数字化实验是信息技术时代发展的产物，数字化传感器在采集和处理实验数据方面具有独特的优势，2019年教育部颁布的《关于加强和改进中小学实验教学的意见》明确指出：“促进传统实验教学与现代新兴科技有机融合，切实增强实验教学的趣味性和吸引力，提高实验教学质量和效果。”《义务教育科学课程标准（2022年版）》也提倡引入数字化实验，这表明数字化传感器在小学科学教学中的应用是一个必然的趋势，将为学生提供更为丰富和深刻的科学实验学习体验
［1］。
1 小学科学教学中数字化传感器教学现状分析
传感器是一种检测装置，在感知到信息后能迅速将其以电信号或其他所需形式输出，便于信息的传输、处理和存储，可使实验现象及过程可视化
［2］，弥补了传统仪器检测数据类型受限的缺点，提升测量数据的精确度
［3］，便于长时间测量数据
［4］。将传感器巧妙地融入教学过程中，有助于提升教师的教学质量，激发学生的学习兴趣
［5］。在小学科学实际教学中，传感器的使用情况也存在一些问题。
1.1 小学科学教师对使用数字化传感器的态度分析
以笔者所在区域为例，全区实行集团化办学，小学共分为11个集团校，下辖39所基层小学，科学实验室传感器配备率达到100%。在一项面向22~45岁小学科学专职教师的调查中，有41%的教师表示不会主动选择使用传感器开展科学教学。在随后进行的访谈中，教师表示原因主要有以下两点：一是数字化传感器的使用过于烦琐，课堂中大量的时间都在操作仪器。二是使用数字化传感器阻碍了学生科学思维能力的提升。
1.2 使用数字化传感器存在的问题分析
为了更深入了解原因，笔者对72节数字化传感器使用案例进行了分析。这些案例来自以下途径：一是知网上发布的数字化传感器教学论文中描述的案例；二是市面上销售的关于使用数字化传感器进行科学教学的书籍中的案例；三是笔者在省、区、市公开课及课堂教学竞赛中听过的使用数字化传感器进行科学教学的课例。
分析发现，在这些使用数字化传感器开展科学教学的课例中，确实体现了一些优势：一是学生能够亲自进行一些传统器材无法实现的实验数据收集，提供了更为实际和具体的学习体验。二是数字化传感器教学使科学变得更加生动和有趣，学生能够更深入地参与到实验过程中，从而更容易产生兴趣和好奇心。三是数字化传感器提供的数据可以帮助学生学习如何进行数据分析和解释。
与此同时，发现教学实施中还存在一些问题，主要集中在：第一，在教学中，教师引出一个问题之后，可能会立刻提出数字化传感器的存在，让学生基于数字化传感器进行学习，从而丧失了深入思考的机会，学生只是数字化传感器的机械操作者，并不能体会到数字化传感器不可替代的优势所在，只是在教师的牵引下进行仪器的操作，并没有得到思维的提升。第二，教师有时只是为了寻求标新立异的实验方式而选择数字化传感器，整个一节课似乎是在展示数字化传感器，仅把技术作为一种暂时的替代策略应用于教学过程中
［6］，而非解决问题、建构概念、发展思维的手段。
由此可见，部分教师之所以尚未全面接纳使用数字化传感器开展科学教学，主要源于缺乏合适的教学策略，致使数字化传感器的应用未能与科学思维的培养有机地整合。而科学思维是科学学科核心素养的核心
［7］，唯有建立在科学思维基础上的数字化传感器教学策略，方能更有效地发挥数字化传感器在科学教育中应有的价值。
2 基于科学思维的数字化传感器实验教学策略探讨
2.1 使用数字化传感器的教学时机
数字化实验作为信息技术时代的产物，在优化小学科学实验教学和培养学生综合素养方面具有重要意义。然而，盲目使用或仅将其作为“噱头”使用，可能会导致似是而非的科学教学，无法真正提升学生的科学思维能力。教师应该明确一点：数字化传感器只是一种工具，工具应该在需要的时候出现。我们应该先鼓励学生依靠已有经验去尝试解决问题，只有在面临困难，发现使用传统器材无法获得可靠数据时，才会去寻求新的方案、新的工具。在这个时候，再引入数字化传感器进行证据搜集才会显得水到渠成，符合学生思维发展的正常路径。
（1） 数字化传感器不能替代传统实验仪器。数字化实验教学所采用的先进仪器无法取代传统实验仪器的功能，传统实验仪器更贴近实际动手操作的过程，对于提升学生的实验操作能力至关重要，数字化传感器应当用于传统器材不便完成的实验教学之中。
（2） 低年级需谨慎使用数字化传感器教学。尽管数字化传感器的工作原理并不要求学生理解，但对于低年级的学生而言，这可能会在无形中增加不必要的神秘感。许多数字化传感器的操作相对烦琐，如果在操作中耗费过多精力，可能得不偿失。更为重要的是，儿童感觉器官的训练以及基于感官的科学观察能力的培养是正确使用、解读数字化传感器的基础，而低年级正是提升学生感官能力的重要时期。
（3） 学生在实验中遇到瓶颈时才引入数字化传感器。在实验中，学生遇到困难时方才考虑引入数字化传感器，避免陷入“先找实验仪器”的误区。学生提出需求时才是引入数字化传感器的最佳时机。这一原则强调需求的激发，与科技发展历史一致，人们往往因需求未满足而研发更合适的工具，推动文明进步。确保引入数字化传感器建立在深思实验需求的基础上，旨在真正满足教学目标，培养学生理性思考和解决问题的能力。
2.2 基于科学思维的数字化传感器教学流程
在教学实践中，有效的教学策略不仅能使学生认识到数字化传感器的必要性，还能重点培养学生的科学思维能力。经过对数字化传感器的深入研究和实际教学经验的总结，笔者提出了“拨云见日”教学策略（
图1）。该策略强调在传统方法无法有效解决问题时才引入数字化传感器的应用，而学生思考过程被视为其思维发展中至关重要的关键环节。通过采用这一策略，我们能在日常科学教育教学实践之中更有效地将数字化传感器作为促进学生科学思维发展的有力抓手。
（1） 起点：创设情境引发任务。
科学教育强调将知识应用于真实情境，通过综合运用知识解决实际问题，从而更有效地培养学生的科学素养。科学思维的发展根植于情境之中
［8］，恰当的情境能激发学生的探究兴趣，培养他们的好奇心和求知欲，推动科学思维的发展。在情境中，让学生主动提取经验可能会引发问题，唤起思考，而非简单地直接提出问题。
（2） “拨云”：尝试运用传统方法。
在创设情境以激发学生的探究兴趣之后，并不是立即提供数字化传感器的最佳时机。为了验证或否定假设，学生应该综合运用联想、发散、重组和辩证等多种思维方式制订调查计划
［8］。在学生深入思考方案之前，提供数字化传感器，可能会使学生的思维仅局限于搭建一个能够顺利使用数字化传感器的装置，而不是指向问题的解决。学生可能会丧失联想、发散、重组和辩证等多种思维方式提升的机会。在小学科学教学实践中，学生要先尝试使用传统方法来解决问题，只有当无法有效解决时，才需要考虑使用数字化传感器。
（3） “见日”：引入数字化传感器。
在面对困境时，通常是发散性思维被唤起的时机。逆境往往能够激发思维的转变，使个体以全新的视角审视世界。在之前的方案被否定后，学生可能会经历一个短暂的沉默期，此时他们正在进行深度思考。随后，可能会有学生提出：“老师，是否存在一种仪器可以进行检测？”这种在深入思考基础上的突破，被视为科学思维培养的关键。
这一环节的重要性在于数字化传感器的应用是由学生主动提出需要的，而非教师强加的。不愤不启，不悱不发，只有学生在内心深处真正需要这样一种仪器时，数字化传感器才应运而生。经历这一“思考—困境—突破”的过程，学生将留下深刻的印象。这一过程打开了思维的一扇窗，其价值远远超过直接提供数字化传感器，让学生仅仅使用数字化传感器采集数据。工具应该为学习服务，而非学习为工具服务。
（4） 明晰：使用数字化传感器采集数据、得出结论。
教师提供装备完成的数字化传感器器材，引导学生采集数据、得出结论，为学生提供了一个高效而流畅的学习环境。这种教学模式的关键在于，教师在学生探究的过程中充当着引导者的角色，以确保学生能够聚焦于科学思维的培养，而不受技术操作的干扰。通过向学生提供已经准备就绪的数字化传感器器材，降低学生因不熟练使用器材而导致的时间耗损。这种做法不仅使学生能够更加专注于实验的设计和数据的采集，还有助于提高实验的整体效率。教师在这一过程中发挥的作用是协助学生理解和运用科学思维，而不仅仅局限于技术操作的传授。
3 数字化传感器教学策略的实际应用
应用“拨云见日”教学策略，笔者以苏教版三年级“人的呼吸”课程为例进行了教学实践。
3.1 创设情境引发任务：潜水员水中作业时为什么不回收气体
本课的教学旨在引导学生深入探究呼出的气体和吸入的气体之间的差异。若忽略情境的创设，直接提出这个问题，可能使学生感到被动参与研究，认为只是在完成教师布置的任务。为了营造更具参与感的学习氛围，笔者选择通过播放一段视频，创设潜水员在海中作业的情境。通过观察潜水员使用空气瓶同时呼出气泡，学生自然产生问题：为何不将呼出的气体回收利用？呼出的气体和吸入的气体有何差异？从而引发深入的探究活动。
在这一环节中，尽管教师在备课时会考虑数字化传感器作为实验器材的使用，但在整个创设情境引发任务的过程中，并不需要明确突出数字化传感器的介入。教师巧妙地通过情境的设置引导学生主动提出问题，在后续的学习中，数字化传感器的运用将有助于深化对呼出气体和吸入气体差异的理解。
3.2 尝试运用传统方法：小白鼠生存和蜡烛燃烧实验
在面对“呼出的气体和吸入的气体有什么不同？”这一问题时，学生可充分调动其先前的经验并制订系统的研究计划。在实践中，学生表现出积极而富有创造性的思维。为区分呼出气体和吸入气体，他们可能会考虑多种实验方法：一是利用小白鼠进行实验：将小白鼠分别放置于呼出气体的袋中和吸入气体的袋中，由于氧气的缺乏，呼出气体袋中的小白鼠的生存状况会相对于吸入气体袋中的小白鼠更快地恶化。二是利用火焰燃烧进行实验：由于燃烧需要氧气的参与，而二氧化碳不支持燃烧，因此在含有更多二氧化碳的气体袋中，火焰将会更快熄灭。
需要指出的是，这两种方法都存在一些局限性。第一种方法涉及实验伦理的问题，尤其是在儿童参与的情况下；第二种方法的操作性较弱，在点燃蜡烛时容易导致气体混合和交换。此外，由于存在多种不能支持呼吸和燃烧的气体，即使这两个实验成功，也只能证明两个袋子中的氧气含量不同，而不能确定二氧化碳含量的变化。
尽管学生的设计未能取得成功，但整个思维过程对于他们具有重要意义。学生在设计中充分动用已有的经验，通过联想、发散、重组和辩证等多种思维方式提升了其思维水平。这一过程强调了学生在科学实验设计中培养创造性思维和系统性思维的重要性。
3.3 引入数字化传感器：有没有一种仪器可以进行测量
在否定前两个方案后，传统的方法考虑引入澄清石灰水。然而，这引发了一个关键问题：学生可能在他们的经验中从未接触过澄清石灰水的概念，更不可能了解它只在接触到二氧化碳时才会变浑浊。因此，学生很可能不会主动提出这一方案。
在笔者教学的多个班级中，都出现了以下类似情况。随后，会有学生提出：“老师，有没有一种仪器可以测量氧气和二氧化碳的含量？”尽管学生可能未亲眼见过氧气和二氧化碳传感器，但他们对各种仪器有所了解。在面对困境时，他们会作出推测：可能存在一种仪器可以检测氧气和二氧化碳的含量。
这一过程突显了学生在解决问题时的推理和猜测能力，以及对科学仪器的一般认识。这种主动提问的情景反映了学生在面对挑战时能够灵活运用科学思维，并对可能的解决方案进行推测和探究。
3.4 使用数字化传感器采集数据、得出结论
在引入数字化传感器的实验中，我们体现了数字化实验教学与科学学科自然相融合的理念，数字化传感器的应用实质上是对科学实验进行了有效的优化。通过利用二氧化碳传感器，我们可以得知：在人呼出的气体中二氧化碳的含量约为4%，而相较之下，在吸入的气体中二氧化碳的含量仅为0.03%，这形成了明显的对比。
在整个探究活动中，数字化传感器仅仅是我们搜集证据的一种工具。在这样的教学环境下，因为传统器材难以提供有效信息，所以我们追求新时代先进工具的应用，以帮助我们搜集必要的信息。随着科技的不断发展，我们的思维也将在技术的进步中获得更广泛的发展空间。
笔者还运用“拨云见日”数字化传感器教学策略，设计并实践了多个教学案例，
表1为部分课例。
在这些课例中，“种植与土壤”等案例之所以选择采用数字化传感器进行教学，其根本原因在于传统器材无法提供测量土壤肥沃程度和光强度的准确数据，因此需要引入数字化传感器；而“做个生态瓶”等案例之所以采用数字化传感器进行教学，是因为传统器材无法实现长时间的监测和自动记录，因此需要依赖数字化传感器及相应软件的支持；另外，“小车运动”等案例之所以采用数字化传感器进行教学，是因为传统器材的测量误差较大，难以获取精确的数据，从而影响数据的准确分析和处理。
在运用“拨云见日”数字化传感器教学策略的课例中，旨在引导学生体验如何从情境中引发问题，激发思维。首先，学生尝试使用传统器材解决问题，但很快发现这种方法行不通，引发思维的冲突。随后，他们突破自我，转向运用现代化的仪器——数字化传感器来解决问题。在数字化传感器的协助下，学生成功解决了问题，使得他们成为基于数字化传感器实验教学的主体，经历了一个完整的科学探究过程。这一过程强调了科学思维在“一拨一见”中的发展。学生通过实践中的思考、冲突、转变，不仅提高了对科学问题的敏感性，还培养了运用现代科技工具解决问题的能力。数字化传感器的引入使学生在科学探究中扮演更积极的角色，促使他们全面发展科学思维。
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