當信息科技遇見科學

〔摘" "要〕" 信息科技與科學學科的深度融合為培養學生科學思維提供了創新路徑。基于皮亞杰認知發展理論，本研究揭示了兩學科融合的協同效應。然而，當前的融合實踐面臨課程整合碎片化、教師跨學科能力不足及學生思維遷移薄弱等挑戰。為此，本研究提出構建“科學概念統領—技術工具嵌入”的主題式課程框架，開發整合型數字化資源庫，并通過協作教研與模塊化培訓提升教師跨學科素養；同時，設計情境化任務鏈，引導學生運用編程與數據分析等技術工具解決復雜問題。實證案例表明，跨學科融合能有效促進學生從線性分析轉向系統思維，為“技術賦能型科學思維”的培養提供理論與實踐范式，為落實新課標的核心素養目標提供重要的理論參考。

〔關鍵詞〕" 信息科技；小學科學；學科融合；跨學科教育

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）15" " 0142-03

在21世紀核心素養的框架下，跨學科教育已成為全球基礎教育改革的重要方向。我國《義務教育課程方案（2022年版）》明確提出要加強課程綜合性與實踐性，強調通過學科融合培養學生的探究能力與創新意識。然而，當前小學信息科技與科學學科的融合實踐仍面臨表層化、工具化的困境，技術應用多體現在教學手段革新方面，未能深度重構學科知識體系以促進學生高階思維發展。這一矛盾折射出兩大學科理論對話的缺失：信息科技缺乏對科學認知規律的適應性改造，科學教育則忽視了技術工具對思維范式的革新價值。基于此，本研究以皮亞杰認知發展理論為基礎，探討學科融合對學生科學思維的影響，旨在揭示跨學科知識整合的深層教育意義，為建構“技術賦能型科學思維”的培養路徑提供理論支撐。

一、信息科技與科學學科融合的意義

（一）跨學科融合對發展學生科學思維的促進作用

1.信息科技強化科學探究的實踐性

建構主義學習理論證實，信息科技是利用“技術中介認知”機制重塑科學思維的生成邏輯。虛擬仿真平臺創造的具身化學習環境，能夠讓學生突破物理世界的“認知帶寬限制”，在多重表征系統中建立科學概念的心理模型。例如，當學生通過Scratch編程構建食物鏈動態模型時，技術工具不僅是學生的知識載體，更成了他們思維擴展的“認知腳手架”：編程語言的條件判斷結構（if-then）外化了科學推理的假設驗證過程，而循環語句（loop）則具象化生態系統演變的迭代規律。這種“技術具身性”特征，使抽象的科學原理轉化為可操作的思維對象，推動學生從經驗歸納向模型建構的思維層級躍遷。

2.科學學科為信息科技提供應用場景

情境認知理論揭示，脫離真實問題場域的技術學習易陷入“符號操作困境”。科學學科為信息科技提供結構化的問題空間來確立“技術理性”的價值坐標。以“微生物培養實驗”為例，溫度控制程序的編寫需求源于科學探究的精確性要求，傳感器校準參數的調試必須服從生物學觀測的效度標準。這種“科學問題驅動技術實踐”的范式，使技術工具從孤立技能升維為科學解釋系統的構成要素。更關鍵的是，科學方法論（如控制變量法）為技術應用提供了認知框架，促使學生在編程調試中自發形成“假設、驗證、迭代”的思維閉環，實現了技術操作與科學思維的辯證統一。

（二）學生科學思維發展的核心需求

根據維果茨基（蘇聯心理學與教育學領域的奠基人之一）的“最近發展區”理論，學生正處于“具體運算思維”向“形式運算思維”過渡的關鍵期。傳統的科學教育依賴實物操作的“具象綁定”模式，雖然符合學生的認知特點，但卻難以突破經驗主義思維的桎梏。信息科技的介入創造了“具象—抽象連續體”：增強現實（AR）技術實現了可視化的分子運動，使微觀世界的不可見規律獲得知覺可及性；數據建模工具（如TinkerPlots）則利用揭示離散點的分布趨勢，引導思維從現象描述向關系抽象轉化。這種“技術中介的認知轉型”不僅加速了思維層級的提升，更重塑了科學思維的結構特征。比如在機器人競賽中，學生需同步處理機械結構（科學原理）、程序邏輯（計算思維）與團隊協作（社會認知），形成多線程的問題解決框架，這正是復雜性科學所倡導的“系統思維”的雛形。

二、信息科技與科學學科融合出現的問題

（一）課程設計與教學實踐脫節

1.學科內容整合不足

當前的課程體系存在明顯的學科壁壘，主要表現為概念圖譜的離散性與實踐載體的單一性。教材編寫未能建立跨學科知識遷移的錨點，如在物質科學模塊中，電路原理與編程控制（如Micro：bit）僅以并列形式呈現，缺乏“現象觀察、原理探究、技術驗證”的認知閉環。這種機械式疊加導致技術應用停留于形式化的操作層面，難以實現跨學科知識的意義建構。

2.教學資源與技術支持欠缺

某項調查顯示，73.6%的學校缺乏整合型教學平臺，教師被迫在Scratch、Tinkercad等孤立系統中切換操作，導致認知負荷嚴重超載。更關鍵的是硬件維護與軟件更新的制度缺位，致使部分跨學科課程因設備故障被迫終止，嚴重削弱了教學連續性。這種技術生態的失序，直接導致情境認知理論所強調的“工具中介學習”機制難以有效運行。

（二）教師跨學科素養的局限性

教師隊伍普遍存在“學科本位”思維，信息科技與科學領域的復合型教學能力不足。部分教師缺乏對技術工具的操作經驗，難以將編程、數據分析等技能融入科學探究活動；另一些教師則對跨學科教學理念理解不深，教學設計易偏向單一學科目標。此外，針對跨學科教學的培訓體系尚未完善，教師往往依賴有限的自學或零散經驗，難以系統掌握融合教學的方法論，導致在課堂實踐中技術應用流于形式，未能有效支撐科學思維的培養。

（三）學生思維遷移能力不強

學生習慣于線性化、單一化的學習模式，面對跨學科任務時易陷入思維定式，難以將信息科技的邏輯思維與科學探究的實證思維有機結合。這種思維遷移能力的不足，既源于傳統教學對學科邊界的固化，又因缺乏系統性訓練，導致學生難以在解決復雜問題時靈活調用跨學科知識，限制了學生創新能力和綜合素養的提升。

三、促進兩學科融合的實踐策略

（一）優化跨學科課程體系

1.構建主題式融合課程框架

基于建構主義知識觀，教師要圍繞真實世界的復雜問題設計主題單元，通過科學原理與信息技術的雙向映射重構知識網絡。課程框架應強調“概念統攝—工具嵌入—思維迭代”的螺旋式遞進邏輯：以科學核心概念（如能量轉化、系統平衡）為統領，嵌入編程建模、數據分析等技術工具作為認知媒介，引導學生經歷“問題抽象—工具應用—模型優化”的思維循環。同時，要依托情境認知理論，將學科知識置于動態實踐場域，促進學生在解決技術賦能問題的過程中實現科學思維從線性分析向系統綜合的范式躍遷。

例如，某校以“城市內澇防治”為實踐主題，部署整合物質科學中的水循環原理與信息科技中的傳感器應用的任務。教師組織學生分組調研社區排水設施，利用pH試紙、流速儀等工具分析水質與水流特征。在技術層面，學生使用Arduino開發板搭建水位監測裝置，編寫代碼將數據實時上傳至云端平臺。某小組調研時發現綠化帶滲透率與地表材質相關，遂在Scratch中創建三維滲水模型，模擬不同材質（瀝青/透水磚）在暴雨中的蓄水差異。課程分為“實地勘察、數據建模、方案路演”三個階段，學生需用科學原理解釋模型參數設定依據，并通過可視化圖表論證方案可行性，實現科學推理與編程邏輯的雙向互動。

2.開發數字化教學資源庫

建設統一的數字化教學資源庫是支撐跨學科教學的基礎。資源庫要包含虛擬實驗模塊、編程案例庫及數據分析模板。此外，需引入動態更新機制，納入AI輔助實驗設計等前沿技術案例，確保資源庫與時俱進。通過共享優質資源，可降低教師技術門檻，提升課堂創新效率。

例如，某校開發的“星象觀測者”跨學科平臺，將天文館的球幕影像數據與編程學習深度整合。在“月相成因”探究單元中，學生可通過手勢交互操控三維全息投影，實時觀察地月軌道參數變化對潮汐現象的影響。平臺同步觸發Python編程挑戰任務：“編寫程序計算農歷十五的潮汐系數，并生成可視化潮位預測曲線。”當學生輸入的引力公式存在邏輯錯誤時，系統不僅提示代碼異常，還會推送牛頓定律微課視頻和典型錯誤案例庫。該平臺運行了兩年時間，教師備課效率提升40%，學生跨學科任務完成度提高65%。

（二）提升教師跨學科教學能力

要依托專業化的發展路徑，構建“理論—實踐—反思”三位一體的培養模式，提升教師的跨學科教學能力。強化教師對跨學科教育理念的認知程度，結合理論研修深化其對技術賦能科學思維內在邏輯的理解。搭建協作型教研平臺，通過聯合備課、課例研討等形式探索融合教學策略，形成跨學科教學設計范式。同時，要完善教師培訓體系，引入模塊化課程提升教師的復合型技能。建立持續反思機制，鼓勵教師持續優化教學實踐，如利用課堂觀察數據與學生思維表現分析技術應用的效果，逐步培養教師形成適應學科融合的教學智慧。

例如，某區教育局啟動“科技與科學融合工作坊”項目，組織信息科技教師與科學教師共同參與為期半年的培訓。培訓共分為三個階段：聘請專家實地舉辦講座，解析跨學科教學理念；開展“雙師課堂”授課實踐，信息科技教師演示用Python分析科學實驗數據，科學教師則設計傳感器支持的生態觀察任務；組織教師合作開發融合課程，比如“智能垃圾分類系統”，教師將電路原理與編程邏輯相結合。培訓結束后，參訓教師組成跨學科教研組，定期開展聯合備課與課例研討，顯著提升了課程設計的系統性與創新性。

（三）發展學生科學思維的路徑

教師應遵循“做中學”理念，將技術實踐與科學探究深度融合。可以設計真實情境任務鏈，引導學生運用跨學科知識解決問題，并在實踐中實現思維顯性化。

例如，某校依托校園氣象站項目，組織學生理解科學課中的氣候知識。學生利用傳感器采集環境數據，通過編程工具將溫濕度、風速等信息轉化為可視化圖表。在“極端天氣預警模型”設計中，學生需基于數據趨勢分析氣候規律，用科學原理解釋技術方案的合理性。教師同步引入思維導圖工具，幫助學生梳理“現象觀察、數據建模、結論驗證”的邏輯鏈條，強化實證思維與創新意識。此類實踐不僅打破了學科邊界，更促使學生在技術應用中深化科學認知，形成系統性思維框架。

四、結語

信息科技與科學學科的融合是培育學生科學思維的重要突破口。本文揭示了兩學科融合的理論價值，提倡實證思維與計算思維的有機整合。然而，實踐層面仍面臨課程整合不足、教師能力局限等現實挑戰。針對這些問題提出構建主題式融合課程、開發共享資源庫、強化教師跨學科培訓等策略，利用系統性改革打破學科壁壘。未來，需進一步探索融合課程的具體實施效果，關注技術迭代對教育場景的影響，同時加強政策支持與資源投入，完善跨學科評價機制。唯有持續深化理論與實踐的結合，才能真正實現“技術賦能科學思維”的教育愿景，為學生核心素養的發展注入創新活力。

參考文獻

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