DIS赋能：高效探究实验教学的实践

教育数字化转型是指利用数字技术和信息化手段全面升级教育教学、管理和服务体系，实现教育资源的智能化、网络化和数字化，以提高教育质量、效率和普及程度。DIS（Digital Information System）利用传感器、配套软件包和计算机等技术，在实验中替代传统数据采集、处理及分析步骤，形成一种新型实验模式。随着信息技术的飞速发展和基础教育课程改革的推进，DIS已经成为改进传统实验的重要手段。在小学科学课程中，结合数字化、信息技术，可以实现科学教学与数字化实验的整合，搭建新型实验教学平台，形成新的实验教学形态。

《斜坡的启示》是五年级“简单机械”单元的第4课，主要从生活经验入手，引导学生发现斜坡可以省力，在此基础上开展探究拉力与斜面坡度大小关系的实验。教材通过对比用弹簧测力计测量竖直提起小车所用的拉力和沿斜面拉小车所用的拉力，让学生发现斜面省力的奥秘，并在此基础上进一步探究拉动小车的力与斜面坡度的大小关系，加深对斜面这一简单机械作用的认识。但在课堂实验过程中暴露出不少问题，如弹簧测力计卡住不动、拉动小车的过程中弹簧测力计始终无法保持稳定、同样的器材在相同操作下有不同的实验数据等，在教学中引入DIS可有效规避这些问题。

一、实验性质由验证向探究转变

课程标准要求，教师根据教学具体情况选择合适的实验器材，满足学生的实验需求，培养他们在探究过程中的实验操作能力和创新能力。DIS具有定量、精准、实时等特点，是改进传统实验模糊取值、步骤繁琐等缺点的重要手段。与此同时，DIS为学生提供了较为理想的探究条件，他们在真实、高效的探究活动中体验，有效提升数据处理、科学推理等能力。

传统实验要求学生利用提供的器材，根据既定实验操作步骤，围绕问题及假设，搜集证据并对其进行验证。这样的课堂限制了学生的思维，抑制了他们对探究活动的积极性与热情。利用弹簧测力计测量沿斜面拉动小车上升的力，需要保证小车在斜面上保持匀速直线运动，而学生无法保证小车稳定的运动状态。

DIS能实现再组装功能，教师可以将摩擦力传感器、小车和数控转轴进行组装，构成便捷的探究斜面省力装置。配备了摩擦力传感器的小车可以实时测量并记录小车在运动过程中受到的摩擦力，小车的数据接口可以与数据采集终端相连，以实时传输数据，其中摩擦力传感器可以实现通过数控转轴匀速拉动小车，有效规避了手动控制的不稳定性。另外，可以搭建一个调节角度的斜面用于模拟不同的坡度，选用箱子作为斜面的支撑，使得小车行进的坡、高度和路程等都可以轻松调换，确保学生在探究过程中可根据各自组的发现与猜想调整器材，展开新一轮探究。教学中，由数字化设备自动控制小车做匀速直线运动，不受斜面长度的影响，学生关注车头位置是否到达标记点并及时按下“始/止”标示即可，规避了他们在实际实验操作时会出现的误差，降低了操作难度，节省了课堂时间。改装前后的实验装置如图1所示。

DIS中，传感器将学生选择合适器材操作后采集到的信息转化为电信号，通过数字采集器将电信号转换成数字信号反馈给配套软件，最终呈现实验结果，提高了课堂探究实效。

二、实验数据由存疑向可靠转变

实验数据包括实验的原始数据和分析数据，学生在探究实验结束后要对原始数据进行处理，进而发现规律。教师要增强学生对实验数据的敏感性，帮助他们在实验探究过程中养成实事求是的科学态度，培养他们的数据意识和实证意识。

在教材的探究实验中，学生需要沿斜面拉动小车上升并时刻关注弹簧测力计示数以记录所需拉力的大小，为避免实验数据的偶然性，他们需要重复至少3次相同的操作，若操作失误只能再次实验以获取足够的数据，课堂时间常被耗费在数据采集这一环节。另外，常有小组因专心操作而忘了记录，或为了完成最终的学习任务伪造或修改实验数据，也有小组存在实验数据收集不完整、有的实验数据误差偏大等现象，这些都直接影响了他们对实验数据的整理与分析。

借助摩擦力传感器、转轴控制器和斜面省力系统软件，可确保数据的客观性和精确性。在实验开始前，学生将小车放置在斜面的起始位置，连接转轴控制器，设定好实验参数，精确控制小车的运动速度和方向，确保实验条件的一致性和可控性。当实验开始后，系统启动小车，使其沿斜面匀速移动。在小车移动的过程中，摩擦力传感器持续记录小车受到的拉力变化，当小车到达终点并完全静止后，软件自动处理整个移动过程中收集到的数据，并计算出不同阶段拉动小车所需拉力的数值以及平均拉力等关键数据，这一过程完全自动化，有效规避因操作不当带来的误差。处理完毕的数据以图表的形式直观地展示在屏幕上，让学生清晰地看到不同条件下的拉力变化趋势，进而更好地理解斜面对物体运动的影响。此外，直观的数据展示也有助于学生快速捕捉到实验的关键点，便于进一步分析。传统的手动记录和计算容易出现错误，而DIS则显著降低了这类风险，使实验数据从收集到处理的整个过程都变得更加便捷和可靠，这样一来，学生能够更加专注于实验本身的意义和科学原理的探索，而不是被琐碎的数据处理所困扰。图2是利用摩擦力传感器采集到的数据。

“信息→电信号→数字信号”的转变，能帮助学生快速、准确采集所需要的数据。后台软件的直接记录杜绝了修改数据、数据缺失的可能性，实验过程中数据的精准、实时记录使得学生更加关注探究实验中数据的分析，获取更精准的实验原始数据，体验更多定量实验的机会，帮助学生树立尊重数据的意识，养成实事求是的科学态度。

三、科学思维由低阶向高阶转变

处理实验数据是培养学生探究实验技能的重要内容。将抽象、繁杂的数据和信息及其对应的关系通过直观的图表形式呈现出来，可以将抽象的问题具体化、复杂的问题简单化，有效帮助学生发现各变量间的联系，搭建科学探究活动中分析论证的“支架”，提升他们的思维能力。

按教材实验，学生在活动过程中进行数据记录，在活动结束后还需要对数据进行进一步的汇总、计算等处理，这就又占用了课堂上有限的时间，在班级数据汇总分享环节，各组数据杂乱，不易观察，不仅如此，计算时的误差也会直接影响结论的得出。

在探究斜面坡度与拉力大小关系的实验中，二者的关系本是一个较为抽象的概念，但DIS自动生成的图表，使学生能够看到不同斜面坡度对应的拉力数值，使抽象的概念变得直观。对于小学生而言，复杂的实验数据处理往往会让他们感到困惑，DIS的自动化数据处理（实时测定并记录）和即时可视化（以图表形式呈现）的功能简化了数据处理，帮助他们更好地理解斜面坡度与拉力大小之间的关系，为后续的科学推理与结论得出提供依据。系统预设的实验条件和自动化的数据分析功能，逐步引导学生进行科学、有序的实验操作，帮助他们建立科学探究的基本框架。由于DIS简化了基础的数据处理工作，学生探究斜面坡度与拉力大小的关系时，就不会仅仅是停留在简单的数据记录层面，而是有更多时间深入分析、专注于观察数据的变化规律，思考并尝试解释这些变化背后的原因，如为什么斜面坡度增大会导致所需拉力增加等。DIS为学生提供了一个能在实践中学习的科学思维训练，帮助他们逐步从记忆、简单理解等低阶的认知技能向分析、评价等高阶的认知技能转变。这种高效的实验流程使得教师可以在有限的课堂时间内安排更多的活动，从而带动课堂的高效推进，促进学生思维的提升。

结语

小学科学课堂中，DIS可使探究实验操作过程不再烦琐，促进学生的探究实验由实验验证向实验探究转变。精准、便捷的数据收集使得实验原始数据的真实性和有效性得到保障，有利于培养学生的实证意识。高效、直观的数据分析简化了实验原始数据，学生将关注点聚焦在分析数据上，借此解构探究实验活动中各部分的内在规律，实现从低阶思维向高阶思维的转变。DIS优化、发展了科学课传统实验教学，为课堂营造了良好的学习环境，为教师提供了大量可操作的直观教学空间，一定意义上解决了传统实验教学存在已久的难题，使小学科学探究实验教学更加高效。

（作者单位：江苏省南京市金陵小学）