摘要：初中和小學的科學教育教學在科學概念上存在差異，因兩個學段共享一個課標，但教材內容的銜接卻與之不完全吻合，故小學和初中科學教師都期待盡早實現小學科學與初中科學有效銜接。教師分析梳理中小學教材中復現的教學內容，將數字化實驗嵌入銜接性探究活動中，利用數形轉換、概念建模等功能，能夠優化銜接性探究活動，促進中小學科學教育教學順利過渡。關鍵詞：中小學銜接；數字化實驗；科學探究活動《義務教育科學課程標準（2022年版）》[1]（以下簡稱“課標”）將義務教育科學課程劃分為一至二、三至四、五至六和七至九四個學段，然而學段銜接，尤其是第三學段向第四學段（小學向中學）過渡存在不足，有待優化。筆者以“銜接”為關鍵詞對新課標文本進行檢索，發現共出現十處“銜接”，其中四處強調“幼小銜接”，其余六處泛泛地提到“學段銜接”，并沒有特別指向中小學銜接。課標意識到學段銜接問題，但對于小學與初中如何銜接，目前還沒有給予更多的指導。由于小學和初中在教學內容、教學方法存在分野，導致中小學教師各自為戰。具體表現為：①教學內容前后不統一，同一內容多次出現但概念表述不同；②教學活動重復設置，甚至前后矛盾；③小學和初中科學教師缺乏溝通與協作，甚至互相埋怨。課標要求教師基于學生的認知水平和知識經驗設計進階方案：內容應當由淺入深、由表及里、由易到難，活動要從單一到綜合，課程目標和內容螺旋式上升。教師梳理中小學科學教學內容，科學開展“中小學銜接性科學探究活動”可以促進中小學科學教學的“雙向奔赴”。教師開展科學探究活動，揭示條件對于物質、運動和相互作用及能量之間的轉化關系，是引導學生認識科學概念、培養學生科學思維能力的重要內容之一。美國《國家科學教育標準》（NSES）在第六章“科學內容標準”針對三個學段的學生給出了借助工具開展科研活動的指導意見：對五至八年級學生，要讓他們了解科學家應用數據采集技術提高實驗精度并實現定量分析；對九至十二年級學生，要讓他們看到科學家依靠技術優化了數據的收集和處理。新技術可以用于收集所需的數據，為探究提供證據，有助于科學進步。教師將“數字化實驗”引入科學課堂，有助于提高科學探究活動的有效性。教師借助“數字化實驗”促進中小學科學教學的銜接，能有效彌合中小學科學教育教學斷點。一、數字化實驗有利于中小學科學探究活動的銜接“中小學銜接性科學探究活動”是基于對小學和中學科學教材的歸納、匯集得到的多次出現且其間存在有序進階關系的探究活動。其中，進階關系最為清晰、邏輯最為順暢的是物理學科的內容。《義務教育物理課程標準（2022年版）》指出，物理觀念是物理課程核心素養的組成部分，物理觀念主要包括物質觀念、運動和相互作用觀念、能量觀念等要素[2]。由于物理概念具有抽象性，上述要素均屬于學生的認知難點。筆者對浙江省使用的教科版小學科學教材和浙教版中學科學教材進行統計，發現兩者“物理領域”中存在銜接關系的相關單元共有七個，具有顯著的銜接性、進階性的探究活動超過30個。筆者認為，充分考慮“物質科學領域”科學概念的進階關系和銜接作用，在精心設計的基礎上有效開展銜接性探究活動，使中小學物理概念保持一致，對于彌合不同學段，尤其是小學和中學兩個學段之間的教學斷點，實現課標要求的教學銜接，具有重要意義。數字化實驗系統是借助信息技術對傳統實驗教學改進的產物。數字化實驗與傳統實驗貌似大相徑庭，其實兩者都是面向真實對象的實驗。以目前浙江省配備較多的DIS為例（DigitalInformationSystem，即“數字化信息系統”[3]），該系統由“傳感器+數據采集器+實驗軟件包+計算機”組成，能夠高速、精準地采集幾乎所有類型的實驗數據并交由專用軟件進行分析。教師應用DIS能有效克服傳統實驗手段讀數緩慢、誤差過大、儀器笨重等弊端，并借助對微小信號的放大、暫態信號的捕捉和能夠顯示過程的曲線功能，實現諸多實驗現象的可視化、直觀化，顯著降低科學探究活動的難度，極大地豐富學生的科學體驗[4]。學生使用交互式計算機“微型世界”來學習力學中力和運動的知識，同時獲得了動手和動腦的經驗，對科學有了深入的理解。與許多十二年級學生相比，使用數字化學習工具的六年級學生能更好地理解加速度和速度的概念[5]。教師科學地開展數字化實驗，讓學生在小學就為初中的科學概念學習打基礎，尤其是將抽象的物理概念教學適當前置到小學階段，使學生獲得豐富的經驗。如此，教師可以在小學階段為初中的科學教學鋪平道路。二、數字化實驗應用于中小學銜接性探究活動的實踐表1所列的七個探究實踐活動屬于典型的中小學銜接的科學探究實踐活動。對于其中涉及的物質科學等領域的概念，教師開展數字化實驗，可以使學生在小學階段獲得經驗，深化理解。（一）認識酒精燈的火焰學生在三年級學習“水”單元“水沸騰了”的知識時會接觸酒精燈，其中多數學生可能是第一次。教材在此處僅針對酒精燈給出相關安全提示，但在教學中，教師往往會告知學生酒精燈火焰的外焰溫度最高，要求用外焰加熱。小學生會心生疑問：為什么外焰溫度最高？如果教師此時給出實驗測量的支架，小學生就能輕松翻過認知陡坡，從而對酒精燈火焰的特性形成完整的認知，構建起火焰的三層結構模型。學生在三年級系統地學用酒精燈，在七年級參與“走進科學實驗室”活動，但教材給出的實驗依然是基于木條炭化程度的間接驗證。由于木條炭化程度由木條材質、溫度、受熱時間和氧氣含量等因素共同決定，該實驗的現象往往給學生增添更多困惑，甚至讓教師陷入尷尬境地。針對上述問題，筆者使用高溫傳感器開展實驗（如圖1），從焰心開始測量，依次延伸到內焰、外焰。根據數據顯示可知：酒精燈火焰不同位置的溫度各不相同，其中溫度最高的是外焰部位。在小學三年級開展此實驗后，經訪談和測試，筆者發現結合酒精燈火焰結構圖，三年級學生也可以輕松建立酒精燈火焰溫度分布的物理模型（如圖2），這樣酒精燈火焰溫度分布問題被“一站式”解決。到初中后，只要教師稍加點撥，學生就會認識到火焰不同部位之間溫度差異的主要成因在于氧氣的多寡。借助此番點撥，氧氣作為燃燒的條件之一這個重要概念也就植入了學生的腦海。（二）物質的三態變化三年級學生參與“水”單元的“水沸騰了”“水結冰了”“冰融化了”等活動，初步感知，當溫度變化后水的形態會發生變化。五年級學生學習“熱”單元的“溫度和水的變化”“水的蒸發和凝結”時，教師讓學生測量水的三態變化中的溫度變化，得出水結冰和冰融化時的臨界溫度。七年級學生學習“物質的特性”單元“熔化與凝固”時，教師將研究對象擴展到固體物質的熔點及其他物質形態變化對溫度的要求。這三個活動彼此孤立，學生的認知進階缺乏手段支撐，影響教學效果。為此，筆者將溫度傳感器引入探究活動中，利用溫度傳感器將上述三個活動有機統合。在精準的實驗數據的支持下，對五年級探究活動和三年級的教學內容進行整合，讓小學生在觀察水的三態變化的同時，獲得水三態變化的支持條件——特定的溫度（如圖3）。教師可將水的冰點和沸點作為研究起點，使學生進入初中（學習對象被擴展到其他物質）時能自然地使用溫度傳感器，開展相應的自主學習和自主探究。如在七年級探究活動中，筆者使用溫度傳感器教學，讓初中生測量獲取松香、海波和焊錫熔化時的溫度（如圖4），不僅確保了他們對科學概念的認知效果，而且促進了學段之間的概念銜接。（三）看不見的磁場二年級學生學習“磁鐵”單元“磁鐵的兩極”時，被要求利用回形針來判定磁鐵各個部分磁力大小。六年級學生學習“能量”單元“電力和磁力”時，被要求通過判定電磁鐵吸引大頭針的數量研究電磁鐵的磁力大小。八年級學生學習“電與磁”單元“電生磁”時，被要求基于研究電力和磁力的對應變化來探究電磁鐵磁力變化規律。教材通過從磁鐵到電磁鐵的逐級進階，完成概念體系的構建。但因磁場本身不可見，學生只能借助回形針、大頭針來進行定性觀察，實驗結果容易出現偏差，概念建構遭遇困境。筆者將磁感應強度傳感器引入“磁場”相關的銜接性活動中后，指導學生研究磁鐵不同部位對回形針、大頭針的吸引現象，發現傳感器給出的測量數據能夠讓小學生對磁場形成更為全面的認知。有了數據支持，二年級學生也能針對磁鐵的性質給出符合科學規律的解釋。筆者借助磁感應強度傳感器顯示的負值（如圖5），定義磁場的南極（S極）和北極（N極）。結果學生對負值所代表的磁場方向的理解大大超出了教師的預期。學生在小學階段有了測量磁感應強度的經驗與基礎，到了初中階段，能夠更好地理解磁場線的疏密與磁場的關系。（四）認識力力與磁場相仿，也是不可見的物理現象。測量力的大小是典型的中小學銜接性探究活動，在教材中多次出現。四年級學生學習“運動和力”時，被要求探究“彈簧測力計”，了解測力計的使用方法和工作原理。教師為七年級學生講授“運動和力”單元“重力”“牛頓第一運動定律”“摩擦力”“水的浮力”，涉及彈簧測力計的工作原理，并要求學生利用測力計測量力的大小、探究力和物體運動之間的規律。但因彈簧測力計的量程和精度有限，且只能測拉力不能測壓力，阻礙了學生在探究活動中對力現象的直觀感受，限制其認知體系內有關力的物理模型的構建。教材設置的進階活動始終圍繞著彈簧測力計原地踏步，提升學生認知效果有限。筆者將數字化實驗嵌入相關銜接性探究活動中，讓四年級學生依次使用彈簧測力計和力傳感器（如圖6），在精確的數字變化和“力—時間”曲線的幫助下，探究運動與摩擦力的關系。在研究“水的浮力”過程中，筆者利用浮力數字化實驗實驗裝置（排水法裝置和直觀法裝置），將重物掛在力傳感器之下，依次浸入水中（如圖7），并將浮球借助剛體連接在力傳感器之下，逐步浸入水中，讓學生認識到浮力的存在，并探究浮力與物體排開水的體積之間的關系。有了經驗與知識儲備，學生在初中學習“牛頓第一運動定律”時，具備了借助數字化實驗系統自主設計簡單實驗的思維基礎和能力。可見，定量實驗手段的適當應用可成功實現概念下沉，有效彌合學段間的教學斷點，促進學生對物理模型的構建。（五）學習簡單機械六年級學生學習“工具與技術”單元“斜面”和“不簡單的杠桿”時，被要求利用測力計測量使用簡單機械前后物體受力的變化，以驗證簡單機械的效用。九年級學生學習“能量的轉換與守恒”單元“簡單機械”時被要求通過測量和計算，了解機械運作中力和能量的轉換情況。筆者使用力傳感器開展與力相關教學并積累了一定經驗之后，將傳感器引入簡單機械領域，讓六年級學生初步接受原本為九年級學生設置的概念，引導他們借助傳感器給出的正負號，更好地理解和認識力的方向，降低“簡單機械”的學習難度。（六）熱傳遞學生在五年級和七年級都要學習有關熱的知識，熱在不同物體中的傳遞方式是學生認知的難點。熱的傳遞相對抽象，學生使用溫度計測量難以發現熱在傳遞中的溫度變化。教材給出的建議有：手摸感覺溫度變化，利用溫變油墨的顏色變化判斷，比較凡士林的熔融次序等。以金屬熱傳導實驗為例，凡士林所粘的火柴棒會受到金屬棒加熱速率、凡士林涂抹均勻性和空氣流動等因素的影響，導致掉落順序出現偏差，干擾學生建構正確的科學概念。在小學的熱傳導實驗教學中，筆者先讓學生在溫度傳感器輔助下，構建針對金屬熱傳導的物理模型，區分不同金屬的導熱屬性，再讓學生用溫度傳感器測量空氣溫度與體積變化，破除了學生的認知障礙。到了初中，學生可以更好地理解熱量的概念，測量和計算熱量的變化。（七）振動與發聲由于缺乏定量測量手段，小學四年級“聲音的高與低”單元教學與七年級“對環境的察覺”單元教學（“聲音的產生和傳播”和“耳的聽覺”等活動）變化不大，難以讓學生進階。為解決上述問題，筆者在小學引入聲波傳感器和聲強傳感器，強化振動發生的概念；在初中引入聲學教學軟件包，幫助學生厘清“聲的三要素”；進而讓學生借助DIS振動與發聲實驗器了解樂器的振動原理和發聲規律。筆者依