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【裝備內(nèi)刊】數(shù)字化探究設備在小學綜合實踐活動中的科學應用——以“會呼吸的雨水花園”為例

編者按：2017 年，教育部頒發(fā)的《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》指出，綜合實踐活動是從學生的真實生活和發(fā)展需要出發(fā)，從生活情境中發(fā)現(xiàn)問題，轉(zhuǎn)化為活動主題，通過探究、服務、制作、體驗等方式，培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)的跨學科實踐性課程。學生能從個體生活、社會生活及與大自然的接觸中獲得豐富的實踐經(jīng)驗，形成并逐步提升對自然、社會和自我之內(nèi)在聯(lián)系的整體認識，具有價值體認、責任擔當、問題解決、創(chuàng)意物化等方面的意識和能力。2022 年頒發(fā)《義務教育課程方案和課程標準?(2022 年版?)》要求進一步強化課程綜合性和實踐性，設立跨學科主題學習活動，加強學科間相互關(guān)聯(lián)，帶動課程綜合化實施，強化實踐性。2023 年，《關(guān)于加強新時代中小學科學教育工作的意見》《教育部關(guān)于加強中小學地方課程和校本課程建設與管理的意見》相繼發(fā)布，文件聚焦立德樹人根本任務，要求在加強實踐、激發(fā)學生科學興趣，盤活各方教育資源，推動校內(nèi)校外整合等方面著力，指出校本課程開發(fā)要強化綜合性、實踐性和選擇性。上海市教育委員會發(fā)布的《上海市教育委員會關(guān)于實施項目化學習推動義務教育育人方式改革的指導意見》，要求將項目化學習納入學校課程實施方案。無論是“雙新”實施、科學教育、校本課程建設，還是教學新樣態(tài)，都與綜合實踐活動有關(guān)聯(lián)，都可以同向而行，有機銜接。綜合實踐活動在教育教學中實施進入了新時期，受到更廣泛的關(guān)注。本期刊發(fā)八篇文章，從不同角度探尋中小學綜合實踐活動教育裝備的產(chǎn)品和學習內(nèi)容研究特定教育裝備與綜合實踐活動之間的適配性，探究其可能的應用樣式，進一步助力綜合實踐活動的實施。2017年教育部印發(fā)的《中小學綜合實踐活動課程指導綱要》指出：綜合實踐活動是從學生的真實生活和發(fā)展需要出發(fā)，從生活情境中發(fā)現(xiàn)問題，轉(zhuǎn)化為活動主題，通過探究、服務、制作、體驗等方式，培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)的跨學科實踐性課程。綜合實踐活動課程強調(diào)學生綜合運用各學科知識，認識、分析和解決現(xiàn)實問題，著力發(fā)展核心素養(yǎng)，特別是社會責任感、創(chuàng)新精神和實踐能力，以適應社會生活和個人自主發(fā)展的需要。以數(shù)字技術(shù)為基礎的智能革命，促進了社會生活進入全面數(shù)字化時代。由此應運而生的智能教育設備正進入教育領(lǐng)域的各個環(huán)節(jié)，它們可以提高教學效率，促進學生綜合素質(zhì)的發(fā)展。數(shù)字化探究設備是以傳感器測量為核心的數(shù)字化科學探究數(shù)據(jù)收集、分析工具，它憑借與學科教學相整合的信息技術(shù)手段，正在被國內(nèi)越來越多的小學應用在教育教學中，為提高學生的科學素養(yǎng)提供了優(yōu)質(zhì)、有效的實驗手段。本文結(jié)合上海市平?jīng)雎返谌W的“會呼吸的雨水花園”綜合實踐活動案例，分析探討數(shù)字化探究設備在小學綜合實踐活動中的應用優(yōu)勢，并對如何科學地應用數(shù)字化探究設備，落實綜合實踐活動的育人目標，培養(yǎng)學生的實踐創(chuàng)新能力和科學素養(yǎng)，提出幾點建議。一、案例背景“會呼吸的雨水花園”綜合實踐活動是我?！盀I江DREAMS課程”的內(nèi)容，為四年級學生設計，共10課時，通過創(chuàng)設“向聯(lián)合國教科文組織遞交生態(tài)校園的優(yōu)秀設計方案”的真實情境，引導學生開展實地探訪、實驗觀察、設備探測與數(shù)據(jù)分析等活動，理解雨水花園的原理與意義，提升實踐創(chuàng)新能力和科學素養(yǎng)，增強保護生態(tài)環(huán)境的意識。本活動由兩個子任務構(gòu)成：即“探秘雨水花園對周圍環(huán)境的影響”和“搭建簡易雨水花園凈化系統(tǒng)”。首先學生在教師的帶領(lǐng)下實地探訪雨水花園，能闡釋雨水花園的功能以及其對周圍環(huán)境的影響。在此基礎上，通過模擬搭建雨水花園的凈化系統(tǒng)，引導學生進一步探究雨水花園中水質(zhì)凈化的奧秘。本活動應用的數(shù)字化探究設備有：數(shù)顯pH傳感器、數(shù)顯濕度傳感器、數(shù)顯溫度傳感器、數(shù)顯電導率傳感器、生態(tài)系統(tǒng)罐、雨水花園實驗器等(圖1)。這類設備以操作簡單、實驗數(shù)據(jù)精確、效率高等優(yōu)勢，為提升探究實驗的科學性，激發(fā)學生探究興趣，培養(yǎng)學生探究能力、創(chuàng)新精神以及科學素養(yǎng)提供了良好的技術(shù)保障。圖1 數(shù)字化探究設備應用結(jié)構(gòu)圖裝備展示：二、案例描述1. 活動片段一(1)激趣引入，發(fā)布任務師：上節(jié)課，我們探訪了楊浦濱江的雨水花園，知道了雨水花園通過植物、沙土的綜合作用使雨水得到凈化，并使之逐漸滲入土壤，涵養(yǎng)地下水，是一種生態(tài)可持續(xù)的雨洪控制與雨水利用設施。有同學問：雨水到底干不干凈呢？我們一起來看幾張圖片。(出示酸雨危害人類生存環(huán)境的圖片)從圖中你們發(fā)現(xiàn)了什么？生1：酸雨破壞了湖泊和森林，對我們危害很大。生2：酸雨腐蝕了文物古跡，還破壞農(nóng)作物。師：是的，“下雨”這一自然現(xiàn)象我們都很熟悉，但是你們聽說過“酸雨”嗎？曾經(jīng)在我國檢測出雨水的pH平均為4.6，＊低為3.0，這就是“酸雨”。今天，我們就通過實驗對雨水及生活中常見用水進行pH檢測，探一探其中的奧秘。(2)學習原理，提煉要點師：來看看實驗需要用到的器材和實驗內(nèi)容。實驗器材：數(shù)顯pH傳感器、試管、燒杯、雨水、自來水、可樂、蘇打水。實驗內(nèi)容：在試管中分別倒入雨水、自來水、可樂、蘇打水，將pH傳感器探頭分別插入對應試管，測量pH，并做記錄。師：觀看實驗演示視頻，思考：實驗中要注意哪幾點？生1：每次測試好一種液體，都要將探頭用蒸餾水清洗，再擦干凈探頭。師：你看得很仔細，大家知道為什么要這么做嗎？生2：如果不洗干凈探頭的話，就會有前面檢測的物質(zhì)殘留，會影響后面的檢測效果。師：你說得很有道理。在操作中要注意：每次檢測后都要清洗探頭，再用吸水紙擦干水。設計思路：通過呈現(xiàn)酸雨對環(huán)境的危害，引導學生感性地認識到雨水pH測定的必要性，激發(fā)探究興趣。實驗中利用數(shù)顯pH傳感器與相應實驗設備對雨水及一些生活中常見用水的酸堿度進行簡單檢測，獲得直觀的實驗數(shù)據(jù)，進行分析，得出結(jié)論，并指導學生根據(jù)實驗結(jié)論對這些常見用水進行歸納分類，初步感知pH的科學概念(圖2)。圖2 學生在使用數(shù)顯pH傳感器檢測2. 活動片段二(1)出示任務，明確要求師：上節(jié)課，我們知道了雨水花園還有一個很重要的作用，就是通過其植物的蒸騰作用可以調(diào)節(jié)環(huán)境中空氣的濕度與溫度，改善小氣候環(huán)境。今天，我們將通過一個模擬實驗，探究雨水花園中的植物是如何對周圍環(huán)境產(chǎn)生影響的。(出示實驗器材和實驗內(nèi)容)實驗器材：生態(tài)系統(tǒng)罐、綠葉、臺燈、數(shù)顯溫度傳感器、數(shù)顯濕度傳感器、采集器、數(shù)據(jù)連接線、計算機。實驗內(nèi)容：將綠葉放入密封的生態(tài)系統(tǒng)罐中，打開臺燈模擬自然光照，依次連接數(shù)顯濕度傳感器、數(shù)顯溫度傳感器、采集器和計算機。打開數(shù)據(jù)收集軟件，自動檢測并采集數(shù)據(jù)，檢測結(jié)束后，軟件自動生成濕度和溫度變化曲線。(2)演示實驗，激發(fā)思考師：我們來看實驗演示視頻，思考：模擬實驗的作用是什么？操作中要注意哪些要點？(播放實驗演示視頻)生1：我們上次參觀雨水花園，感覺走進去就很舒服，空氣很新鮮。模擬實驗讓我們把植物對濕度和溫度的改變看得更加清楚了。生2：模擬實驗把雨水花園搬到了一個密封的罐子里，讓濕度和溫度變化更加明顯。師：大家同意他們的觀點嗎？(學生紛紛點頭)雨水花園中有許多水生和陸生植物，他們通過光合作用和蒸騰作用，向空氣中補充氧氣和水分，這也是為什么我們會感覺空氣清新的原因之一。模擬實驗為我們模擬了一個真實的雨水花園微環(huán)境，配合使用數(shù)字化傳感器，讓實驗效果更明顯、更快速地呈現(xiàn)在我們眼前。設計思路：采用生態(tài)系統(tǒng)罐模擬雨水花園環(huán)境，利用臺燈照射模擬出植物在太陽光下進行光合作用與蒸騰作用的環(huán)境。利用數(shù)字化探究設備模擬實驗，通過電腦系統(tǒng)出示的曲線圖，幫助學生方便、直觀地了解植物光合作用和蒸騰作用的結(jié)果與現(xiàn)象，理解雨水花園中植物對環(huán)境的影響(圖3)。圖3 學生在使用生態(tài)系統(tǒng)罐做模擬實驗三、案例分析1. 數(shù)字化探究設備在小學綜合實踐活動中應用的優(yōu)勢本案例通過真實情境下的任務驅(qū)動，引導學生在數(shù)字化探究設備的輔助下開展實驗探究。在教學實踐中，筆者發(fā)現(xiàn)在考察探究類的小學綜合實踐活動中科學應用數(shù)字化探究設備，對提升學生的實踐創(chuàng)新能力和科學精神有許多幫助，其優(yōu)勢總結(jié)如下。(1)形式新穎，激發(fā)學生探究欲望好奇心是學生探究學習的動力，是探求新事物、發(fā)現(xiàn)新問題的源泉。數(shù)字化探究設備作為一種新技術(shù)、新事物引入探究活動中滿足了學生的好奇心，激發(fā)了學生的探究興趣和欲望，提升了探究的主動性，也體現(xiàn)了現(xiàn)代教育以學生為本、以學生為主體的教育理念。以上案例中，筆者向?qū)W生介紹數(shù)顯pH傳感器時，學生對這種新型的檢測工具表現(xiàn)出了極大興趣，躍躍欲試地想趕快進行實驗。在檢測過程中，他們非常耐心細致，操作員每測好一次就沖洗探頭并吸干水分；記錄員記下每次測得數(shù)據(jù)；分析員整理實驗數(shù)據(jù)，進行酸堿度分類。在全情投入中，學生對酸堿度形成了初步感知，提升了科學觀察、比較歸納的核心素養(yǎng)，增強了保護生態(tài)環(huán)境的意識。緊接著，學生紛紛提出了想進一步探究的問題：有的想探究pH與溫度有沒有關(guān)系；有的想探究如何改變物質(zhì)的pH；還有的想探究哪種pH的水對人體健康＊有益……課堂的時空是有限的，但是學生對真實生活的探究并不因為下課鈴聲的響起而戛然而止。保持著對身邊世界的探究興趣，是學生開展探究的重要前提。在應用數(shù)字化探究設備的探究活動中，學生細心觀察并從實驗現(xiàn)象或過程中捕捉新生成的問題，他們的創(chuàng)新思維和解決問題的能力均得到了提升。(2)精確度高，養(yǎng)成嚴謹?shù)目茖W態(tài)度數(shù)字化探究設備采集的數(shù)據(jù)量大、實時性強，還可以自主設置精度，相對于傳統(tǒng)實驗設備能減少實驗誤差，增強了探究實驗的嚴謹性，提升了實驗結(jié)果的精確性。傳統(tǒng)實驗常用指示劑顏色的變化或pH試紙的變色與比色卡對照來觀察酸堿度，人為主觀因素會對觀察結(jié)果產(chǎn)生干擾，但用數(shù)顯pH傳感器就能精確地測出溶液的pH。本活動中，學生通過比較數(shù)顯pH傳感器上顯示的數(shù)值，可以清楚地知道可樂的pH小于6.0呈酸性、蘇打水的pH大于7.0呈堿性、自來水呈中性、而老師提供的雨水樣本呈弱酸性。這一過程使學生將粗略的感性認識轉(zhuǎn)化為確切的數(shù)值概念，進而得出實驗結(jié)論，有利于學生養(yǎng)成嚴謹?shù)目茖W態(tài)度，形成理性思維。(3)快捷直觀，培養(yǎng)學生的科學精神小學生主要依賴形象思維來理解事物，他們借助數(shù)字化探究設備進行探究，能快捷、直觀地獲得實驗數(shù)據(jù)和相應圖示。數(shù)字化探究設備為學生更好地理解觀察到的現(xiàn)象提供了重要的技術(shù)支持。傳統(tǒng)教學中，探究植物光合作用通常會以水草為材料，觀察氣泡冒出的數(shù)量，以此來判斷光合作用的強度，但這樣的實驗結(jié)果很不準確。本案例中，使用生態(tài)系統(tǒng)罐模擬雨水花園生態(tài)環(huán)境，利用數(shù)字化探究設備快捷地獲取實驗結(jié)果，再通過電腦系統(tǒng)顯示濕度和溫度變化的曲線圖，能助力學生直觀地理解植物光合作用與蒸騰作用，取得了較好的效果?？梢姡瑪?shù)字化探究設備快速、高效地用直觀的圖表和精確的數(shù)據(jù)呈現(xiàn)實驗結(jié)果，大大提高了課堂中探究活動的效率和效果，將原本對實驗結(jié)果的主觀、感性分析轉(zhuǎn)化為客觀、理性的認識，在幫助學生了解實驗結(jié)果與現(xiàn)象的同時，更提升了學生的數(shù)據(jù)意識和科學精神。2. 數(shù)字化探究設備在小學綜合實踐活動中的科學應用建議目前，將數(shù)字化探究設備用在中小學科學教育領(lǐng)域處于起步階段，在小學綜合實踐活動中的應用案例還不多見。筆者根據(jù)以上案例中總結(jié)的經(jīng)驗，對數(shù)字化探究設備在小學綜合實踐活動中的科學應用提出幾點建議。(1)立足學校實際，有選擇地使用各種數(shù)字化探究設備在教學中所表現(xiàn)出的功能有所不同，不管其性能如何，如果不符合教學需要，那么它在教學過程中就是多余的。這就要求在小學綜合實踐活動中應用數(shù)字化探究設備時，要立足學校實際情況、結(jié)合綜合實踐活動的目標，有選擇地使用數(shù)字化探究設備。教師要與設備供應商進行充分溝通，必要時可以對已有的數(shù)字化探究設備提出改進或定制的建議。我校四年級學生已有“數(shù)字云課堂”“三個助手平臺”“陽光體育系統(tǒng)”的使用經(jīng)歷，通過科技課的學習，他們已具備使用簡單實驗工具進行實驗的能力。基于這樣的學情，結(jié)合“會呼吸的雨水花園”綜合實踐活動目標，逐一分析供應商提供的清單上所有的數(shù)字化探究設備的功能和使用方法，＊后選擇了以上這些設備，來優(yōu)化活動實施，落實活動目標。(2)嚴格按照說明，科學地操作在綜合實踐活動實施過程中，教師要通過圖文結(jié)合、視頻演示或現(xiàn)場示范等方式，指導學生科學地操作數(shù)字化探究設備，以便得到精確的實驗數(shù)據(jù)；還要指導學生對實驗數(shù)據(jù)進行分析，助力學生形成理性思維、批判質(zhì)疑和勇于探究的精神。在本案例中，教師引導學生邊觀看實驗演示視頻，邊思考操作中的要點。當學生關(guān)注到了操作要點之后，教師進一步追問：為什么要這么操作？激發(fā)學生深度思考。在教師的點撥、指導的過程中，學生不僅知道了如何科學地使用數(shù)顯pH傳感器，他們的理性思維更是得到了激活。(3)做好活動設計，優(yōu)化活動過程學生是探究活動的主人，數(shù)字化探究設備是探究活動的配角。教師在活動設計中要不斷反思總結(jié)，調(diào)整、改進活動設計，充分發(fā)揮數(shù)字化探究設備的優(yōu)勢，優(yōu)化活動的實施過程。教師要避免單純教授學生使用數(shù)字化探究設備，而要關(guān)注其完整的探究過程，注重培養(yǎng)學生選擇合適的工具來解決問題的能力，以及收集、處理、分析數(shù)據(jù)的能力，從而逐步形成理性思維、批判質(zhì)疑和勇于探究的精神。本案例中，為了幫助學生理解“雨水花園對周圍環(huán)境的影響”這一概念，教師在第一次設計活動方案時這樣安排：分別檢測雨水花園和學校操場的溫度和濕度，通過對兩地數(shù)據(jù)對比得到兩地環(huán)境的差異，初步歸納雨水花園對環(huán)境的影響。但是，經(jīng)過實地走訪和測試，結(jié)果顯示兩地的差異并不顯著，并由多方面原因造成。于是，教師將活動方案進行了調(diào)整。在整個綜合實踐活動的設計和設備的選擇上，也不是一蹴而就的，而是一個不斷“實踐—反思—改進”的過程。教師在活動的設計階段與供應商進行了充分的溝通；在課程實施過程中，教師根據(jù)學生的表現(xiàn)，不斷總結(jié)經(jīng)驗，優(yōu)化活動設計，使數(shù)字化探究設備在小學綜合實踐活動中的功能＊大化，這個過程也體現(xiàn)了綜合實踐活動課程的開放性、生成性的特點。四、結(jié)語反思整個“會呼吸的雨水花園”綜合實踐活動的過程，在數(shù)字化探究設備的科學應用方面，尚有許多不足，需要在今后的研究中改進。第一，建立有效的評價機制。如何評價數(shù)字化探究設備在小學綜合實踐活動中應用的教學效果值得教師不斷思考。建立起一套完善的、有效的基于數(shù)字化探究設備應用的教學評價體系，對于綜合實踐活動課程的順利實施將起到有力的推動作用。第二，加強相關(guān)教師的培養(yǎng)。由于數(shù)字化探究設備是新技術(shù)，多數(shù)教師不太了解，因此學校要加強相關(guān)教師的培養(yǎng)，讓更多的教師了解和使用數(shù)字化探究設備，體驗其帶來的優(yōu)勢。充分發(fā)揮教師的學科優(yōu)勢，組建課程建設共同體，共同有效地推進活動的實施，以此促進數(shù)字化探究設備與小學綜合實踐活動的有機結(jié)合，為小學綜合實踐活動優(yōu)質(zhì)、高效地開展注入鮮活的生命力。?? 轉(zhuǎn)載自《上海教育技術(shù)裝備》? 作者：? 施玉豪——上海市平?jīng)雎返谌W一級教師? 曹楚斌——上海市教育委員會教育技術(shù)裝備中心原文鏈接：【裝備內(nèi)刊】數(shù)字化探究設備在小學綜合實踐活動中的科學應用——以“會呼吸的雨水花園”為例關(guān)注公眾號獲取更多信息

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