【裝備內(nèi)刊】數(shù)字化探究設(shè)備在小學(xué)綜合實踐活動中的科學(xué)應(yīng)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(xué)綜合實踐活動課程指導(dǎo)綱要》指出，綜合實踐活動是從學(xué)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(wù)、制作、體驗等方式，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的跨學(xué)科實踐性課程。學(xué)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(zé)任擔(dān)當(dāng)、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(wù)教育課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)?(2022 年版?)》要求進一步強化課程綜合性和實踐性，設(shè)立跨學(xué)科主題學(xué)習(xí)活動，加強學(xué)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(xué)科學(xué)教育工作的意見》《教育部關(guān)于加強中小學(xué)地方課程和校本課程建設(shè)與管理的意見》相繼發(fā)布，文件聚焦立德樹人根本任務(wù)，要求在加強實踐、激發(fā)學(xué)生科學(xué)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(xué)習(xí)推動義務(wù)教育育人方式改革的指導(dǎo)意見》，要求將項目化學(xué)習(xí)納入學(xué)校課程實施方案。無論是“雙新”實施、科學(xué)教育、校本課程建設(shè)，還是教學(xué)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(xué)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(xué)綜合實踐活動教育裝備的產(chǎn)品和學(xué)習(xí)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(yīng)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(xué)綜合實踐活動課程指導(dǎo)綱要》指出：綜合實踐活動是從學(xué)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(wù)、制作、體驗等方式，培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的跨學(xué)科實踐性課程。綜合實踐活動課程強調(diào)學(xué)生綜合運用各學(xué)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(zé)任感、創(chuàng)新精神和實踐能力，以適應(yīng)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(chǔ)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(yīng)運而生的智能教育設(shè)備正進入教育領(lǐng)域的各個環(huán)節(jié)，它們可以提高教學(xué)效率，促進學(xué)生綜合素質(zhì)的發(fā)展。數(shù)字化探究設(shè)備是以傳感器測量為核心的數(shù)字化科學(xué)探究數(shù)據(jù)收集、分析工具，它憑借與學(xué)科教學(xué)相整合的信息技術(shù)手段，正在被國內(nèi)越來越多的小學(xué)應(yīng)用在教育教學(xué)中，為提高學(xué)生的科學(xué)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(xué)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(shè)備在小學(xué)綜合實踐活動中的應(yīng)用優(yōu)勢，并對如何科學(xué)地應(yīng)用數(shù)字化探究設(shè)備，落實綜合實踐活動的育人目標(biāo)，培養(yǎng)學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力和科學(xué)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(xué)生設(shè)計，共10課時，通過創(chuàng)設(shè)“向聯(lián)合國教科文組織遞交生態(tài)校園的優(yōu)秀設(shè)計方案”的真實情境，引導(dǎo)學(xué)生開展實地探訪、實驗觀察、設(shè)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(xué)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(wù)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(xué)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(chǔ)上，通過模擬搭建雨水花園的凈化系統(tǒng)，引導(dǎo)學(xué)生進一步探究雨水花園中水質(zhì)凈化的奧秘。本活動應(yīng)用的數(shù)字化探究設(shè)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(dǎo)率傳感器、生態(tài)系統(tǒng)罐、雨水花園實驗器等(圖1)。這類設(shè)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(xué)性，激發(fā)學(xué)生探究興趣，培養(yǎng)學(xué)生探究能力、創(chuàng)新精神以及科學(xué)素養(yǎng)提供了良好的技術(shù)保障。圖1 數(shù)字化探究設(shè)備應(yīng)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(wù)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(shè)施。有同學(xué)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(xué)習(xí)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(yīng)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(shè)計思路：通過呈現(xiàn)酸雨對環(huán)境的危害，引導(dǎo)學(xué)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(yīng)實驗設(shè)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(dǎo)學(xué)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(xué)概念(圖2)。圖2 學(xué)生在使用數(shù)顯pH傳感器檢測2. 活動片段二(1)出示任務(wù)，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(xué)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(shè)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(shè)備模擬實驗，通過電腦系統(tǒng)出示的曲線圖，幫助學(xué)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(xué)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(shè)備在小學(xué)綜合實踐活動中應(yīng)用的優(yōu)勢本案例通過真實情境下的任務(wù)驅(qū)動，引導(dǎo)學(xué)生在數(shù)字化探究設(shè)備的輔助下開展實驗探究。在教學(xué)實踐中，筆者發(fā)現(xiàn)在考察探究類的小學(xué)綜合實踐活動中科學(xué)應(yīng)用數(shù)字化探究設(shè)備，對提升學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力和科學(xué)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(xué)生探究欲望好奇心是學(xué)生探究學(xué)習(xí)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(shè)備作為一種新技術(shù)、新事物引入探究活動中滿足了學(xué)生的好奇心，激發(fā)了學(xué)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(xué)生為本、以學(xué)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(xué)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(xué)生對酸堿度形成了初步感知，提升了科學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)生開展探究的重要前提。在應(yīng)用數(shù)字化探究設(shè)備的探究活動中，學(xué)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(xué)態(tài)度數(shù)字化探究設(shè)備采集的數(shù)據(jù)量大、實時性強，還可以自主設(shè)置精度，相對于傳統(tǒng)實驗設(shè)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(xué)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(xué)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(xué)生養(yǎng)成嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度，形成理性思維。(3)快捷直觀，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神小學(xué)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(shè)備進行探究，能快捷、直觀地獲得實驗數(shù)據(jù)和相應(yīng)圖示。數(shù)字化探究設(shè)備為學(xué)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(xué)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(zhǔn)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(shè)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(xué)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?，數(shù)字化探究設(shè)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(xué)生了解實驗結(jié)果與現(xiàn)象的同時，更提升了學(xué)生的數(shù)據(jù)意識和科學(xué)精神。2. 數(shù)字化探究設(shè)備在小學(xué)綜合實踐活動中的科學(xué)應(yīng)用建議目前，將數(shù)字化探究設(shè)備用在中小學(xué)科學(xué)教育領(lǐng)域處于起步階段，在小學(xué)綜合實踐活動中的應(yīng)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(shè)備在小學(xué)綜合實踐活動中的科學(xué)應(yīng)用提出幾點建議。(1)立足學(xué)校實際，有選擇地使用各種數(shù)字化探究設(shè)備在教學(xué)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(xué)需要，那么它在教學(xué)過程中就是多余的。這就要求在小學(xué)綜合實踐活動中應(yīng)用數(shù)字化探究設(shè)備時，要立足學(xué)校實際情況、結(jié)合綜合實踐活動的目標(biāo)，有選擇地使用數(shù)字化探究設(shè)備。教師要與設(shè)備供應(yīng)商進行充分溝通，必要時可以對已有的數(shù)字化探究設(shè)備提出改進或定制的建議。我校四年級學(xué)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(xué)習(xí)，他們已具備使用簡單實驗工具進行實驗的能力?；谶@樣的學(xué)情，結(jié)合“會呼吸的雨水花園”綜合實踐活動目標(biāo)，逐一分析供應(yīng)商提供的清單上所有的數(shù)字化探究設(shè)備的功能和使用方法，＊后選擇了以上這些設(shè)備，來優(yōu)化活動實施，落實活動目標(biāo)。(2)嚴格按照說明，科學(xué)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(dǎo)學(xué)生科學(xué)地操作數(shù)字化探究設(shè)備，以便得到精確的實驗數(shù)據(jù)；還要指導(dǎo)學(xué)生對實驗數(shù)據(jù)進行分析，助力學(xué)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(dǎo)學(xué)生邊觀看實驗演示視頻，邊思考操作中的要點。當(dāng)學(xué)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(xué)生深度思考。在教師的點撥、指導(dǎo)的過程中，學(xué)生不僅知道了如何科學(xué)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(shè)計，優(yōu)化活動過程學(xué)生是探究活動的主人，數(shù)字化探究設(shè)備是探究活動的配角。教師在活動設(shè)計中要不斷反思總結(jié)，調(diào)整、改進活動設(shè)計，充分發(fā)揮數(shù)字化探究設(shè)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(xué)生使用數(shù)字化探究設(shè)備，而要關(guān)注其完整的探究過程，注重培養(yǎng)學(xué)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(xué)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(shè)計活動方案時這樣安排：分別檢測雨水花園和學(xué)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(shè)計和設(shè)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(shè)計階段與供應(yīng)商進行了充分的溝通；在課程實施過程中，教師根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)，不斷總結(jié)經(jīng)驗，優(yōu)化活動設(shè)計，使數(shù)字化探究設(shè)備在小學(xué)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(shè)備的科學(xué)應(yīng)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(shè)備在小學(xué)綜合實踐活動中應(yīng)用的教學(xué)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(shè)備應(yīng)用的教學(xué)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(shè)備是新技術(shù)，多數(shù)教師不太了解，因此學(xué)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(shè)備，體驗其帶來的優(yōu)勢。充分發(fā)揮教師的學(xué)科優(yōu)勢，組建課程建設(shè)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(shè)備與小學(xué)綜合實踐活動的有機結(jié)合，為小學(xué)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(xué)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(shè)備在小學(xué)綜合實踐活動中的科學(xué)應(yīng)用——以“會呼吸的雨水花園”為例關(guān)注公眾號獲取更多信息
