小学数字化科学探究实验室解决方案

我国的基础教育课程改革的启动以2001年颁布《基础教育课程改革纲要（试行）》为标志，本次小学科学学科课程改革具有以下的显著特点：

充分强调了小学科学学科的重要性，强调小学科学是一门以培养学生科学素质为宗旨的义务教育阶段的核心课程。

强调科学“探究”实验在小学科学教育中的重要性。如在2001年版的中国《小学科学课程标准》中，“探究”一词出现了137次。在新课标中，强调科学学科是实验学科，强调科学实验、尤其是探究实验的重要性，体现了“做中学科学”的特点。

充分体现科学学习要与生活相结合。在新的课程标准中，列举的科学现象、案例与学生日常生活紧密相关。

小学科学学科的推出，使小学科学实验室成为小学必配的教学基础设施。但从目前全国的情况来看，绝大部分小学的科学实验室，要不参照初中生化实验室的配备方式，要不参照劳技室、科技活动室等配备方式，实验室配备后实际使用率极低，很多中心城市的中心小学，科学实验室都存在一年用不了几次的现象。终其原因，实验室的设计者与实施者缺乏对小学科学教材、教学需求、探究实验的真正理解。

科学注重实证，强调逻辑。调查、观察、实验等是科学课的主要学习方法。“听，会忘记”；“看，能记住”；“做，能理解”，已成为国际小学科学教育的共识。

国内知名的小学科学教育专家郝京华老师在其文章《各国小学科学课程内容标准的比较》中提到：“探究的科学是科学教育的根本，是***终组织和选取学生活动的支配原则。探究方面的标准强调的是进行探究的能力，以及要加深对科学探究的理解。各个年级的所有学生在每一个科学领域都应该有机会进行科学的探究，并发展探究性思维和探究性行动的能力。这些包括：提出问题，计划并执行调查，利用合适的工具和技术收集数据，对证据和解释之间的关系进行批判性和逻辑性的思考，作出并分析不同的解释，以及进行科学观点的交流。”

在美国、英国、澳大利亚、香港、新加坡等国家和地区，在小学科学课程内都将“利用适当的工具收集、分析和解释数据”***为科学学习的基本目标，并明确规定了datalogger（数据采集系统）在不同科学实验中的应用。即将数据采集系统列入小学科学实验室的标准配置目

部分 实验室基础设施设计思路及配置方案

一、实验桌椅及水电设置

1、实验桌配备六边岛式桌7个。

2、六边岛式桌安排坐6名学生（每边1名学生），实验桌支持6×7=42名学生班额的小组协作学习或科学探究活动。

3、考虑实验室安全及小学科学教学的实际需要，实验桌上不设水槽及电源，方便对实验桌根据教学组织形式随意移动、摆放。实验桌既可单独使用方便小组实验，也可连接或横摆、竖摆，方便听课和开展探究实验，也可以连成圈状和放射状，以利于全班的集体活动。

5、实验电源采用上方伸拉式，可以方便使用和保证安全，不影响实验桌的移动。

6、实验桌框架为钢制，刷深灰色油漆。桌面建议选择原木材质刷亮漆。或者选择贴面板桌面，颜色可选择性强。

7、在教室后部设置两个洗手台，一高一矮，适应不同年级、不同身高的学生。

第二部分  实验室多媒体设计及配置方案

1、前面做推拉式绿板，内嵌优质电子白板，安装高清晰短焦投影机。

2、考虑专用教室面积较大，额外配备了声音系统。

第三部分  小学科学数据采集系统配置设计及方案

一、为什么要采用基于数据采集系统的科学探究实验室

数据采集系统是一套数字化的科学测量工具，其测得的数据可以通过电脑显示及数据分析，与传统的科学实验仪器相比，有以下的优势：

1、大大节约实验时间，使科学实验的重心落在问题的假设及探究活动上。利用传感器作为测量工具，很多实验只需要几十秒乃至几秒的时间就可以完成。比如“热是传递的”这个实验，只需要在一根铁棒上绑上三根温度传感器，在铁棒一头加热，侧由近及远的三根温度传感器测量的温度变化曲线在屏幕上能清晰显示出变化的快慢不同；在“不同材料的导热性（热传导）”这个实验中，只需在一个容器中放置固定的木头、铁、铜、铝不同的圆棒，倒入热水，用4根温度传感器测量四种不同圆棒顶端温度变化的数据，就很容易得出结论。

2、使传统实验仪器无法实现的很多科学实验成为可能。如使用氧气传感器可以轻松测量动物的呼吸对氧气的消耗、测量绿色植物的光合作用；用声强传感器测量不同环境的噪音；用光传感器测量不同环境下光强；用相对湿度传感器测量植物的蒸腾作用；甚至可以用pH值、溶解氧等传感器进行水污染、土壤污染、酸雨、温室效应等复杂的科学探究。

3、支持持续时间长的实验，支持户外实验，支持跨时间与跨地域的合作实验，个人的实验结论可以提供他人应用。传感器通过数据采集器的采样功能，不仅能测量1秒钟内变化几万次的数据，还可连续测量长达10天乃至一个月数据。例如测量一天中温度的变化曲线，测量一个月内温度的变化情况等等。

4、有利于培养学生收集、分析、应用科学数据的习惯，将一些定性实验转变为定量实验。传感器的另外一个优势是测量的数值比较，如空气中二氧化碳、氧气、水中氧气含量及其变化等等，可以通过相应传感器轻易测得。

5、利于科学—技术—社会的紧密联系，有利于小学生科学精神和人文精神的结合，形成正确的科学观和价值观。比如我们设计的“节能灯泡”、“酸雨模拟”、“婴儿夜间的啼哭”等实验，既属于科学教学的内容，还可以融入环保观念、传统价值观等的教育。

6、为学生提供在玩中做实验的情境，有利于提高学生对科学实验的兴趣。使用不同的传感器，可以让学生随时测量生活中的各种现象、数据，如风扇的转速、饮用水的pH值、牛奶是否变质、日照时间到底多长、小狗的心跳、红绿灯的设置、报警器原理等等，与生活息息相关、且非常容易完成的实验，有利于让学生玩乐中完成科学的实验，不仅做到脑动、手动，还做到心动。

7、支持教师设计个性化的实验，有利于学校校本实验课程的建设。数据采集系统提供的各种测量工具，为教师很多创造性的科学实验的涉及及实施提供了可能，如我们设计的“婴儿夜晚到底哭了几次、哭了多长时间”、“谁打呼噜厉害”、“卧室内是不是绿色植物放置的越多越好”等实验，虽符合科学教育的内容，但超过了我们的教材内容的范围。

8、有利于学校5%的质优学生能力的挖掘。学校中有一部分“质优”学生，教材对于他们显得太简单，如果培养、挖掘这部分学生科学兴趣，推动他们超常规发展。如香港教育署实施的为期两年的一个项目，挑选香港小学5－6年级的质优学生开展“科学与生活”的科学探究活动，设计了多个探究活动（如面粉发酵、种子发芽等研究），培养了这部分学生“做研究”的能力。

二、为什么选择新加坡艾迪（ADDEST）的数据采集系统产品

建议您选择新加坡艾迪（ADDEST）的科学探究实验室的产品，基于以下原因：

1、该产品已经面世超过10年，经过国际市场考验，在产品的测量精度、误差率、一致性、牢固性和稳定性等方面给您足够的信心。

2、该产品在新加坡的小学市场占有率基本为100%，200多所小学基本上全部在使用艾迪数据采集系统产品。

3、超过10年的全球应用，积累了大量符合中国小学科学课程标准的科学探究案例，真正能体现科学探究本质的实验教程，为国内小学科学探究实验的开展提供大量的经验借鉴。

• 三、艾迪数据采集系统配置方案设计

（1）针对性。数据采集系统是一个系统解决方案，除了传感器、采集器外，探究教材、实验附件、针对性的方案包等，都是系统不可缺少的部分。整个系统要能满足小学科学课程标准及教科版《小学科学》教材的探究实验教学需求。

（2）良好的测量误差率和一致性。由于探究实验设备实质上就是用于科学实验的测量仪器，其测量结果的误差率和一致性非常重要，否则容易引发歧义或影响实验结果，从而影响教师和学生使用的积极性。如空气中氧气含量是21%左右是常识，氧气传感器不能出现偏离21%太大的测量数据，如19%或22%。不能出现一个班分组实验不同实验组用氧气传感器测量教室内氧气含量时出现类似20.3%、21.6%、22.4%等不一致的数据；也不能出现一个实验组用4根温度传感器测量不同材料导热性不同的时候，初始的温度读数不一致，如出现35.6、36.8、37.2甚至更大误差的数据。

（3）牢固性。由于探究实验设备除了教师教学演示用以外，学生自主探究实验的使用是重点，学生的误操作、不爱惜实验器材等特点要求配备的实验仪器牢固不易损坏，同时探究实验设备造价昂贵，所以选择的产品需做工良好，材料稳定牢固，接插口简单牢固，不易损坏，从而达到3-5年的使用寿命。

（4）易用性。由于探究实验室设备面向教师和小学生，产品的易用与否直接影响到设备的使用效率，选择连接简单，软件界面友好的产品有利于探究实验室设备真正应用到教学中。

（5）结合实验室实验台设计，由于数据采集系统是对于大部分老师来讲还是新生事物，所以本方案只设计了一套数据采集系统，供老师教学演示和研究使用。

四、典型的小学科学探究案例对照目录

序号	项目名称	对应实验	图片
1	实验教程
2	温度传感器	1、人体不同部位的温度；2、不同颜色材料的吸热不同；3、热传导；4、不同材料的保温；4、散热；5、水的冰点；6、太阳的直射与斜晒；7、冬天动物为什么拥挤在一起；8、节能灯泡；9、好于坏的热的导体。	见附件图
3	声波传感器	1、声音与距离；2、不同材料的隔音效果；3、耳朵收集声波；4、乐音与噪音；5、小弟弟夜里哭了多少次多长时间；6、声音的大小；7、声音的高低；8、两种基本声音；9、产生不同音高的音符；10、回声；11、不同物体对声音传播的影响。	见附件图
4	氧气传感器	1、空气中有什么成分；2、发芽成长的条件；3、东西发霉了；4、燃烧的探究；5、什么情况下东西会生锈；6、人体的呼吸；7、光合作用；8、房间里是不是植物越多越好；9、氧气浓度对光合作用速度的影响；10、制造氧气。	见附件图
5	听诊器套件	1、心脏跳动的次数；2、我们的心脏；3、不同动物心跳次数的规律；4、男生与女生的心跳次数；5、躺、站、坐等不同状态下的心跳的不同；6研究心率运动后恢复时间的不同；7、茶、可乐等饮料对心跳的影响；8、心情紧张下的心跳变化。	见附件图
6	小学光学套件	1、教室外不同地点光的强度；2、灯光和阳光；3、距离和光强的关系；4、不同材质的透明度；5、光的直线传播；6、节能灯泡；7、太阳镜研究；8、日照时间研究；9、光污染研究。	见附件图
7	小学凝固与溶化套件	1、水变成冰过程温度变化；2、冰变成水的温度变化。	见附件图
8	P.A.小学科学入门包	1、视觉——人体的5中感官之一；2、光的反射；3、自然光——太阳；4、人造光源——手电光；5、光可以直线前进吗；6、光强度随距离的变化；7、影子；8、反射光的能力；9、人造光源——电灯、电脑显示屏和电视屏幕；10、滤色镜；11、这样的光线适合阅读吗；12、反射光的能力；13、简单钟摆；14、预警；15、妈妈又抱怨茶水的浓度；16、风扇的转速；17、解决网球上的争执；18、地心引力能被测量吗？19、穿越看不见的障碍；20、在家乡的光栏边起舞。	见附件图
9	pH传感器	1、饮料的酸碱度；2、不同酸性饮料对肠胃的影响；3、酸奶研究；4、酸雨研究；5、不同地域自来水的pH值的研究；6、土壤酸碱度与污染研究；7、档苏打粉在水里的时候；8、向水里吹气，水的PH值是否变化；9、味觉与pH值的关系。	见附件图
10	盐度传感器	1、如何让东西溶解更快；2、更深一层地探究物质的溶解；3、保温；4、不同土壤盐分的不同	见附件图
11	电子电路实验箱基础版	1、介绍电的基本知识；2、了解电流只会通过闭合回路；3、比较电池串联和并联的效果；4、开关及其在串、并联电路中的作用；5、用电量；6、电阻；7、区别导电与不导电材料；7、电能的转化；8、滑动变阻器的应用于日常生活息息相关；9、	见附件图
12	电压传感器	1、简单电路的欧姆定律；2、测量保险丝；3、电池的新旧；4、能量转换；5、太阳能、风能等新能源研究；6、不同材料的导电性研究。	见附件图
13	电流传感器	1、简单电路的欧姆定律；2、测量保险丝；3、能量转换；4、太阳能、风能等新能源研究；5、不同材料的导电性研究。	见附件图

第四部分 小学科学仪器设计及配套方案

数据采集系统的核心优势是给小学生提供快捷收集数据的工具，通过数据的分析处理，达到科学探究、建构科学概念的目的，实现态度、情感、价值观的教学目标。但作为小学科学实验室，还有一些设计成熟的科学仪器是应该配备的，这些仪器便于学生触摸、观察事物的结构、现象，从而达到学习科学知识、技能的教学目标。

由于在欧洲、美国、香港、新加坡等国家和地区，小学科学教育的开展已有几十年的历史，小学科学仪器的设计、生产、制造也非常成熟，不仅与教材教学结合得非常紧密，在理念、安全、健康、环保方面，也是目前国内小学科学仪器产品所达不到的。

根据教育科学出版社版本的《小学科学》教材的教学内容，我们选择了英国（因维克托）、以色列（知识树）及香港（EDU-SCIENCE）以及台湾GIGO几个厂家的产品形成组合。完全覆盖了该教材的所有教学内容（除岩石标本以外）。

与数据采集系统配置思路一样，仪器方案设计，考虑演示实验或学生分组实验的区别，适合演示的仪器只配置了1套，学生分组实验仪器，则按照6名学生一个实验小组的设计，配备了7套（按照42名学生班额设计，6名学生为一个实验小组，共配备7套学生分组用，另配置1套供教师使用）