利用數(shù)字教材促進學生科學思維發(fā)展的策略研究

梁東紅

《義務教育科學課程標準（2022年版）》指出，科學思維是科學學科核心素養(yǎng)的重要構成，是從科學的視角對客觀事物的本質屬性、內在規(guī)律及相互關系的認識方式，主要包括模型建構、推理論證、創(chuàng)新思維等要素。這些要素不僅是學生學習科學必備的關鍵能力，而且是他們進行技術與工程實踐的核心思維方式，還可以遷移用于學習其他領域知識[1]。科學思維始終是國際科學教育研究的熱點。培養(yǎng)學生的科學思維能力是科學教育的重要目標，也是科學學科育人價值的重要體現(xiàn)。

數(shù)字教材是教師開展數(shù)字化教學所需的核心資源。數(shù)字教材具有媒體化和平臺化的特性，既有教學所需的常規(guī)功能和備授課工具，又有學科特有的小工具，還支持智能終端，適配多種系統(tǒng)。教師應用數(shù)字教材的操作交互和信息交互功能進行課程創(chuàng)新，有利于提高學生科學思維能力。筆者以教學“輪軸”為例，分析數(shù)字教材助力學生科學思維發(fā)展的教學策略。

一、課前：推送學習資源，搭建思維支架

前概念是學生建構新舊科學觀念的橋梁，是學生進行探究實踐的起點，是教師選擇教學方法的依據(jù)，具有內隱性、個體性等特點。維果茨基認為：在成人適當?shù)膸椭拢瑑和梢酝瓿伤氉詿o法完成的任務，教師要根據(jù)兒童的思維水平提供靈活的思維支架來幫助他們[2]。教師提供思維支架不僅可以獲得直接效果，而且可以幫助學生構建知識結構，促進前概念的順應和同化，使之向“科學概念”轉化，培養(yǎng)學生思維能力。

教師利用數(shù)字教材平臺附載的視頻、圖片等資源，布置課前導學任務，創(chuàng)設真實問題情境，暴露學生的前概念；使用數(shù)字教材平臺的保存筆記、發(fā)送筆記、運行資源等功能，引導學生針對問題自主探究。在思維支架的支撐下，學生在思維活動中學習，思維水平從低階逐漸轉為高階，同時在學習活動中提高思維能力。

在小學科學五年級“簡單機械”中輪軸知識的教學中，教師引導學生在比較中認識輪軸裝置的結構特點；通過實驗，引導學生發(fā)現(xiàn)施加在輪和軸的力的不同效果；了解輪軸在生活中的應用并分析其特點和受力情況。

為了解學生關于輪軸的前概念，教師利用數(shù)字教材平臺的資源及功能，設計了“初擰螺絲釘—改進螺絲刀—再擰螺絲釘”的課前導學任務。學生動手操作發(fā)現(xiàn)使用細柄螺絲刀擰螺絲釘很費勁，教師通過數(shù)字教材平臺推送“導學案”。學生根據(jù)生活經(jīng)驗改進細柄螺絲刀，利用數(shù)字教材的筆記流轉功能，將自己的想法通過畫或寫的方式推送給教師。隨后，學生再擰螺絲釘，使用筆記流轉功能畫出用螺絲刀擰螺絲釘時用力部位、工作部位的運動軌跡。最后，學生自評作品，備注改進建議。

“擰螺絲釘”導學方案如下。

第一步：試一試，用這把螺絲刀擰螺絲釘（如圖1）。用一個詞語表達感受。

第二步：思考如何改進。

想一想：這把螺絲刀存在什么問題？如何解決這個問題？

畫一畫：將設計方案畫出來。

寫一寫：你是怎么想到這個方法的？

找一找：找到了哪些可用的材料和工具？

做一做：動手做做看，如有困難，可尋求家人幫助。

評一評：細則見表1。

第三步：思考還有哪些改進空間。

按照課前導學流程，學生在數(shù)字教材平臺助力下經(jīng)歷“發(fā)現(xiàn)問題—分析問題—解決問題”的過程，表現(xiàn)出明顯的科學思維特質。例如，學生在“細柄螺絲刀擰螺絲釘很費勁”的問題情境中，通過提取和檢索信息，對問題作出合理分析和解釋，在新舊觀念之間建立聯(lián)系。學生將信息轉化為適用于問題情境的結構化知識，增加一個類似輪的裝置，改進螺絲刀輕松擰螺絲釘。學生使用筆記流轉功能對不同維度的信息進行分析、歸納、綜合。在此基礎上，教師通過交互式電子白板呈現(xiàn)學生的典型做法，引導他們進行比較分析，相互補充，思維碰撞，形成一般性結論，即初步建立輪軸概念。課前教師就是這樣利用數(shù)字教材平臺，推送資源，搭建支架，提升學生思維水平。

二、課中：使用交互功能，發(fā)展科學思維

數(shù)字教材除了筆記流轉、資源分享等功能，還可以通過計算機、平板電腦等移動終端設備發(fā)揮交互學習功能。其中，以平板電腦為載體的電子書包是一種可以承載海量學習資源的移動設備，能夠創(chuàng)設數(shù)字化、網(wǎng)絡化的學習空間和環(huán)境，具有豐富靈活的交互功能，有利于促進學習方式轉變。利用電子書包移動終端設計高階學習活動，即通過操作交互和信息交互，運用問題求解、獨立決策、批判思維等能力完成學習活動，實現(xiàn)數(shù)字教材平臺資源對科學思維培養(yǎng)的助力作用。

（一）在形成概念的過程中解決問題，培養(yǎng)模型建構能力

模型建構作為一種認識手段和思維方式，是以經(jīng)驗和事實為基礎，對客觀事物進行抽象和概括，尋找關鍵因素，弄清關鍵因素之間的關系和系統(tǒng)結構，建立對科學事物本質屬性、內在規(guī)律及事物間相互關系的間接和概括的反映，是科學解決復雜問題的途徑，有助于學生對概念、過程和系統(tǒng)的理解。

在“輪軸”一課教學中，首先，教師借助數(shù)字教材平臺引導學生交流課前導學任務完成情況。通過比較分析，發(fā)現(xiàn)常規(guī)螺絲刀是在原來細柄上增加一個加粗的防滑裝置（手柄），使它的運動軌跡變成一個更大的圓，像這樣的結構，科學上稱為輪軸。其中運動軌跡是大圓的部分稱為輪，運動軌跡是小圓的部分稱為軸。接著，學生進行“擰瓶子”游戲體驗輪軸作用，討論設計實驗探究輪軸特點及用力情況。最后，教師通過自定義數(shù)字教材資源，根據(jù)教材相應活動，利用電子書包移動終端提供Flash動畫演示，轉動外圈的輪，帶動內圈的軸轉動，用內圈半徑最小的軸來模擬螺絲刀的金屬桿，用外圈不同半徑的輪來模擬不同粗細的螺絲刀手柄，將手柄粗細不同的螺絲刀重疊在一起，壓縮成“變形的螺絲刀”，如圖2所示，通過學生與數(shù)字資源的信息交互，構建了易于本課研究并能反映輪軸特征的模型。

教師利用電子書包移動終端，創(chuàng)設可視化教學情境，提供交互探究工具，通過動態(tài)模擬，學生的思考更積極，探究更深入，引導學生從實際問題中提取出科學問題，并在抽象概括客觀事物基礎上進行模型建構，提高科學思維能力。

（二）在數(shù)據(jù)分析的過程中獨立決策，培養(yǎng)推理論證能力

科學學科核心素養(yǎng)中的科學思維還包括推理論證，是從已知的科學命題得出新命題的思維過程或思維形式。進行推理論證時，要以科學知識為中介，運用歸納、演繹、控制變量等方法對獲得的數(shù)據(jù)進行解釋說明，建立證據(jù)與解釋之間的關系，因此，推理論證是需要運用多種高水平認知的復雜思維活動過程。

“輪軸”一課教學的重要內容是數(shù)字化實驗數(shù)據(jù)的收集、整理、歸納，以及規(guī)律探究。首先，教師將力傳感器的使用視頻鏈接引入數(shù)字教材平臺，為學生提供直觀靈活的操作交互方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)可視化教學。接著，在設計實驗“探究輪軸的作用特點”環(huán)節(jié)，教師利用電子書包移動終端，通過拖曳圖片、箭頭標識、數(shù)據(jù)記錄、即時反饋、共享交流等方式，引導學生從控制變量的角度建構分析“影響輪軸省力因素”的“思維模型”：先用力傳感器直接測量拉動3個鉤碼所用的力，再將力傳感器分別豎直掛在與半徑為3厘米、4厘米、6厘米的輪相連的繩上，保持軸上鉤碼不變，分別測出輪上所需要的力，如圖3所示。然后，在電子書包相關界面，學生通過操作交互、信息交互，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)，探究證據(jù)之間的規(guī)律，分析得出“輪軸的軸半徑不變時，輪半徑越大越省力”科學結論。

教師利用數(shù)字化教材平臺和電子書包移動終端，將抽象的問題具體化、復雜的問題簡單化，引導學生體驗“數(shù)據(jù)收集可視化—數(shù)據(jù)整理可視化—數(shù)據(jù)歸納可視化—規(guī)律論證可視化”的過程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)數(shù)字化、思維可視化，建立數(shù)據(jù)分析與思維層次有效關聯(lián)，提升學生思維能力。

（三）在應用遷移的過程中反思評價，培養(yǎng)批判思維能力

科學學科核心素養(yǎng)中的科學思維提及的質疑批判，是基于客觀事實和推理論證，對不同觀點或結論質疑或批判，并提出創(chuàng)造性見解，體現(xiàn)創(chuàng)新思維能力。在科學探究活動結束后，針對教學目標，結合學生的生活實際，創(chuàng)設問題情境，引導學生以分析、判斷、辨別等思維活動進行反思評價，獲取對知識的深層次和概括性理解，靈活解決問題，實現(xiàn)思維的高階發(fā)展與提升。

“輪軸”一課教學總結時，教師運用電子書包推送學習資源的系統(tǒng)功能，為學生發(fā)送在線課堂作業(yè)題：（1）找一找自行車上的輪軸結構；（2）設計螺絲刀時，當無限加大手柄，就能得到一個特別好用的螺絲刀嗎？請說明理由。學生利用數(shù)字教材平臺圈畫標識、推送筆記等功能，綜合運用本課及本單元知識，將輪軸一般性規(guī)律和模型遷移應用到其他情境中，學習方式從識記主導升級為運用主導，更學會客觀辯證地看待問題，體現(xiàn)了歸納、抉擇、評價等思維經(jīng)驗積累過程，促進高階思維品質的發(fā)生[3]。

三、課后：建立實踐共同體，培養(yǎng)創(chuàng)新能力

鐘啟泉教授指出，教材是掌握知識的手段，但只憑教材不能掌握所有知識。數(shù)字教材要作為學生思維與表達活動的具體事物而生成并變化的一種存在，而建立實踐共同體能解決這個難題。實踐共同體包含三個要素，分別是領域、溝通、實踐，其中領域是指學生相互間關注的問題；溝通是指學生之間分享交流，相互學習；實踐是指學生在某個問題上借助溝通進行思考并運用知識解決實際問題，接受實戰(zhàn)訓練。三者相互協(xié)調，共同發(fā)揮作用，促使學生形成應對真實情境時運用知識與處理問題的能力，琢磨自己的思維方式與實踐方式，尋求他人幫助，分享自身思考，從不同角度進行批判性分析，實現(xiàn)真實性學習，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。

借助網(wǎng)絡學習空間，開展協(xié)同實踐學習。網(wǎng)絡學習空間是由教育部門或學校認定，融資源、服務、數(shù)據(jù)為一體，支持共享、交互、創(chuàng)新的網(wǎng)絡學習場所[4]。其學習資源由有限文本教材轉向無限數(shù)字資源；學習環(huán)境由單個微觀轉向多個宏觀；師生交互由固定空間轉向跨越時空。

“輪軸”一課課堂教學結束后，教師通過數(shù)字教材平臺推送“古代轆轤”視頻，學生了解古代轆轤是利用輪軸原理制成的一種簡單機械；學生通過網(wǎng)絡學習空間建立實踐共同體，跟隨古人腳步開展“古代轆轤”模型制作。（1）學生利用網(wǎng)絡學習空間繪制并闡述自己的設計圖，針對他人設計提出意見，在線充分討論后，重新審視、修正完善設計方案；（2）學生線下制作模型；（3）學生線上互訪空間，發(fā)表意見，質疑評論，判斷可行性；（4）學生再次利用空間提交作品，根據(jù)標準對作品進行客觀科學評價。

基于網(wǎng)絡學習空間，建立實踐共同體。學生經(jīng)歷了明確問題、設計方案、實施計劃、檢驗作品、改進完善、發(fā)布成果等過程。每次討論評價、制作改進都是后續(xù)打破定式、制作完善的基礎，而在反復溝通、實踐、創(chuàng)造的過程中，提升學生思維的深刻性、靈活性、創(chuàng)新性。

綜上所述，思維活動是課堂教學中的核心活動，科學思維是科學學科最本質的特征，是適應現(xiàn)代社會發(fā)展的關鍵能力。筆者以培養(yǎng)學生學科核心素養(yǎng)為導向，分析總結基于數(shù)字教材促進學生科學思維發(fā)展的策略，設計了“課前推送資源，搭建思維支架—課中多元交互，發(fā)展科學思維—課后建立實踐共同體，培養(yǎng)創(chuàng)新能力”的信息技術融合創(chuàng)新教學模式、新路徑，以期提升學生科學思維水平，實現(xiàn)科學學科育人目標。

注：本文系2021年度福建省電化教育館教育信息技術研究課題“基于人人通網(wǎng)絡學習空間開展小學科學OMO項目式學習模式的實踐研究”（編號：ZTEP20180209）的成果之一。

參考文獻

[1] 胡衛(wèi)平.為培養(yǎng)科技創(chuàng)新后備人才創(chuàng)建高質量義務教育科學課程[J].全球教育展望，2022，51（6）：67-74.

[2] 錢瀅.為有效學習搭建“支架”[J].中國信息技術教育， 2011（Z2）：50-51.

[3] 王偉，黃少如，唐燁偉，等.高階思維教學特征及教學設計模式初探[J].中小學數(shù)字化教學，2018（3）：27-30.

[4] 郭炯，鄭曉俊.“人人通”如何走向“人人用”——解讀《關于加強網(wǎng)絡學習空間建設與應用的指導意見》[J].中小學數(shù)字化教學，2019（5）：24-28.

（作者系福建省福州市倉山區(qū)教師進修學校教研員）

責任編輯：祝元志