jí)學(xué)習(xí)“水”單元“水沸騰了”的知識(shí)時(shí)會(huì)接觸酒精燈，其中多數(shù)學(xué)生可能是第一次。教材在此處僅針對(duì)酒精燈給出相關(guān)安全提示，但在教學(xué)中，教師往往會(huì)告知學(xué)生酒精燈火焰的外焰溫度最高，要求用外焰加熱。小學(xué)生會(huì)心生疑問：為什么外焰溫度最高？如果教師此時(shí)給出實(shí)驗(yàn)測量的支架，小學(xué)生就能輕松翻過認(rèn)知陡坡，從而對(duì)酒精燈火焰的特性形成完整的認(rèn)知，構(gòu)建起火焰的三層結(jié)構(gòu)模型。學(xué)生在三年級(jí)系統(tǒng)地學(xué)用酒精燈，在七年級(jí)參與“走進(jìn)科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”活動(dòng)，但教材給出的實(shí)驗(yàn)依然是基于木條炭化程度的間接驗(yàn)證。由于木條炭化程度由木條材質(zhì)、溫度、受熱時(shí)間和氧氣含量等因素共同決定，該實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象往往給學(xué)生增添更多困惑，甚至讓教師陷入尷尬境地。針對(duì)上述問題，筆者使用高溫傳感器開展實(shí)驗(yàn)（如圖1），從焰心開始測量，依次延伸到內(nèi)焰、外焰。根據(jù)數(shù)據(jù)顯示可知：酒精燈火焰不同位置的溫度各不相同，其中溫度最高的是外焰部位。在小學(xué)三年級(jí)開展此實(shí)驗(yàn)后，經(jīng)訪談和測試，筆者發(fā)現(xiàn)結(jié)合酒精燈火焰結(jié)構(gòu)圖，三年級(jí)學(xué)生也可以輕松建立酒精燈火焰溫度分布的物理模型（如圖2），這樣酒精燈火焰溫度分布問題被“一站式”解決。到初中后，只要教師稍加點(diǎn)撥，學(xué)生就會(huì)認(rèn)識(shí)到火焰不同部位之間溫度差異的主要成因在于氧氣的多寡。借助此番點(diǎn)撥，氧氣作為燃燒的條件之一這個(gè)重要概念也就植入了學(xué)生的腦海。（二）物質(zhì)的三態(tài)變化三年級(jí)學(xué)生參與“水”單元的“水沸騰了”“水結(jié)冰了”“冰融化了”等活動(dòng)，初步感知，當(dāng)溫度變化后水的形態(tài)會(huì)發(fā)生變化。五年級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)“熱”單元的“溫度和水的變化”“水的蒸發(fā)和凝結(jié)”時(shí)，教師讓學(xué)生測量水的三態(tài)變化中的溫度變化，得出水結(jié)冰和冰融化時(shí)的臨界溫度。七年級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)“物質(zhì)的特性”單元“熔化與凝固”時(shí)，教師將研究對(duì)象擴(kuò)展到固體物質(zhì)的熔點(diǎn)及其他物質(zhì)形態(tài)變化對(duì)溫度的要求。這三個(gè)活動(dòng)彼此孤立，學(xué)生的認(rèn)知進(jìn)階缺乏手段支撐，影響教學(xué)效果。為此，筆者將溫度傳感器引入探究活動(dòng)中，利用溫度傳感器將上述三個(gè)活動(dòng)有機(jī)統(tǒng)合。在精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持下，對(duì)五年級(jí)探究活動(dòng)和三年級(jí)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行整合，讓小學(xué)生在觀察水的三態(tài)變化的同時(shí)，獲得水三態(tài)變化的支持條件——特定的溫度（如圖3）。教師可將水的冰點(diǎn)和沸點(diǎn)作為研究起點(diǎn)，使學(xué)生進(jìn)入初中（學(xué)習(xí)對(duì)象被擴(kuò)展到其他物質(zhì)）時(shí)能自然地使用溫度傳感器，開展相應(yīng)的自主學(xué)習(xí)和自主探究。如在七年級(jí)探究活動(dòng)中，筆者使用溫度傳感器教學(xué)，讓初中生測量獲取松香、海波和焊錫熔化時(shí)的溫度（如圖4），不僅確保了他們對(duì)科學(xué)概念的認(rèn)知效果，而且促進(jìn)了學(xué)段之間的概念銜接。（三）看不見的磁場二年級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)“磁鐵”單元“磁鐵的兩極”時(shí)，被要求利用回形針來判定磁鐵各個(gè)部分磁力大小。六年級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)“能量”單元“電力和磁力”時(shí)，被要求通過判定電磁鐵吸引大頭針的數(shù)量研究電磁鐵的磁力大小。八年級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)“電與磁”單元“電生磁”時(shí)，被要求基于研究電力和磁力的對(duì)應(yīng)變化來探究電磁鐵磁力變化規(guī)律。教材通過從磁鐵到電磁鐵的逐級(jí)進(jìn)階，完成概念體系的構(gòu)建。但因磁場本身不可見，學(xué)生只能借助回形針、大頭針來進(jìn)行定性觀察，實(shí)驗(yàn)結(jié)果容易出現(xiàn)偏差，概念建構(gòu)遭遇困境。筆者將磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器引入“磁場”相關(guān)的銜接性活動(dòng)中后，指導(dǎo)學(xué)生研究磁鐵不同部位對(duì)回形針、大頭針的吸引現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)傳感器給出的測量數(shù)據(jù)能夠讓小學(xué)生對(duì)磁場形成更為全面的認(rèn)知。有了數(shù)據(jù)支持，二年級(jí)學(xué)生也能針對(duì)磁鐵的性質(zhì)給出符合科學(xué)規(guī)律的解釋。筆者借助磁感應(yīng)強(qiáng)度傳感器顯示的負(fù)值（如圖5），定義磁場的南極（S極）和北極（N極）。結(jié)果學(xué)生對(duì)負(fù)值所代表的磁場方向的理解大大超出了教師的預(yù)期。學(xué)生在小學(xué)階段有了測量磁感應(yīng)強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)與基礎(chǔ)，到了初中階段，能夠更好地理解磁場線的疏密與磁場的關(guān)系。（四）認(rèn)識(shí)力力與磁場相仿，也是不可見的物理現(xiàn)象。測量力的大小是典型的中小學(xué)銜接性探究活動(dòng)，在教材中多次出現(xiàn)。四年級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)“運(yùn)動(dòng)和力”時(shí)，被要求探究“彈簧測力計(jì)”，了解測力計(jì)的使用方法和工作原理。教師為七年級(jí)學(xué)生講授“運(yùn)動(dòng)和力”單元“重力”“牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律”“摩擦力”“水的浮力”，涉及彈簧測力計(jì)的工作原理，并要求學(xué)生利用測力計(jì)測量力的大小、探究力和物體運(yùn)動(dòng)之間的規(guī)律。但因彈簧測力計(jì)的量程和精度有限，且只能測拉力不能測壓力，阻礙了學(xué)生在探究活動(dòng)中對(duì)力現(xiàn)象的直觀感受，限制其認(rèn)知體系內(nèi)有關(guān)力的物理模型的構(gòu)建。教材設(shè)置的進(jìn)階活動(dòng)始終圍繞著彈簧測力計(jì)原地踏步，提升學(xué)生認(rèn)知效果有限。筆者將數(shù)字化實(shí)驗(yàn)嵌入相關(guān)銜接性探究活動(dòng)中，讓四年級(jí)學(xué)生依次使用彈簧測力計(jì)和力傳感器（如圖6），在精確的數(shù)字變化和“力—時(shí)間”曲線的幫助下，探究運(yùn)動(dòng)與摩擦力的關(guān)系。在研究“水的浮力”過程中，筆者利用浮力數(shù)字化實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置（排水法裝置和直觀法裝置），將重物掛在力傳感器之下，依次浸入水中（如圖7），并將浮球借助剛體連接在力傳感器之下，逐步浸入水中，讓學(xué)生認(rèn)識(shí)到浮力的存在，并探究浮力與物體排開水的體積之間的關(guān)系。有了經(jīng)驗(yàn)與知識(shí)儲(chǔ)備，學(xué)生在初中學(xué)習(xí)“牛頓第一運(yùn)動(dòng)定律”時(shí)，具備了借助數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)自主設(shè)計(jì)簡單實(shí)驗(yàn)的思維基礎(chǔ)和能力?？梢姡繉?shí)驗(yàn)手段的適當(dāng)應(yīng)用可成功實(shí)現(xiàn)概念下沉，有效彌合學(xué)段間的教學(xué)斷點(diǎn)，促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理模型的構(gòu)建。（五）學(xué)習(xí)簡單機(jī)械六年級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)“工具與技術(shù)”單元“斜面”和“不簡單的杠桿”時(shí)，被要求利用測力計(jì)測量使用簡單機(jī)械前后物體受力的變化，以驗(yàn)證簡單機(jī)械的效用。九年級(jí)學(xué)生學(xué)習(xí)“能量的轉(zhuǎn)換與守恒”單元“簡單機(jī)械”時(shí)被要求通過測量和計(jì)算，了解機(jī)械運(yùn)作中力和能量的轉(zhuǎn)換情況。筆者使用力傳感器開展與力相關(guān)教學(xué)并積累了一定經(jīng)驗(yàn)之后，將傳感器引入簡單機(jī)械領(lǐng)域，讓六年級(jí)學(xué)生初步接受原本為九年級(jí)學(xué)生設(shè)置的概念，引導(dǎo)他們借助傳感器給出的正負(fù)號(hào)，更好地理解和認(rèn)識(shí)力的方向，降低“簡單機(jī)械”的學(xué)習(xí)難度。（六）熱傳遞學(xué)生在五年級(jí)和七年級(jí)都要學(xué)習(xí)有關(guān)熱的知識(shí)，熱在不同物體中的傳遞方式是學(xué)生認(rèn)知的難點(diǎn)。熱的傳遞相對(duì)抽象，學(xué)生使用溫度計(jì)測量難以發(fā)現(xiàn)熱在傳遞中的溫度變化。教材給出的建議有：手摸感覺溫度變化，利用溫變油墨的顏色變化判斷，比較凡士林的熔融次序等。以金屬熱傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)為例，凡士林所粘的火柴棒會(huì)受到金屬棒加熱速率、凡士林涂抹均勻性和空氣流動(dòng)等因素的影響，導(dǎo)致掉落順序出現(xiàn)偏差，干擾學(xué)生建構(gòu)正確的科學(xué)概念。在小學(xué)的熱傳導(dǎo)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，筆者先讓學(xué)生在溫度傳感器輔助下，構(gòu)建針對(duì)金屬熱傳導(dǎo)的物理模型，區(qū)分不同金屬的導(dǎo)熱屬性，再讓學(xué)生用溫度傳感器測量空氣溫度與體積變化，破除了學(xué)生的認(rèn)知障礙。到了初中，學(xué)生可以更好地理解熱量的概念，測量和計(jì)算熱量的變化。（七）振動(dòng)與發(fā)聲由于缺乏定量測量手段，小學(xué)四年級(jí)“聲音的高與低”單元教學(xué)與七年級(jí)“對(duì)環(huán)境的察覺”單元教學(xué)（“聲音的產(chǎn)生和傳播”和“耳的聽覺”等活動(dòng)）變化不大，難以讓學(xué)生進(jìn)階。為解決上述問題，筆者在小學(xué)引入聲波傳感器和聲強(qiáng)傳感器，強(qiáng)化振動(dòng)發(fā)生的概念；在初中引入聲學(xué)教學(xué)軟件包，幫助學(xué)生厘清“聲的三要素”；進(jìn)而讓學(xué)生借助DIS振動(dòng)與發(fā)聲實(shí)驗(yàn)器了解樂器的振動(dòng)原理和發(fā)聲規(guī)律。筆者依