應用程序在科學課堂中的實踐初探

江蘇省啟東市紫薇小學 龔凱健

2019年4月2日，教育部發布《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》（以下簡稱《意見》），《意見》明確提出，支持有條件的學校主動應用互聯網、大數據、虛擬現實、人工智能等現代信息技術，探索跨學科教學、智能化教育等教育教學新模式。隨著智能手機和平板電腦的普及，智能移動終端早已成為人們日常生活中不可或缺的工具，它讓互聯網、大數據、虛擬現實、人工智能等現代信息技術入駐課堂成為可能，而應用程序（APP）則是實現這種可能的重要途徑之一。

一、APP在科學課堂中的技術優勢

科學課程以培養學生的科學素養為宗旨，其課程內容涵蓋物質科學、生命科學、地球與宇宙科學、技術與工程科學等四個領域，與中學的物理、化學、生物、地理等學科相銜接，重在培養學生對科學的興趣、正確的思維方式和學習習慣等。探究活動是科學課程實施的主要方式，考慮到學生的認知水平，其在實施過程中需要大量簡單、直觀的事實作為學生的學習基礎，而APP的應用能高效地提供這樣的事實。

（一）數據的收集整理

數據的收集整理是學生探究活動的重要環節。學生一般以小組為單位收集數據并完成紙質記錄，教師收齊各組記錄后，以實物投影的方式進行數據展示和匯總，進而整理、分析數據以得出結論。這樣的數據處理存在兩個問題：一是數據涵蓋面不廣，基本是以小組數據為藍本進行分析，然后歸納出某個事實，容易犯不完全歸納的毛病；二是數據分析相對抽象，難以形成直觀的圖表，給結論的獲得帶來困難。

在APP中融入數據在線收集功能，能很好地解決上述兩個問題，讓學生的科學學習更嚴謹。如圖1為“水中熱的傳遞”實驗裝置圖，學生需要檢測燒杯中間底部1號點、邊緣底部2～4號點、中間上部5號點、邊緣上部6～8 號點共八個點的水溫變化。圖2、圖3、圖4是小組活動的數據記錄。在數據輸入的同時，系統自動生成折線圖，讓各個點的水溫變化一目了然。觀察圖2和圖3，我們容易發現，中間底部1號點的水溫變化起伏較大，而圖4中間底部1號點的水溫變化起伏就沒有其余兩組明顯。三個小組的數據顯示，除中間底部1號點，其余各點水溫稍有起伏，整體平穩上升。圖5為綜合各組數據后取平均值得到的信息。我們通過對所有數據進行分析，可以得到與圖2、圖3基本相同的信息。

圖1

圖2

圖3

圖4

圖5

（二）事實的虛擬呈現

科學課程中的很多微觀、宏觀事實不容易被直接觀察，如生命科學領域的“人體內部構造”、地球和宇宙領域的“日食和月食”、物質科學領域的“溶解現象”等。而利用APP能模擬這些事實。

在APP動態視圖中，我們容易觀察到“心臟舒張，瓣膜打開，血液進入心臟，心臟收縮，血液被泵出心臟”的過程，而屏幕右下角的腳步可以通過控制速度來模擬人的運動量，步速越快，心臟跳動得就越快。在學生了解心臟的工作方式后，教師給出一組模擬心臟工作的實驗材料（如圖6），就可以使學生厘清實驗材料和被模擬對象之間的對應關系：滴管模擬心臟，擠壓滴管模擬心臟收縮，滴管恢復原狀模擬心臟舒張，輸液調速器模擬瓣膜，紅色液體模擬血液。

圖6

（三）過程的真實展示

在科學探究活動中，某些過程性學習材料作為學生的第一手觀察數據，需要在后續學習中再次被使用，而單純拍照上傳或實物投影展示的方式既煩瑣又無法清晰顯示細節。而APP的無線實時傳送功能能方便快捷地實時展示或回放，讓學生能關注到更多細節。常用的APP如“希沃授課助手”等。

圖7為學生在觀察水加熱時水中木屑的運動，通過“希沃授課助手”的文件上傳功能將其呈現在大屏上，學生利用視頻回放再次呈現先前的觀察過程，結合視頻匯報闡述，讓其他學生更直觀地了解其想法?！跋Ｎ质谡n助手”的移動展臺能以直播的形式展示整個演示過程，通過鏡頭的放大讓所有學生清晰地看到木屑在水中的運動這一細節。

圖7

二、APP在科學課堂中的應用現狀

（一）科學學習類APP現狀

2011年，我國在線教育類APP首次出現，到2020年，我國在線教育市場規模達到了4858億元。劉丹等人在《移動教育APP的研發現狀與應用問題分析》一文中將國內的學習類APP分為電子閱讀類、中小學教學輔助類、幼兒認知啟蒙類、外語培訓類、職業教育考試類等。根據2021年5月中小學教育類APP數字用戶洞察調查（如圖8），我們發現，排行靠前的APP都屬于中小學教學輔助類，所有該類APP均可以免費注冊和使用，但在具體使用過程中，所有免費教育APP軟件均提供教學內容的“APP內購買”服務，軟件及部分內容免費但同時提供收費內容。相對于排行靠前的教育類APP，科學學習類APP在知曉率、使用率、留存率等方面遠遠落后，且面向的用戶群體以學齡前兒童為主（如圖9）。

圖8

圖9

（二）APP在科學課堂中的應用現狀

APP已然成為人們重要的生活及學習的輔助程序，越來越多的教師嘗試在課堂中應用APP來提升教學效率。有的教師在實踐的基礎上，把常用于科學課堂的APP歸為四類：生物類（形色識花、賞花識花、百度識圖、微軟識花等）、化學類（燒杯BEAKER）、物理類（NB物理實驗）、地理類（地球萬象）；有的教師在教學實踐中把手機作為移動展臺來使用；還有的教師將手機常用的手電筒、計算器、指南針、水平儀、放大鏡等用來代替一些實驗器材。這些教師在科學課堂實踐中對于APP的應用進行了不同的嘗試，使科學課堂變得更生動、直觀，為一線科學教師提供了經驗。

常規科學課堂的教學依托的是教材，上述各位教師都是把某個APP運用到某一特定的教學內容中，這需要教師根據不同的教學內容去搜尋合適的APP。要想讓APP應用成為科學課堂的常態，教師就需要研發與教材相配套的科學學習類APP。

三、科學學習類APP的研發原則

關于學習類APP的研發，國內外已有相當多的研究。國外的研究有介紹APP界面設計的概念、方法和內容，闡述“目標導向設計”的研發方法，為設計者基于用戶體驗的設計提供指南的；也有基于電子產品設計實踐，提出交互設計原則和策略的。2015年4月，美國教育部教育技術辦公室發布了《教育技術開發人員指南》，明確了教育APP開發的一般流程：初期調研—創建模型—評估反饋—持續發展。國內有研究者認為，教育類APP應具備移動化、社交化、游戲化、個性化、智能化、情境互動化等特征；也有人指出，教育類APP不能盲目追隨市場，其開發應該緊跟我國教育改革的方向，以教育理論為指導，符合教育發展規律，促進以學習者為中心的教學模式的發展，充分發揮學習者的主體地位，促進學習者的創造性培養。這些研究成果對于科學學習類APP的研發極具學習借鑒作用，具體到科學學習類APP的研發實際，可以概括為以下幾個原則：

（一）同一性

科學學習類APP面向的是所有科學教師和學生，為方便師生使用，APP要保持與教材的同一性。不同區域可以根據各自教材研發與本區域相適應的APP，可以以“冊”為單位組織研發。這一工作可能需要科學教師團隊的共同參與。在同一性的基礎上，學校要鼓勵教師自主研發符合區域、班級實際的個性化APP。

（二）公益性

現有的眾多教育類APP都是商業化運作模式。大部分教育類APP雖然宣傳免費使用，但都提供教學內容“APP內購買”服務?？茖W學習類APP以提升學生科學素養為宗旨，追求如何在有限的科學學習時間內最大限度地讓學生掌握更多的科學知識、形成更高的科學技能、培養更真的科學態度。科學學習類APP的研發過程就是對教材、學生的研究過程，是教師本職工作的一部分，因此，其最終的研發成果都應是公益的。

（三）時控性

2018年8月30日，教育部、國家衛生健康委員會等八個部門聯合印發的《綜合防控兒童青少年近視實施方案》和2021年1月15日，教育部辦公廳印發的《關于加強中小學生手機管理工作的通知》等，都對學生使用手機提出了明確要求?？茖W學習類APP的應用必須借助智能手機或平板電腦等智能移動終端設備。所以，進行APP研發時，教師一定要把握時間?？茖W學習的主要方式還是探究活動，APP只是學生學習的一個輔助程序，重在引導學生參與探究。教師切忌把APP當作閱讀文本和觀看視頻的科普工具。

（四）融合性

不同的教學內容會直接影響APP的設計，但是，APP也有一些通用功能。所以，在進行APP研發的整體規劃時，教師應考慮設置通用功能區，可以融合輸入功能（如錄音、攝像、照相等）、傳輸功能（終端機間的文件傳輸）、文件處理功能（文本處理、圖像處理、數據處理等），以方便學生在課時學習過程中的使用。

《意見》關注的是現代信息技術在課堂中的實踐。APP相對于PPT來說，更具實時性、互動性，對于教師的現代信息技術能力也提出了更高要求，需要教師不斷提升自身現代化信息技術能力，為探索跨學科教學、智能化教育等教育教學新模式而努力。