利用數(shù)字教材促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的策略研究

梁東紅

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出，科學(xué)思維是科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的重要構(gòu)成，是從科學(xué)的視角對客觀事物的本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及相互關(guān)系的認(rèn)識方式，主要包括模型建構(gòu)、推理論證、創(chuàng)新思維等要素。這些要素不僅是學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)必備的關(guān)鍵能力，而且是他們進(jìn)行技術(shù)與工程實踐的核心思維方式，還可以遷移用于學(xué)習(xí)其他領(lǐng)域知識[1]?？茖W(xué)思維始終是國際科學(xué)教育研究的熱點。培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)思維能力是科學(xué)教育的重要目標(biāo)，也是科學(xué)學(xué)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(xué)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(xué)所需的常規(guī)功能和備授課工具，又有學(xué)科特有的小工具，還支持智能終端，適配多種系統(tǒng)。教師應(yīng)用數(shù)字教材的操作交互和信息交互功能進(jìn)行課程創(chuàng)新，有利于提高學(xué)生科學(xué)思維能力。筆者以教學(xué)“輪軸”為例，分析數(shù)字教材助力學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的教學(xué)策略。

一、課前：推送學(xué)習(xí)資源，搭建思維支架

前概念是學(xué)生建構(gòu)新舊科學(xué)觀念的橋梁，是學(xué)生進(jìn)行探究實踐的起點，是教師選擇教學(xué)方法的依據(jù)，具有內(nèi)隱性、個體性等特點。維果茨基認(rèn)為：在成人適當(dāng)?shù)膸椭?，兒童可以完成他獨自無法完成的任務(wù)，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(xué)生構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)，促進(jìn)前概念的順應(yīng)和同化，使之向“科學(xué)概念”轉(zhuǎn)化，培養(yǎng)學(xué)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(dǎo)學(xué)任務(wù)，創(chuàng)設(shè)真實問題情境，暴露學(xué)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(dǎo)學(xué)生針對問題自主探究。在思維支架的支撐下，學(xué)生在思維活動中學(xué)習(xí)，思維水平從低階逐漸轉(zhuǎn)為高階，同時在學(xué)習(xí)活動中提高思維能力。

在小學(xué)科學(xué)五年級“簡單機(jī)械”中輪軸知識的教學(xué)中，教師引導(dǎo)學(xué)生在比較中認(rèn)識輪軸裝置的結(jié)構(gòu)特點；通過實驗，引導(dǎo)學(xué)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(yīng)用并分析其特點和受力情況。

為了解學(xué)生關(guān)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(shè)計了“初擰螺絲釘—改進(jìn)螺絲刀—再擰螺絲釘”的課前導(dǎo)學(xué)任務(wù)。學(xué)生動手操作發(fā)現(xiàn)使用細(xì)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(dǎo)學(xué)案”。學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗改進(jìn)細(xì)柄螺絲刀，利用數(shù)字教材的筆記流轉(zhuǎn)功能，將自己的想法通過畫或?qū)懙姆绞酵扑徒o教師。隨后，學(xué)生再擰螺絲釘，使用筆記流轉(zhuǎn)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(xué)生自評作品，備注改進(jìn)建議。

“擰螺絲釘”導(dǎo)學(xué)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(dá)感受。

第二步：思考如何改進(jìn)。

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(shè)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(xì)則見表1。

第三步：思考還有哪些改進(jìn)空間。

按照課前導(dǎo)學(xué)流程，學(xué)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(xué)思維特質(zhì)。例如，學(xué)生在“細(xì)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(xué)生將信息轉(zhuǎn)化為適用于問題情境的結(jié)構(gòu)化知識，增加一個類似輪的裝置，改進(jìn)螺絲刀輕松擰螺絲釘。學(xué)生使用筆記流轉(zhuǎn)功能對不同維度的信息進(jìn)行分析、歸納、綜合。在此基礎(chǔ)上，教師通過交互式電子白板呈現(xiàn)學(xué)生的典型做法，引導(dǎo)他們進(jìn)行比較分析，相互補充，思維碰撞，形成一般性結(jié)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(xué)生思維水平。

二、課中：使用交互功能，發(fā)展科學(xué)思維

數(shù)字教材除了筆記流轉(zhuǎn)、資源分享等功能，還可以通過計算機(jī)、平板電腦等移動終端設(shè)備發(fā)揮交互學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)資源的移動設(shè)備，能夠創(chuàng)設(shè)數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的學(xué)習(xí)空間和環(huán)境，具有豐富靈活的交互功能，有利于促進(jìn)學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變。利用電子書包移動終端設(shè)計高階學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)活動，實現(xiàn)數(shù)字教材平臺資源對科學(xué)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(gòu)能力

模型建構(gòu)作為一種認(rèn)識手段和思維方式，是以經(jīng)驗和事實為基礎(chǔ)，對客觀事物進(jìn)行抽象和概括，尋找關(guān)鍵因素，弄清關(guān)鍵因素之間的關(guān)系和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立對科學(xué)事物本質(zhì)屬性、內(nèi)在規(guī)律及事物間相互關(guān)系的間接和概括的反映，是科學(xué)解決復(fù)雜問題的途徑，有助于學(xué)生對概念、過程和系統(tǒng)的理解。

在“輪軸”一課教學(xué)中，首先，教師借助數(shù)字教材平臺引導(dǎo)學(xué)生交流課前導(dǎo)學(xué)任務(wù)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(xì)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(jié)構(gòu)，科學(xué)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(xué)生進(jìn)行“擰瓶子”游戲體驗輪軸作用，討論設(shè)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(yīng)活動，利用電子書包移動終端提供Flash動畫演示，轉(zhuǎn)動外圈的輪，帶動內(nèi)圈的軸轉(zhuǎn)動，用內(nèi)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(xì)的螺絲刀手柄，將手柄粗細(xì)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(xué)生與數(shù)字資源的信息交互，構(gòu)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(shè)可視化教學(xué)情境，提供交互探究工具，通過動態(tài)模擬，學(xué)生的思考更積極，探究更深入，引導(dǎo)學(xué)生從實際問題中提取出科學(xué)問題，并在抽象概括客觀事物基礎(chǔ)上進(jìn)行模型建構(gòu)，提高科學(xué)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(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維還包括推理論證，是從已知的科學(xué)命題得出新命題的思維過程或思維形式。進(jìn)行推理論證時，要以科學(xué)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(jìn)行解釋說明，建立證據(jù)與解釋之間的關(guān)系，因此，推理論證是需要運用多種高水平認(rèn)知的復(fù)雜思維活動過程。

“輪軸”一課教學(xué)的重要內(nèi)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(xué)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(xué)。接著，在設(shè)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(biāo)識、數(shù)據(jù)記錄、即時反饋、共享交流等方式，引導(dǎo)學(xué)生從控制變量的角度建構(gòu)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(guān)界面，學(xué)生通過操作交互、信息交互，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)之間的關(guān)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(xué)結(jié)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(fù)雜的問題簡單化，引導(dǎo)學(xué)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(guān)聯(lián)，提升學(xué)生思維能力。

（三）在應(yīng)用遷移的過程中反思評價，培養(yǎng)批判思維能力

科學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)中的科學(xué)思維提及的質(zhì)疑批判，是基于客觀事實和推理論證，對不同觀點或結(jié)論質(zhì)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(xué)探究活動結(jié)束后，針對教學(xué)目標(biāo)，結(jié)合學(xué)生的生活實際，創(chuàng)設(shè)問題情境，引導(dǎo)學(xué)生以分析、判斷、辨別等思維活動進(jìn)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(xué)總結(jié)時，教師運用電子書包推送學(xué)習(xí)資源的系統(tǒng)功能，為學(xué)生發(fā)送在線課堂作業(yè)題：（1）找一找自行車上的輪軸結(jié)構(gòu)；（2）設(shè)計螺絲刀時，當(dāng)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(xué)生利用數(shù)字教材平臺圈畫標(biāo)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(yīng)用到其他情境中，學(xué)習(xí)方式從識記主導(dǎo)升級為運用主導(dǎo)，更學(xué)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(jìn)高階思維品質(zhì)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(xué)生思維與表達(dá)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(lǐng)域、溝通、實踐，其中領(lǐng)域是指學(xué)生相互間關(guān)注的問題；溝通是指學(xué)生之間分享交流，相互學(xué)習(xí)；實踐是指學(xué)生在某個問題上借助溝通進(jìn)行思考并運用知識解決實際問題，接受實戰(zhàn)訓(xùn)練。三者相互協(xié)調(diào)，共同發(fā)揮作用，促使學(xué)生形成應(yīng)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(jìn)行批判性分析，實現(xiàn)真實性學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

借助網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間，開展協(xié)同實踐學(xué)習(xí)。網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間是由教育部門或?qū)W校認(rèn)定，融資源、服務(wù)、數(shù)據(jù)為一體，支持共享、交互、創(chuàng)新的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)場所[4]。其學(xué)習(xí)資源由有限文本教材轉(zhuǎn)向無限數(shù)字資源；學(xué)習(xí)環(huán)境由單個微觀轉(zhuǎn)向多個宏觀；師生交互由固定空間轉(zhuǎn)向跨越時空。

“輪軸”一課課堂教學(xué)結(jié)束后，教師通過數(shù)字教材平臺推送“古代轆轤”視頻，學(xué)生了解古代轆轤是利用輪軸原理制成的一種簡單機(jī)械；學(xué)生通過網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)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(xué)生利用網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間繪制并闡述自己的設(shè)計圖，針對他人設(shè)計提出意見，在線充分討論后，重新審視、修正完善設(shè)計方案；（2）學(xué)生線下制作模型；（3）學(xué)生線上互訪空間，發(fā)表意見，質(zhì)疑評論，判斷可行性；（4）學(xué)生再次利用空間提交作品，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對作品進(jìn)行客觀科學(xué)評價。

基于網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間，建立實踐共同體。學(xué)生經(jīng)歷了明確問題、設(shè)計方案、實施計劃、檢驗作品、改進(jìn)完善、發(fā)布成果等過程。每次討論評價、制作改進(jìn)都是后續(xù)打破定式、制作完善的基礎(chǔ)，而在反復(fù)溝通、實踐、創(chuàng)造的過程中，提升學(xué)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(xué)中的核心活動，科學(xué)思維是科學(xué)學(xué)科最本質(zhì)的特征，是適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展的關(guān)鍵能力。筆者以培養(yǎng)學(xué)生學(xué)科核心素養(yǎng)為導(dǎo)向，分析總結(jié)基于數(shù)字教材促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展的策略，設(shè)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(xué)思維—課后建立實踐共同體，培養(yǎng)創(chuàng)新能力”的信息技術(shù)融合創(chuàng)新教學(xué)模式、新路徑，以期提升學(xué)生科學(xué)思維水平，實現(xiàn)科學(xué)學(xué)科育人目標(biāo)。

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

參考文獻(xiàn)

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

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

[4] 郭炯，鄭曉俊.“人人通”如何走向“人人用”——解讀《關(guān)于加強網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間建設(shè)與應(yīng)用的指導(dǎo)意見》[J].中小學(xué)數(shù)字化教學(xué)，2019（5）：24-28.

（作者系福建省福州市倉山區(qū)教師進(jìn)修學(xué)校教研員）

責(zé)任編輯：祝元志