数字信息系统实验整体设计策略

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科学与技术学科是一门承担着科学启蒙作用的基础型课程，实验是学生认识和探索规律、经历科学探究过程与习得科学探究能力的重要方式。各种信息技术，尤其是数字信息系统(DigitalInformationSystem，以下简称DIS)以其操作简易、记录实时、显现直观、稳定精确等优势，为开展和优化实验教学提供了条件。笔者从单元教学的视角对如何利用DIS融入并支撑探究实验以及优化科学学科实验内容的整体设计策略进行了探究，尝试并应用了“优化实验教学单元主线”“形成实验教学组合单元”“创建实验教学系列专题”三项策略。

一、利用DIS优化实验教学单元主线

（一）教材单元视角下厘清实验教学难点与教学主线的需要。科学学科以生活中的现象和事物为研究对象，小学科学学科的实验教学内容多以定性实验为主，旨在帮助学生初步建立科学概念与定性关系。然而，部分定性实验存在实验现象不明显或数据不稳定、不准确，实验过程不安全，实验操作耗时长等问题，这是实验教学的难点。实验教学难点如果得不到突破，学生将在证据的搜集与处理、结论的得出等方面受阻。从单元教学的角度来看，也容易造成实验教学单元主线不清晰、课时容量分配不均匀等问题。例如，沪科教版教材科学与技术第六册“磁极与指向”单元与第八册“电与磁”单元，对于磁性强弱的比较，传统实验是通过观察磁体吸引多少数量的回形针或在多长距离仍可吸引回形针的方法来比较磁性的强弱。教学中会因学生所采取的各种吸引回形针的方式及一些不严谨的操作，造成实验结果存在差异甚至争议，这就是实验教学的难点。在沪科教版教材科学与技术第六册“磁极与指向”单元有“磁铁的两极”“小磁针的奥秘”“指南针”三课时，分别包括磁铁不同部位的磁性强弱、磁铁的指向、磁极间的相互作用，自制小磁针和去磁，制作指南针、了解指南针的应用等内容。其中“磁铁的两极”一课的活动内容较多，学生探究的时间不足，而小磁针的磁化与指南针的制作在内容上有交叉。第八册“电与磁”单元有“电磁铁”“电磁铁的应用”两课时，包括自制简易电磁铁、探究影响电磁铁磁性强弱的因素、探究电磁铁和普通磁铁有什么不同、了解电磁铁的应用等内容。其中“电磁铁”一课的教学容量较大，学生对于影响电磁铁磁性强弱的因素的探究时间不足。在这两个单元中，单元教学主线不够清晰、课时容量偏大、定性实验结果误差大，为单元教学的实施造成很多困难，教师需要思考如何突破实验教学难点并优化实验教学单元主线。上海市选用的科学与技术教材在课程设置上与其他地区有一定差异，笔者认为都宜从单元视角厘清实验教学难点与教学主线。（二）利用DIS支撑探究实验，优化部分。实验教学单元主线应用DIS的核心部件“传感器”可对物质科学、生命世界相关测量与探究实验进行实时、精确测量——数据结果受外界环境因素的干扰较少，一定程度上避免了系统误差或偶然误差造成的数据偏差。在变定性实验为定量实验的过程中，教师应用DIS直观演示实验过程、精确显示数据并对比结果，可以有效突破实验教学难点，优化实验教学单元主线。例如，“磁极与指向”单元与“电与磁”单元中对于磁性强弱的比较，教师可利用DIS磁感应强度传感器及数据显示模块来测量，将定性实验变成定量实验，实现磁性的强弱以及磁极指向(磁场方向)的精确显示与对比，引导学生观察数据模块上显示的数值并进行对比分析，给予学生更多进行实验设计、数据分析与推断、概念或规律理解的时间。同时，教师也能调整教学思路，优化实验教学单元主线。对“磁极与指向”单元，教师可将“磁铁的两极”分为“磁铁不同部位的磁性强弱”“磁铁的指向性与相互作用”两课时。第一课时，用DIS探究磁铁不同部位磁性的强弱，发现条形磁铁的两端磁性最强。第二课时，探究磁铁的指向性，建立磁极的概念并探究磁极间的相互作用。教师还可将“小磁针的奥秘”与“指南针”的相关内容进行整合，引导学生在了解指南针应用的基础上，将小磁针进行磁化自制简易指南针，在用DIS校验指向性的基础上使用简易指南针辨别方向。对于“电与磁”单元，教师可将原2课时改为3课时。第一课时，自制简易电磁铁并用DIS发现电磁铁具有可控制磁性有无、改变磁极方向的特点。第二课时，在用DIS发现电磁铁磁性强弱不同的现象的基础上，探究影响电磁铁磁性强弱的因素。第三课时，聚焦电磁铁的应用。

二、运用DIS形成实验教学组合单元

（一）重组单元，建立实验教学内容的关联。自2018年上海市教育委员会教学研究室颁布各学科单元教学设计指南以来，以单元的视角进行教学的规划与设计，学校教研组开展深度备课与实践，总结了主要教研做法。学校教研组依据规划思想，对教材中的单元进行了重组。对于主要以实验为手段进行探究并建构概念的部分教学内容，教师分析了实验教学内容并建立关联重整单元，实现单元教学的有序规划。如沪科教版科学与技术教材第六册“常见的力”单元原有4课时，即“弹力与形变”“重力与承重”“脚手架的学问”“生活中的摩擦力”，包括认识弹力，探究弹力与形变的关系，测量力的大小；认识重力，探究重力、接触面积与承重的关系，了解生活中的承重现象；搭接形状，搭支架，寻找三角形结构；认识摩擦力，探究摩擦力与接触面光滑程度的关系，改变摩擦力的大小，了解生活中的摩擦力等内容。这些教学内容涉及按力的性质分类的三种力、压强、三角形稳定结构三方面科学知识。第八册“重心与稳定性”单元原有3课时（“找重心”“物体的稳定性”“不倒翁”），涉及重心、稳度等方面的科学知识，包含找直尺的重心，找铁丝的重心，找长方形纸板的重心；推手游戏，探究影响物体稳定性的因素，提高物体稳定性的应用；探究不倒翁为什么不倒，制作一个不倒翁，制作不倒的玩具等内容。可见，“常见的力”单元涵盖的压强与压力大小、接触面面积大小的关系，以及三角形结构的内容有些突兀，教师可从建立实验教学内容的关联入手，对“常见的力”单元和“重心与稳定性”单元进行重组。（二）运用DIS进行深入探究，形成实验教学组合单元。DIS中的各类传感器可用于测量各种状态量、过程量的测量。DIS的有效运用，可以拓展实验探究的深度，使课堂教学的重心更为聚焦在科学概念的建构上，为实验教学单元衔接与重组奠定基础。以“常见的力”单元和“重心与稳定性”单元为例，鉴于“常见的力”单元中包含压强和三角形结构的内容有些突兀，而三角形结构的内容又与“重心与稳定性”单元有一定的关联，笔者参考《上海市小学科学与技术学科三年级教学基本要求（征求意见稿）》，将“常见的力”单元中“重力与承重”一课中有关“承重”的内容删除，为“常见的力”单元聚焦力而非压强，迈出第一步。在此基础上，笔者借助DIS深入开展实验探究活动，对两个单元进行重组，将第六册“常见的力”单元中“脚手架的学问”一课挪至第八册“重心与稳定性”单元。这样调整的目的是使“常见的力”单元高度聚焦重力、弹力、摩擦力三种力，重点进行DIS传感器研究，便于学生深入探究弹力的大小随物体形变程度的变化，观察连续的、动态的对应变化过程，以及深入探究滑动摩擦力的大小与接触面粗糙程度的关系（探究影响滑动摩擦力大小的影响因素实验装置如图1）。调整后的“重心与稳定性”单元则聚焦物体的稳度，从“重心低、稳度大”，“含有三角形结构的支架稳固程度相对较高”，“支撑面大、质量大，稳度大”三个方面关联教学内容，更好地对应《九年义务教育上海市小学科学与技术学科教学基本要求（试验本）》中有关“物体的承重能力”的相关学习要求[1]。

三、依托DIS创建实验教学系列专题

（一）以模块主题视角整体布局实验教学。上海市小学科学与技术课程涵盖“生命世界”“物质科学”“地球与宇宙”3个模块，“多样的生物”“材料与物质”“地球概貌”等11个一级主题。从课程视角来看，笔者认为对于模块主题的布局与教材实际教学内容的分布，教师还要深入理解与准确把握，对课程的认识需要经历研读文本、明确学习要求以及了解整册教材教学内容的总体设计的过程。以模块主题视角结构化规划并创建专题学习内容，是加强整册教材教学内容布局与内在联系的有效方法。在实验教学方面，笔者的做法是：首先，在研读上海市的有关学科教学基本要求的文件，了解每个主题的学习背景与内容概要的基础上，依据文本中所设置的部分重要学习内容，确定合适的实验教学单元主题；其次，针对实验教学主题，梳理并选取相应模块、一级主题下设的部分学习内容，定为主要的实验教学内容；最后，基于教材自然单元编排，将教学内容进行重组，形成实验教学系列专题。以“材料与物质”主题为例，首先，教师了解学习背景，即“所有物体都是由物质组成的，材料是人类用于制造物品、机器或其他产品的物质”。材料包括生活中常见的木材、塑料、金属、棉、纸张、玻璃、石块、砖等，“材料与物质”主题下的教学内容涉及“材料的性质”“材料的回收和再利用”“物质状态的变化”“新物质的产生”4个方面。在“材料与物质”教学中，“不同材料、物质的性质是不同的”是科学学科的重要学习内容，笔者将“不同材料的性能不同”作为实验教学的主题。接着，梳理《学科教学基本要求》所对应的学习内容与要求，在“能与能的转化”主题中发现“热传导”“热胀冷缩”“导体”是与之相关联的学习内容与要求，将其纳入实验教学内容，确定主要的实验教学内容为“不同材料的导热性能、导电性能、热胀冷缩程度不同”。最后，对应教材自然单元编排的情况，将沪科教版科学与技术教材三年级“简单电路”单元的“导体与绝缘体”“热传递与热胀冷缩”单元的“热传导”与“铁轨会变长吗”等课程中的实验内容进行组合，形成“不同材料的性能不同”主题下的具体实验教学内容。（二）依托DIS进行整体探究，创建实验教学系列专题。笔者分析“材料与物质”主题，对应重要学习内容“不同材料、物质的性质是不同的”，构建“不同材料的性能不同”实验教学主题的过程（见表1），分析涵盖3个模块共11个一级主题的实验教学内容，依托DIS或其他技术装备进行实验内容的结构化规划与设计，创建了模块主题之下关联的实验教学系列专题，从而从整体上优化科学学科部分实验教学内容的设计。笔者对应上述“不同材料的性能不同”主题，依托DIS串起4个探究性实验，对不同材料的导电、导热性能，热胀冷缩现象及热胀冷缩程度的不同进行整体探究。首先，针对研究对象的特点，考虑不同材料性能的现象显现对比较为困难，选定DIS进行实验探究，基于实验教学内容以及能达到控制变量条件选择合适的实验材料，设计对应的实验名称。各实验教学时间均为1课时。接着，依托DIS进行实验内容的结构化设计，对所使用的DIS实验器材、所显示的实验现象、实验现象的背景原理、学生研究的主要问题进行系统思考与设计，明确实验教学的过程与方法，以完善实验教学系列专题的全面规划。

总之，在单元教学的研究与实践中，DIS的应用范畴得到了拓展，不再局限于服务单一课时的实验教学，而是服务于单元教学内容乃至课程教学内容的实验整体设计，对“突破实验教学难点，厘清实验教学单元主线”“建立教学内容关联，形成实验教学重组单元”“完善结构化的规划，创建实验教学系列专题”有积极作用。笔者仅呈现了部分在单元教学的视角下得以优化与整体设计的实验示例，相信在多样化的信息技术逐步融入并支撑学科教学的过程中，一定会有更多实验教学单元整体设计的好做法，使学生的科学探究经历更丰富，科学素养内化手段更多元。

参考文献

[1]上海市教育委员会教学研究室.九年义务教育上海市小学科学与技术学科教学基本要求(试验本)[M].上海：上海科学技术出版社,2018.

作者:刘忆婷: