一、前言
美国阿瑟A卡琳等在《教作为探究的科学》一书中指出，数学被称作科学的语言，它是人类探索、再现和表达事物的终极方法。因此，它也是在调查、发现、模拟和交流有关客观世界的秩序和规律时所需要的一种不可或缺的工具[2]。近年来，基于数字传感器的小学科学探究教学中得到广泛的运用，其将科学现象、物质变化实时的量化、采集的功能有着传统实验器材无法比拟的优势。数字化实验系统（DigitalInformationSystem，即DIS）是一种新型实验系统，主要由传感器、数据采集器、计算机及实验软件包（专用软件、通用软件）等构成。作为系统核心的传感器可以认为是人类感觉器官的延伸，通过传感器可以测量pH值、CO2浓度、O2含量、光强度等各种数据，而数据采集器则是数字化实验的“显示器”，它能够显示各种测量数据，以数字的形式最直观地呈现给实验者。笔者从2013年开始参与广东省规划立项课题《数字探究促进学生科学素养发展》的相关研究，具体负责小学科学领域的研究。通过两年多的教学实践，笔者发现在小学科学探究教学中恰当地运用数字化实验技术对实现科学探究过程中将自然现象从定性表达到定量表达的转变、从经验认识到规律认识的转变过程提供强大的技术保障，同时对学生在亲历探究的过程中运用数学进行定量表达的能力、“用数据说话”的科学意识、根据数据进行推理、总结归纳的能力等诸多方面有非常大的帮助。本文主要介绍自己对小学科学探究教学中运用数学方法的认识，以及通过实际案例的对比提出借助数字传感器，运用数学培养学生科学素养的两种做法，供各位同行参考。
二、小学科学和数学
科学和数学学科有着天然的联系，近现代科学的重要特点之一是定量表达和使用逻辑推理。人类对自然现象从定性表达到定量表达的转变可以看作是从经验认识到规律认识的转变过程。伽利略经典物理最大的贡献之一就是运用数学研究物体的运动并总结出物体的运动规律。美国《国家科学教育标准》强调：科学要“运用数学收集、处理数据，运用数学进行推理，以形成概念、定律和理论。”[3]在小学科学探究中运用数学的常用方法如表1所示。
三、运用数字传感器开展小学科学探究教学
（一）发挥数字传感器的优势，将定性研究转变为定量测量
下面笔者以粤教科技版小学科学六年级上册《蜡烛燃烧过程的物质变化》一课为例进行说明。《蜡烛燃烧过程的物质变化》一课的教学目标是要让学生认识到蜡烛在燃烧过程中消耗了氧气，产生了二氧化碳和水。笔者对所教的6个平行班开展了传统方式和运用数字传感器两种教学方法的对比研究。1．教学对比（1）传统教学片段①探究问题：蜡烛燃烧后是否会产生新物质？②教师讲解“蜡烛燃烧过程的变化”实验的过程。（如图1、2、3所示）实验步骤：A.用烧杯罩住燃烧中的蜡烛。B.观察烧杯中是否有水雾的产生。C.观察蜡烛的燃烧情况。D.待蜡烛熄灭后，往烧杯中倒入少量澄清石灰水，再倒出，观察残留在烧杯壁上的液滴是否变浑浊。（2）数字探究教学片段①探究问题：蜡烛燃烧后是否会产生新物质？②教师讲解“蜡烛燃烧过程的变化”实验的过程。（如图1、图2、图3所示）③学生猜测蜡烛燃烧过程的物质变化。④设计验证实验方案。⑤分组实验。实验步骤：A.将二氧化碳、氧气、相对湿度三个传感器插入三孔罩中。B.测量蜡烛燃烧前三孔罩内二氧化碳、氧气含量及相对湿度大小。C.用三孔罩罩住燃烧中的蜡烛。D.观察、记录数据采集器中三个传感器的数值。实验结论：蜡烛燃烧过程中，消耗氧气、产生二氧化碳和水。其中要注意的是蜡烛熄灭后容器内氧气含量并不为零而是18.344%（如表2）。（3）两种教学方式中对数学的应用情况对比分析通过表3的对比，教学效果孰优孰劣已一目了然。笔者发现：基于数字传感器的科学探究解决了传统教学中单靠人眼观察无法解决的问题：如本实验中氧气含量、二氧化碳含量的多少？一般情况下，面对这些探究问题，教师只能采取“讲实验”的方式，将知识告诉学生。如本实验中采用传统的方法，学生甚至教师都会感性地认为蜡烛熄灭是氧气烧没了导致的结果，这显然是知识性的错误。定量研究是科学的特征。一些传统实验受到实验条件、实验技术的限制，难以量化。借助数字化传感器就可以直接使许多科学探究中的定性实验升级成定量实验。数字化传感器的精度高，误差比较小，数据的定量显示，这些使科学规律的探究发现或者探究验证更具有严谨性和可信性。数字化实验系统为学生的“定量化”研究提供了研究平台，有利于学生理解科学的本质。
（二）运用变量转换思想，对不易观察和测量的现象进行研究
下面笔者以粤教科技版小学科学四年级下册《物体的热胀冷缩》一课为例。本课的重点是探究固体热胀冷缩的实验，实验目的是让学生通过探究认识固体也存在热胀冷缩的现象。
四、结束语
通过近两年的实践，让笔者认识到：恰当地运用数字化实验技术开展基于数学的小学科学探究，有助于将教学观念从传统的“传道、授业、解惑”转换为“强化过程、注重收集证据、数据、得出结论”的探究发现式教学理念，让科学探究过程更“科学”，从而为培养综合性创新型的高素质人才提供技术支撑。
作者：詹伟达 单位：广东省中山市石岐中心小学
