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12|开展传感器实验提高学生数据素养的探索科学专题 具备良好的数据素养是科学家潜质之一。在科学课程的学习中，收集数据是重要的探究环节。数据是分析推理、得出结论的基础，是学生观察、探究并对事物性质作出合理解释的依据。一、开展传感器实验对于发展学生核心素养意义重大科学课程重视对学生统计与分析能力的培养，特别是数据分析能力。教师应指导学生进行有效的数据分析，让他们在探究的过程中观察现象，建构科学概念，形成科学观念。这样才能彰显数据的价值。传感器作为科学实验的新型测量仪器，它是采集实验数据的利器，可用于精准测量温度、浓度、色度、酸碱度等。教师合理利用传感器等数字化装置开展科学实验教学，有利于改进传统实验，让学生凭借可视化的数据，认识科学问题的本质，借此培养学生多视角收集证据解决问题的能力。这是“技术为教学赋能，技术为实验教学服务”的体现。传感器的应用使科学探索变得简便、高效。新技术的应用正在引发教学方式变革，推动教学仪器的更新与升级。科学研究的起点是观察，观察的目的是获得关于现象的数据。数据不仅是现象存在的“证据”，而且是显示其存在的形式。科学的理论或观点都是研究者在掌握充分的事实和数据并对其认真分析后提出的。同时，每个理论或观点都需要人们文|席学荣 开展传感器实验提高学生数据素养的探索信息时代，教师开展传感器实验提高学生数据素养非常必要且具有可行性。与传统实验相比，传感器实验优势明显：数据统计结果更直观，数据搜集更精准，实验的可信度更高，更有利于定量分析。为提高学生数据素养，教师在传感器教学中，以数据的可视化实现学生直观认知，以数据的精准化助力学生定量分析，以数据的功能化指引学生揭示问题本质，以数据的智能化激发学生创新意识，能有效提高学生的数据知识、数据技能、数据思维等数据素养，进而促进学生核心素养发展。关键词：科学教学；传感器；数据素养摘要：用翔实的事实和数据去验证。用事实和数据说话是一种科学思维，也是评判观点或理论是否科学的重要标准。正如科普作家刘光裕所言，现代科学实质是研究记录数据之间的关系，分析数据间的相关性和出现的可能性，进而发现规律。义务教育科学课程标准（2022 年版）（以下简称“新课标”）指出教师应注重培养学生的推理论证能力，即基于证据与逻辑、运用分析与综合、比较与分类，建立证据与解释之间的关系，以及科学探究的能力。数据是科学实验最直接的表现形式，也是学生参与实验的直观证据。要激发青少年的科学家潜质，教师应大力提高学生的数据素养，让学生学会搜集数据、分析数据，从数据中发现问题、发现规律。二、传感器实验在提高学生数据素养中的作用（一）直观呈现数据统计结果 学生借助传感器对实验现象进行定量探究，可以增强探究的科学性，激发创新思维，提高实践与创新能力，弥补传统实验在测量方面的不足：用传感器配合数据采集器和计算机将数据以图形形式显示，实现数据的数字化采集与传输和可视化呈现。传感器的应用使实验从定性转向定量，可增强学生的数据意识。教师利用计算机处理实验数据，在实验的基础上将信息技术与实验教学2024 年第 1 期 中小学数字化教学|13科学专题有机结合，初步实现了数据测量的数字化。例如，对于“电磁铁”的教学，在传统实验条件下探究影响电磁铁磁力的因素，会出现以下问题：一是在相同条件下，每次用磁铁吸的大头针数量不一，记录烦琐；二是用电池作为电源，电流不恒定，电池使用时间越长，电流越小，影响实验数据的准确性；三是电磁铁实验装置不能直观地显示磁力值，数据支持不够。为更有效、直观地探究电磁铁磁力与哪些因素有关，教师借助直读式电磁力实验仪器和磁感应强度传感器开展实验，改进后实验数据更准确、更直观，便于学生探究磁力与什么因素有关。又如，对于“水的浮力沉在水中的物体是否受到浮力”“盐水导电吗盐水浓度低就不能导电吗”“溶液的酸碱性果汁的酸碱性”“水果电池不同水果导电时的电流”等实验，学生都可以借助传统实验器材开展实验，从中体验与感悟。在学生实验的基础上，教师利用传感器演示实验，将“看不见的数据”或无法用传统实验器材收集到的数据，变成可以形象感知的图表，排除学生在学习过程中的疑问和障碍，帮助学生理解科学概念和科学原理，使学生知其然并知其所以然。（二）提高数据采集精准度师生可以借助传感器对数据进行实时采集和检测，减小手工测量可能出现的误差。传感器灵敏度高，可用于检测实验过程中微小量的变化，支持操作者对实验变量进行定量检测。另外，传感器具备“实时实验”的功能，能够实时展示数据的变化，支持数字化测量，采集的数据精准度高。教师将传感器与计算机结合应用于实验，能实现数据显示、分析和智能化处理，使动态受力实时测量、动态位移实时测量、磁感应强度测量等实验的精准度显著提高。例如，在“力与运动”教学中，教师指导学生用数字化手段探究“拉力与小车前进快慢是否有关”，实验效果良好。小车行驶距离较短，而速度较快，实验过程中，学生用秒表测定行驶时间，常常手忙脚乱，收集数据很困难。教师让学生借助传感器测定行驶时间，通过显示屏精准显示小车行驶时间。在传感器的支持下，学生收集数据从容不迫，理解与建构概念也就水到渠成。（三）增强实验可信度教师借助传感器和计算机，将不可见的实验变化过程通过信号转化，变成可视化的曲线图，有利于学生对实验过程进行监控，给学生以直观的印象，同时有利于增强实验的可信度，弥补常规测量的不足1。例如，教师用常规方法开展“人呼吸的气体变化”实验，即借助澄清石灰水进行对比，间接证明人体呼出的二氧化碳气体增多，如此实验学生难以理解。如果教师引入气体检测传感器开展实验，学生能清晰观察氧气和二氧化碳量的变化，这样实验的可信度得以提高。（四）发挥“量”变功能传感器定时记录数据是保障信息有效的关键。在传感器的支持下，教师可将实验过程中相关量的变化情况以曲线形式呈现，结合宏观变化与微观本质，让学生参与推理、论证等高阶思维活动，深入理解科学概念。例如，教师借助传感器开展液体热胀冷缩实验，将定性实验变成定量实验，让学生精准观测温度变化量、体积变化量，深入理解物体体积会随温度升降而变化。又如，在探究“不同温度的物体相互接触”的过程中，学生需要同时观察、测量、记录冷水浸入热水中后二者的温度变化情况。教师开展该实验旨在让学生建构科学的认知，即热量可以从一个物体转移到另一个物体，两个系统在发生传热的条件下趋于热平衡。其实，获取证据环节，重点不在于温度计的正确使用和如何读数，而在于获取有效数据，根据数据制作折线图，分析、比较、概括得出探究实验的结论。也就是说，学生要学会运用探究实验的证据进行信息加工，科学地表述变化规律。教师借助温度传感器开展实验，能实时精确测量冷热水的温度变化，并将温度变化曲线图呈现在学生面前，直观演示热交换过程中冷热水温度的变化情况。14|开展传感器实验提高学生数据素养的探索科学专题三、应用传感器教学促进学生数据素养提高的路径与方法（一）利用可视化工具呈现实验过程，助力学生直观认知在使用传感器开展科学实验时，教师应让学生深入了解实验原理、方法和过程，实时采集实验过程中的数据，实时监测和观察数据的变化情况，可利用数据可视化工具将观察到的实验现象、数据变化，以图表或曲线的形式展示，帮助学生直观地了解数据变化规律和趋势。例如，在“不同的声音”实验中，教师要求学生用身边的材料制造音调不同的声音。对于该实验，传统方法是用耳朵听，“相同长短粗细的材料，长的音调低，短的音调高；相同长短的材料，粗的音调低，细的音调高”。这种方法存在缺点：用耳朵听带有强烈的主观性，区分度不明显，不易判断。教师借助传感器开展实验可弥补上述不足：先让学生明确实验原理、方法和过程，再开展声音的高低实验。教师将实验过程以数值和图像呈现，让学生先用耳朵听，再看数据和图像变化，提升学生的感性与理性认知能力。小学生容易混淆“声音的大小”和“声音的高低”这两个概念。他们在学习这两个概念前，往往认为声音越大，音调越高。对于“声音”的教学，如何让学生了解清楚并进一步区分“声音的大小”和“声音的高低”概念是教学的难点和重点。教师借助声音传感器教学可解决上述问题。教师指导学生实验时，让学生初步理解声音传感器的基本原理和实验方法，监测声音衰减过程，在计算机上观察图样变化过程，将看不见的声音变成直观化的“看得见的声音”。（二）精准采集实验数据，指导学生定量分析教师借助传感器采集科学实验数据时，要尽可能消除人为因素干扰，使用前要对传感器进行精准设置和校准，减小误差，保证实验数据的稳定性和可靠性。为做到数据采集的精准化，在实验教学中，教师要指导学生提前知晓传感器的基本原理，了解传感器的测量范围，掌握正确的操作方法，以及合理放置和调整传感器参数。在探究“怎样得到更多的光和热”时，学生需要测试不同颜色材料的吸热能力，但所选择的材料之间吸热能力差异较小（如白色材料和粉色材料），如果用传统的温度计测量，数据变化不大，甚至没有变化，这会给学生造成困惑，教师也比较尴尬。运用温度传感器测量，上述问题便迎刃而解：教师先让学生了解温度传感器的原理、使用方法、测量范围、操作步骤，再指导学生使用温度传感器测量不同颜色材料的吸热能力，让学生观察温度变化过程，快速准确获取实验数据。传感器测量精准度很高，哪怕变化细微，也能快速准确地呈现。学生根据传感器生成的数据（曲线、刻度等），分析、归纳、总结得出实验结论，高效完成实验任务。传感器测量精确度较高，其呈现效果与人的感官感受的效果不可同日而语，用传感器检验实验成效可以减少感官带来的误判。对于定量实验而言，精准采集实验数据至关重要，教师要在课前解决传感器放置位置、时间等问题，在实验中对学生进行指导。例如，学生设计保温装置时，利用温度传感器进行精准测量是实验成功的关键。教师让学生将温度传感器置于保温装置中间放置 10 分钟，指导他们观察、分析仪器显示的温度变化值和曲线变化情况，将数据图表生成为实验报告。学生检验保温装置的功能，获取数据为进一步改进装置提供证据。精准检测也为教师评价学生作品提供了可靠的过程性资料和证据，改变了传统实验靠手感觉的窘境2。（三）促进实验分析数据的功能化，指引学生揭示问题本质传感器可以帮助学生采集大量的数据。学生将采集的数据进行分析和处理，才能发现数据中蕴含的信息和规律。如何帮助学生分析和利用数据？教师在使用传感器时，要指导学生掌握数据分析方法，如数据可视化、数据统计和数据挖掘2024 年第 1 期 中小学数字化教学|15科学专题等基本的数据处理方法和高级的数据处理技术，引导他们分析数据，发现数据背后的规律和趋势，探究成因和影响因素。例如，教师教学“热空气和冷空气”时，让学生“感觉热空气在哪里”，由于各人感受不同，学生对于火焰下方是否有热空气持不同观点。为了有效探究上述问题，教师将蜡烛置于一个上、中、下都带有温度传感器的支架中央，点燃蜡烛后每分钟采集一次火焰上、中、下方的温度数据，指导学生对实验数据进行分析，理解为何热空气主要集中在火焰的周围和上方。火焰的下方有没有热空气呢？学生对实验数据精准分析，体验到火焰的下方也存在一定的热空气，但数量极少。如此实验便解答了“火焰下方是否有热空气”的疑问，体现了数据的“功能性”。又如，在“摆”的教学过程中，教师采用红外光电传感器计量摆动次数，引导学生整理数据、分析数据，从数据中发现摆动规律。（四）发挥智能化处理数据的优势，激发学生创新智慧随着技术的发展，传感器越来越智能化和自动化。学生使用智能化的传感器和相关的软件，可以高效地处理和分析数据。此外，教师可以指导学生利用云计算等技术，将数据上传至云端，并通过互联网实现数据共享和协同处理，进一步提高数据的可利用价值和效率。在科学实验教学中，教师指导学生初步了解人工智能和机器学习等技术，使之具备使用相应工具对数据进行分析和处理的能力，这样就能更好地发掘数据中的信息和知识，提高数据应用的效率和准确性，真正实现智能化处理数据。例如，“新型农场”单元看似仅涉及技术与工程，实则跨学科，融合生命科学、信息科技、力学等为一体。教学时，教师指导学生将各类型传感器设计应用到农场经营中，建造立体农场，实现“精准农业”和“智慧生活”。这种智能化体现在：能精准完整记录植物的生长过程，种植过程可智能管理等；温度、土质、水分、养分等数据精准且可视。在智能化数据处理技术的加持下，学生设计“新型农场”变成一场关于选择和决策的数学游戏，可以有更多的精力用在创新上。四、在科学教学中普及传感器实验未来可期数字化时代，信息技术日新月异，学生信息技术应用能力不断提高。图形化编程和模块化设计是数字化信息系统（DIS）的优势，其应用降低了 DIS 传感器编程难度，如 Mixly 图形编程使Arduino UNO R3主板不再局限于C+编程。小学生使用传感器参与科学学习活动（特别是数字化实验）越来越方便。小学科学教学中，传感器将被广泛应用于相关实验。教师借助传感器开展科学实验，提高学生数据素养大有可为。开展跨学科学习活动，让学生将知识学习与生活实践联系起来解决问题，提高其综合素质是时代要求。传感器可用于多学科的实验教学。在今后的教学中，笔者将继续探索如何借助传感器优化实验教学，拓宽应用面，让学生更好地探索科学规律，提高效率，发展核心素养。1刘东波,贺秉军.生物传感器在植物光合作用实验教学中的应用J.内蒙古师范大学学报（教育科学版）,2017(5):159-161.2孙梅芳.传感器技术在小学科学实验教学中的应用 J.小学科学(教师版),2015(11):35.参考文献（作者系云南省教育科学研究院科学教育教研员、特级教师，教育部基础教育指导委员会科学教育专业委员会委员）责任编辑：祝元志