以數字化教學手段助力小學科學教學方式變革

張軍霞 尹佳 王福玉 金娜

摘要：小學科學教師應從跨學科教學、團隊網絡教研和數字化精準教學等方面著手，將數字化資源和數字化工具有效應用于平移應用教學、基于數字工具的混合教學和基于網絡的混合教學之中，順應小學科學教學與數字技術深度融合的趨勢，重塑教師角色，變革教學結構，在保持學科特色、追求深度學習的同時，豐富數字資源，推進教學方式變革。

關鍵詞：數字化教學;小學科學;教學方式;混合教學

當前，教育信息化正在快速發(fā)展，數字技術已應用于教育教學各環(huán)節(jié)，也必將深刻影響教學方式的變革。小學科學教師和教研人員要深入研究如何開發(fā)數字化資源，在課堂教學中科學應用現代信息技術，積極變革教學方式，以響應整個社會對教育改革的期盼。

一、數字化教學的著眼點

2018年，教育部頒布《教育信息化2.0行動計劃》，指出要堅持融合創(chuàng)新。教育部還頒布了《中小學數字校園建設規(guī)范》，要求“實現校園環(huán)境數字化”，提升信息技術與教育教學實踐的深度融合，實現信息化教學的常態(tài)化與創(chuàng)新發(fā)展;智慧校園中的教育教學要實現網絡備課、網絡教學、網絡教研，探索數字化的課堂教學，積累、開發(fā)和利用各種數字化教學資源。2019年3月，教育部頒布《關于實施全國中小學教師信息技術應用能力提升工程2.0的意見》，明確了提升教師信息素養(yǎng)的具體措施。2019年6月，中共中央、國務院頒布《關于深化教育教學改革全面提高義務教育質量的意見》，要求“優(yōu)化教學方式”，“促進信息技術與教育教學融合應用”，建立覆蓋義務教育各年級各學科的數字教育資源體系，積極探索基于互聯(lián)網的教學;發(fā)揮教研支撐作用，完善網絡教研制度。2021年6月，國務院印發(fā)的《全民科學素質行動規(guī)劃綱要（2021—2035年）》對青少年科學素質提升行動提出了要求，強調“引導變革教學方式，倡導啟發(fā)式、探究式、開放式教學，保護學生好奇心，激發(fā)求知欲和想象力。推進信息技術與科學教育深度融合……”。據此，科學教師要研究如何開展深度融合新技術的場景式、體驗式和沉浸式教學。

綜上，筆者認為，當前小學科學教師研究數字化教學主要有三個著眼點，這三點深刻影響教育教學方式變革。第一，轉變思維方式，具有跨學科的勇氣，提升自身信息素養(yǎng)，將數字技術應用于教學、教研工作。第二，組建研究團隊，建設數字化教學資源，研究網絡教研、網絡備課和基于數字化的教學評價方法，積極改變教學生態(tài)環(huán)境。第三，創(chuàng)造性地深度應用數字技術，探索數字化課堂教學模式，智能化地引導學生的自主、合作學習，針對學生個性化需求精準教學。

二、小學科學數字化教學的資源和硬件設施

教師要深入研究數字化教學，促進教學方式的變革，需要把握當前可以應用的數字化手段。教學中應用的數字化手段有數字化資源和數字化工具，后者包括軟件和硬件，在小學科學課堂教學中，常應用的數字化工具主要是硬件設備。

（一）數字化資源在課堂教學中的應用

在小學科學課堂上，應用較多的數字化資源有課件、微課、空中課堂和數字教材等。這些數字化資源處理、傳輸和存儲比較便捷。

1.課件及微課

課件是能夠使用計算機按照教學順序播放的引導教學進展的教學內容。在我國，從城市到鄉(xiāng)村，課件已經成為小學科學教師必備的教學資源。當前，網站和公眾號上的課件非常多，教師只要用心查找，就能獲得大量資源，并根據教學條件和學生情況進行優(yōu)化，用于教學。各類平臺提供課件時，往往還提供數字化的教案、導學單以及微課。微課分講授型、實驗型、探究學習型、討論型、答疑型和解題型等^[1]。在翻轉課堂教學中微課可用于預習、導入、實踐、研討、復習。

2.數字教材

數字教材是依據課程標準系統(tǒng)編制、開發(fā)的適用于信息技術環(huán)境下教與學活動的電子圖書，即數字形態(tài)的教科書^[2]。數字教材最主要的屬性是教育屬性，教育現代化大背景下，數字教材特別是中小學數字教材在落實國家教育方針政策、促進信息時代的教育公平、引領課程教學發(fā)展變革等方面，發(fā)揮著重要的作用。從概念來看，數字教材與電子書包有相互融合的趨勢。小學科學課堂上，數字教材多由教師操作，他們?yōu)閷W生呈現數字教材中儲備的各種資源，主要有用于創(chuàng)設教學情境的資源、用于觀察的視頻資源和拓展性資源以及數字教材資源庫內各學科共同積累儲存的資源等。例如，教師執(zhí)教“爐火周圍的熱現象”，在備課時先使用數字教材中的課件，再截取電子課本、活動手冊以及搜索資源庫中的共享資源，加以完善后用于教學。有時，教師會準備移動終端，為學生提供不同開放程度的數字化資源，控制學生手中數字教材的使用時間和進度，以調控教學進程。教師可以利用數字教材中的一些檢測題行進測評，并做出教學反饋。

3.空中課堂

常規(guī)課堂上，師生也可以充分利用各類平臺提供的空中課堂資源?？罩姓n堂教學有三種形式。一是以空中課堂貫通教學始終。二是播放空中課堂課程中的部分教學片段，用于指導學生某一階段的學習。三是將空中課堂課程中的視頻資源截取出來，作為微課插入課件，用于教學。例如，國家中小學網絡云平臺提供了“滅絕的遠古動物”空中課堂課程，其中用生動的視頻介紹了恐龍的知識、科學家挖掘恐龍化石的方法、科學利用恐龍化石復原恐龍外形及其生活環(huán)境的方法等。教師可以截取這些視頻，將其融入課件為己所用。

（二）數字化硬件在課堂教學中的應用

在課堂教學中數字化軟件的應用尚不多見，硬件則有較多應用，如傳感器和虛擬設備等。

1.傳感器

傳感器的應用有利于減輕教師工作負擔，突破教學重難點，激發(fā)學生的學習興趣，提高教學的實效性。小學科學教師在教學中常用的傳感器有溫度傳感器、氣體含量傳感器、力傳感器、聲音傳感器、磁感應傳感器和光電門傳感器等。例如，教師執(zhí)教“水的沸騰”時需要測量水從加熱到沸騰的溫度變化量，讓學生獲得對沸點的認識，借助溫度傳感器定時讀取水溫，如果連接配套軟件，還可以自動定時記錄數據，最后生成溫度曲線。

可用于小學科學教學的氣體含量傳感器有氧氣傳感器、二氧化碳傳感器，一般用來測量比較呼吸前后氣體中氧氣和二氧化碳含量變化情況。教學中，如需比較不同地點的空氣質量，也可使用家庭中測量空氣質量的霾表讀取PM2.5的數值。教學中常用彈簧秤測量力，如彈簧秤自重影響較大需要精準測量，可使用力傳感器。智能手機中有各種傳感器，師生下載“手機物理工坊”軟件，可以查看手機中有哪些傳感器。

2.數字拍錄儀器

生活中人們常用照相機、攝像機等拍錄像信息。一般功能已逐漸被手機代替。但有些項目教學中需要高清、廣域拍攝，數字照相機和攝像機正好派上用場。在地球與宇宙科學領域的模擬實驗中，學生需要在地球和宇宙空間之間切換視角。我們可以用數字攝像機代替人眼，將它看到的景物傳送到大屏幕，讓學生理解天體相互運動關系。例如，教師執(zhí)教“地球、太陽和月球”時，模擬天體運動過程，需要從地球視角觀察太陽和月球的東升西落現象。學生頭上裝一部數字攝像機，從地球視角看到太陽和月球從東邊升起、逐漸升高，又慢慢從西邊落下。這些現象被投影至屏幕。教師在教室中間架設一部具有360°視野的攝像機，將從宇宙空間觀察到的天體的運動投影至屏幕。

3.虛擬仿真設備

小學科學教師在教學中應用虛擬仿真設備，是希望提高事物與現象的可視化程度，提高觀察的效果;或者從視覺效果上將虛擬的事物與現實世界融合在一個視域中，激發(fā)學生的學習興趣。借助全息設備和AR技術可以提高事物與現象的可視化。教師使用全息設備將事物與現象投影出來，供學生從各個角度觀察。全息設備還連有平板電腦，可呈現數字化的教學資源。例如，教師執(zhí)教“滅絕的遠古動物”時，手機將恐龍置入學生端，迅速調動學生學習積極性。學生看到自己與恐龍在一起，紛紛觸摸恐龍，沉浸其中。

三、小學科學數字化教學的類型

在數字化的今天，師生所用教學材料大多是紙質材料和數字化材料兼而有之。課堂教學場域往往是現實學習空間和虛擬學習空間同在，且時常交叉。根據現實課堂中應用虛擬學習空間的混合程度差異，小學科學課堂數字化教學類型可以分為平移應用教學、基于數字工具的混合教學和基于網絡的混合教學三類。

（一）平移應用教學

在沒有投影儀的年代，教師常用教學掛圖來展示一些板書難以展現的復雜圖示，用于教授新知識或總結梳理已經學習的公式、知識體系等。在幻燈片投影儀出現后，幻燈片就替代了紙質教學掛圖。隨著計算機設備進入課堂，課件替代了幻燈片?，F在，可用于制作課件的軟件功能更加強大，能夠靈活地鏈接其他文件，插入動畫和視頻，生成動態(tài)、立體化的背景。不過，很多課件只是平移了掛圖、幻燈片和播放錄像的電視機的功能，教學質量和教學方式沒有實質性改變。平移應用教學是最常見的數字化教學類型。

（二）基于數字工具的混合教學

教師在小學科學課堂上恰當應用數字化工具，可以達到更好的教學效果。傳感器、數字化拍錄儀器和虛擬仿真設備的應用越來越廣泛，它們在小學科學課堂上的應用也越來越深入。在“水的沸騰”“滅絕的遠古動物”等課的教學中教師巧妙地使用數字化儀器和設備，收到非常好的效果。這些課的教學依賴數字化工具，但并不依賴網絡環(huán)境，屬于基于技術的混合教學。

（三）基于網絡的混合教學

當今數字技術快速發(fā)展，數字化資源日益豐富，許多小學科學教師開始探索將線上的數字化資源與線下教學有機融合的混合式教學。數字技術的發(fā)展使得教師與教學資源研發(fā)團隊的交流變得更加方便和順暢，如有條件，教師可以參與具體課例的數字化資源研發(fā)。例如，教師執(zhí)教“植物工廠”時，依據教科書設計了教案，與技術公司共同研討規(guī)劃本課適配數字教材，使課程教學任務在一課時內高效完成。數字教材可以共享，其他教師使用同一技術或登錄同一平臺即可使用。

四、小學科學教學變革趨勢

在教育教學與信息技術的融合中，教育是手段，技術是環(huán)境條件，促進學生發(fā)展才是真正的目的。未來小學科學教學必然與更多的數字技術融合。小學科學教師應積極順應趨勢，不斷改進提升教學。

（一）重塑教師角色，變革教學結構

以人工智能、大數據、物聯(lián)網等新興技術為基礎，依托各類智能設備及網絡，豐富多樣的信息化學習平臺被開發(fā)應用，使無時不在、無處不在的學習成為可能，滿足了學生個性化的學習需求。教師不再是學生唯一的知識傳授者。由于師生交流、生生交流能夠跨越時空即時進行，校內校外學習邊界日益模糊，師生為學習伙伴。師生關系的多元化倒逼教師重塑教師角色，將自己定位為課堂教學的組織者、指導者，學生建構意義的幫助者、促進者，學生良好情操的培育者，成為引路人。在教學中，教師的主導作用發(fā)揮得越充分，學生的主體作用體現得更充分。教師角色重塑之時，學生的角色必然改變。筆者認為科學教師應踐行以教師為主導、學習為主體的“主導—主體相結合”的教學，使學生成為信息加工的主體、知識意義的主動建構者和情感體驗與培育的主體，構建師生學習共同體，協(xié)同合作，對知識、價值、經驗等共同體驗與感悟。

（二）保持學科特色，追求深度學習

2017年頒布的《義務教育小學科學課程標準》倡導通過探究式教學培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)，體現學科特色。科學探究式教學不是簡單地聚焦于操作技能的訓練，而是實施思維型科學探究教學，即以培養(yǎng)思維能力為核心，引領學生能力協(xié)調發(fā)展。無論科學教學方式如何變革，教師都必須遵循科學教學的基本規(guī)律：一是創(chuàng)設能夠引起學生認知沖突的教學情境，激發(fā)學生的學習動機，啟發(fā)學生思考;二是靈活協(xié)同自主學習與合作學習，支撐探究過程中學生的自主建構;三是通過應用遷移加深學生對知識的理解，培養(yǎng)學生的科學情感、態(tài)度與價值觀;四是以學生的思維進階為理論依據，科學系統(tǒng)地促進學生發(fā)展。

從教育改革要求來看，社會發(fā)展驅動課堂教學目標從傳統(tǒng)的信息傳遞向高階思維培養(yǎng)轉變，推進深度學習是大勢所趨。在教學中，教師應采用新型的有效教學模式與策略，如采取線上線下混合學習的模式，利用優(yōu)質學習工具與資源，引導學生以批判的眼光審視學習資源，不滿足于對知識的字面理解與機械記憶，在對知識獲得深度理解的基礎上，力圖將它們遷移到不同的情境中，以解決現實問題并逐步形成創(chuàng)新能力^[3]。

（三）豐富數字資源，優(yōu)化混合教學

推進小學科學數字化教學應遵循教育教學規(guī)律，在課前、課中和課后合理使用數字化教學資源，保證每節(jié)課的課前、課中和課后有足夠的資源支持教學情境的引入、支持探究實踐活動的開展、解決現實中的問題以遷移所學的知識和用于教學評價，以引導教學流程并滿足學生個性化學習需求。雖然目前網絡上已有很多課件、微課、數字教材、空中課堂資源，但仍存在不足：一是教學資源比較分散，不便檢索;二是教學資源類型不夠全面，不能滿足各教學環(huán)節(jié)的需要;三是缺乏交互性，不能給學生作出適時、恰當的反饋;四是不夠結構化，沒有依據教科書的框架體系進行積累和開發(fā)。當前迫切需要結構化、系統(tǒng)化的數字教學資源或數據庫。

數字化資源的豐富和使用，使得混合式教學成為必然。學校和教師開展混合式學習活動需要將教學資源、手段、環(huán)境多種要素有效整合。網絡環(huán)境下的混合式教學包括建構學習環(huán)境、課堂教學、在線教學和發(fā)展性教學評價等主要環(huán)節(jié)?；诰W絡的學習方式非常多，如利用多樣資源的自主學習、利用各種平臺的泛在學習和利用社交軟件的合作學習等。這些都需要小學科學教師在混合式教學中進行實踐，以發(fā)揮混合式教學的最大優(yōu)勢和組合效應。

注：本文系國家新聞出版署出版融合發(fā)展（人教社）重點實驗室、人民教育出版社人教數字教育研究課題“小學科學教材配套數字化教與學資源呈現模式研究”（編號：RJB0219002）的研究成果。

參考文獻

[1] 房彬.基于微課的初中物理學習方式變革[J].計算機產品與流通，2020（11）：251.

[2] 數字教材與電子書包發(fā)展研究項目組.中國基礎教育數字教材與電子書包發(fā)展研究報告[M].北京：人民教育出版社，2017.

[3] 何克抗.深度學習：網絡時代學習方式的變革[J].教育研究，2018（5）：111-115.

（作者張軍霞系人民教育出版社課程教材研究所科學課程教材研究開發(fā)中心主任、編審;尹佳系湖北教育出版社編輯;王福玉系北京市密云區(qū)教師研修學院教研員;金娜系北京市西城區(qū)教學研修院教研員，特級教師）

責任編輯：祝元志