小學科學融合數字技術教學提升學生科學觀察能力與思維發展水平

隨著智能時代的到來，數字技術在教育領域的應用日益廣泛，成為推動教育變革的重要力量。胡衛平等學者在《智能時代的教育變革：思維型教學理論引領“技術賦能教學”》中指出，技術賦能教學要直面實踐困境，思維型教學理論可通過學科整合促進學生思維發展。本研究結合虛擬實驗技術，探索其在小學科學教學中的實踐路徑，旨在解決傳統教學中觀察深度不足、思維訓練薄弱的問題。通過實證研究，提出更具針對性和有效性的教學建議，為小學科學教學提供有力支持。

一、數字技術在小學科學教學中的應用現狀

1.教學資源的豐富化與生動化。數字技術的融入為小學科學教學帶來了豐富的資源和生動的表現形式，通過多媒體教學、虛擬現實(VR）、增強現實（AR）等技術的應用，改變記錄方式、提供科學思維的有效材料以及促進學科整合等，有效促進學生思維發展，極大地提升了學生的學習興趣和理解能力。這種多樣化的資源展示不僅有助于學生深入理解科學知識，而且為學生批判性思維的培養奠定了堅實的基礎。

2.教學模式的創新與多樣化。數字技術正在改變我們學習的方式，讓課堂變得更加靈活，如翻轉課堂和項目式學習。這些方法主要是為了讓學生自己動手學習，和別人一起合作，以提高他們設計實驗、分析數據和推理結論的能力。數字技術跟各種學習方法結合起來，能讓學習變得更深入，觀察事物更準確，知識也更容易整合在一起。技術還提供了很多探索學習的工具，如虛擬實驗，讓學生可以在安全的環境下嘗試各種實驗，培養科學探索能力。

3.個性化學習與思維培養。智能教學系統能夠根據學生的學習風格動態調整教學內容，而AI助手則實時提供學習進度的反饋。這種個性化的學習方法顯著增強了學生的批判性思維和問題解決能力。以“模擬安裝照明電路”課程為例，學生利用虛擬仿真軟件繪制電路圖并檢驗其可行性，發現并分析問題，總結經驗，調整設計圖，反復測試，能有效地促進學生思維能力發展。

二、案例分析：數字技術對學生科學觀察能力與思維發展的影響

（一）案例一：“古代生物多樣性”教學案例分析

1.教學挑戰

“古代生物多樣性”主要借助化石資料揭示已絕種生物的樣貌，并與現存生物進行比較分析。學生對恐龍等生物有所了解，但對古代生物所處的時代背景知之甚少。如何引導學生深入理解主題并進行論證式學習，構成了本課程的一項挑戰。

2.教學效果對比

對比傳統文本閱讀論證教學與結合虛擬實驗技術的論證教學發現，常規班級學生主要通過閱讀來搜集證據，受探究時間限制，交流和分析環節較為短暫，學生的參與度和思維能力的發展受限。而實驗班級的學生利用3D跟蹤眼鏡和觸控筆等虛擬實驗技術，進行多維度的操作和深入的探究，顯著提升了論證學習的效率。該技術不僅豐富了學習資源，還激發了學生的學習興趣，提高了學習效率。

3.關鍵教學環節分析

環節一：利用虛擬實驗技術觀察化石。學生利用虛擬實驗技術對恐龍與猛犸象的化石進行觀察，提取信息以推斷古代生物的形態特征及生活習性，并與現代生物進行比較分析，闡釋生物進化問題。學生綜合運用生物學、地質學以及環境科學等多學科知識，運用觀察力和推理能力來分析并解決問題。通過這一過程，學生的比較分析能力和邏輯推理能力得到了鍛煉，這有助于他們構建科學概念，并深入理解進化論的基本原理

環節二：交流匯報。在這一環節，學生展示自己的發現，依據發現解決“推測當地在遠古時代的地貌”等實際問題，并分析證據與現代生物的關系，初步認識生物進化的原因。這種互動促進了學生的批判性思維，加深對地理科學概念的理解。

環節三：實際觀察化石并解決問題。在虛擬實驗的觀察之后，學生親自觸摸和審視真實的化石樣本，這種多感官的體驗進一步增強了他們的觀察力和感知能力。學生將理論知識與實際觀察相結合，運用批判性思維和分析能力來解決問題，實現了從虛擬到現實的過渡，檢驗并鞏固了知識，提升了科學探究和解決復雜問題的能力。

（二）案例二：“模擬安裝照明電路”教學案例分析

1.課程目標與調整

“模擬安裝照明電路”作為電路單元學習的總結課程，屬于科學與工程實踐課程，重點引導學生將所學的電路知識應用于工程設計實踐。教師根據新冠疫情背景，將教學情景設定為對學校校醫室進行改造，安裝紫外線燈和照明燈，并對教材內容進行調整。

2.關鍵教學環節分析

環節一：根據情景要求畫出電路設計。學生以主人公的視角分析任務，通過小組合作討論房間的布局、燈具特點，初步畫出設計圖。在交流匯報環節中，教師引導學生共同探討，分析設計圖的優劣，進行反思修正。這鍛煉了學生的分析與綜合思維能力，培養了批判性思維和創新思維，加深了對電路設計整體概念的理解。

環節二：運用虛擬實驗進行虛擬安裝電路。在繪制出設計圖之后，通過虛擬仿真實驗進行虛擬安裝，檢驗設計圖的可行性，學生平均發現了3.2個設計問題。學生分析總結問題，調整設計圖并反復測試。這促進了學生思維能力的發展，培養了自主建構知識、解決能力和決策能力。

環節三：實物模擬安裝照明電路。繼虛擬安裝之后，引入實物模擬安裝環節。實物操作的直觀性使學生能將抽象的電路理論知識轉化為具體的實踐經驗，促進了學生邏輯思維和系統思維的發展。同時，面對實際操作中的挑戰，學生需要評估自己的設計方案，識別問題并提出解決方案，這不僅激發了他們的創新思維，也鍛煉了批判性思維。

環節四：總結和反思。在總結與反思環節，學生通過自我評價和監控，深人理解自己的學習策略與思維過程，從而提升學習的自我調節能力。虛擬測試的引入，幫助學生提前發現設計缺陷，優化方案，降低現實操作中的材料損耗和工程風險。這一過程不僅培養了學生的元認知能力，還讓他們意識到虛擬測試是科學家和工程師降低風險、優化方案的重要手段，是科學探究與工程實踐不可或缺的環節。

三、結論與建議

（一）研究結論

數字技術顯著提升了學生的科學觀察能力與批判性思維，尤其在虛擬實驗與實物操作結合時效果最佳。技術應用需注重虛擬模擬與真實體驗的互補，以及技術輔助與傳統教學的融合。

（二）教學建議

1.情境化設計。將虛擬實驗融入真實問題情境中，以點燃學生的探究熱情。例如，在“古代生物多樣性”課程中，設計“恐龍化石挖掘”任務，讓學生通過虛擬實驗模擬考古過程，識別化石特征并推測生物習性。

2.動態調整教學。依據課堂觀察和學生反饋，實時調整教學內容。例如，在“模擬安裝照明電路”課程中，記錄學生在虛擬安裝中的表現，識別常見錯誤并優化教學策略。

3.跨媒介學習。設計“虛擬推測 $$ 實物驗證”的學習流程，以強化知識遷移能力。例如，學生首先通過虛擬實驗觀察3D化石模型，隨后觸摸真實化石樣本，以驗證他們的推測，從而提升觀察的精確性。

4.合理利用數字資源。通過多媒體課件和虛擬實驗軟件豐富教學內容，同時確保學生有充足的機會接觸真實樣本，以避免過度依賴技術。

參考文獻：

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