科學可視化學習的設計與實施*

單道華

近年來，隨著科學課程的重視程度越來越高，科學課的師資力量、課時得到了有效保障，做中學、探究教學、合作教學、項目化教學等教學方法讓科學教學走向綜合化、結構化，提升了小學科學教學的整體水平。然而，在繁榮景象的背后也折射出一些隱憂：科學學習的有效因子沒有得到揭示，拿來主義、形式主義備課大量存在，過程性評價不足，終結性評價失范，學習設計須考慮的學情、資源、工具、策略缺乏可靠來源等。因此，我們需要揭示隱藏在學習行為背后的設計思維和決策依據，構建可操作的思維模型，從而提高科學教師的教學設計、實施、評價能力。

一、科學可視化學習設計的基礎

學習科學認為，學習是大腦神經網絡的改組，導致改組的兩個重要因素是有意義的實踐和不間斷且持續的評價、反饋、改進。有意義的實踐意味著學習必須變成學生自己的事情，學習必須發生在學生身上，學習必須按照學生的方式進行，且學習結果不是內隱的、虛無縹緲的，而是可見的、能表現出來的。相應地，評價活動應以學習成果為導向，伴隨學習過程即時進行，即通過不間斷且持續的評價反饋改進學習行為，以期最終實現預期學習結果。因此，教師應該以學習成果為導向，設計中間的路徑和體驗活動，幫助學生達成學習目標。這就是學習設計的基本思路。

1.理解科學學習的結果類型和發生過程

實施科學可視化學習設計需要對科學學習進行重新理解，尤其是理解科學學習的結果類型和發生過程。就前者而言，基于心智過程（人的行為過程），美國學者馬扎諾把學習分為6 大層次21種（見表1），從回想到動機檢查，涉及認知系統、元認知系統和自我系統。這種分類能照顧核心素養的方方面面，是比較理想的學習結果劃分方式。就后者而言，科學可視化學習要以核心素養發展為導向，以一個或數個表現型任務貫通學習全過程，強調在真實復雜的任務中綜合運用知識技能解決問題。從接觸到完成表現型任務，學生一般會經歷以下過程：一是理解表現型學習任務，二是開展背景學習與調查，三是設計和確定問題解決方案，四是測試和驗證解決方案，五是評價和改進解決方案，六是展示學習成果以及反思。

表1 馬扎諾分類學加工層級分類

2.開發刻畫關鍵行為或特征的學習表現評價工具

學習表現評價工具包括表現標準和量規。表現標準不同于內容標準，其界定了學生對學習內容要掌握的程度或成就水平。量規旨在消除教師對學生學習表現評分時的主觀因素，幫助學生明確他們的學習表現將如何被評分以及高質量表現的應然樣態。表現標準和量規通過描述關鍵行為或特征，能快速幫助教師找到學生的優勢和短板，助力學生核心素養發展。

3.揭示研讀過程方法，讀懂教材和學生

讀懂教材和學生是進行學習設計的基本要求。教材是教師進一步認識學生、領悟教學的鑰匙。但教材只呈現了學習活動及序列，其壓縮了概念誕生和應用的信息，隱含了學習價值和困難。因此，教師應深入研讀教材，把握學情，借助觀察、已有教學經驗、角色體驗推測學生參與的表現，整體推斷吸引學生的學習元素，學生完成學習任務的主要困難，并以此來摸清教學難點，明晰育人目標。對此，教師可以借助教材研讀流程圖（見圖1）進行教材研讀。

圖1 教材研讀過程

二、科學可視化學習設計的操作模型

科學學習的過程表明，學習成果的好壞取決于學習過程中學生實際做了什么。據此，學習設計的過程包含4 個階段，構成一個閉環（見下頁圖2）。每個階段都有相應的關鍵行為和實施要求。

圖2 科學可視化學習的設計過程

1.分析階段

全面分析學情、解讀教材是此階段的核心任務。此階段，教師要通過閱讀教材文本，分析涉及的學習內容和基本要求，確定學生需求和教師需求；分析學生的學習基礎，預設學生初始行為及特征，如經驗基礎、能力基礎、工具基礎和態度基礎，并綜合師生需求和當前學情兩方面的分析結果，確定育人目標，界定學習結果與證據。

2.設計階段

科學可視化學習設計涵蓋6 個主體環節。第一，基于學情和“學用結合、理趣相融”的原則創設學習環境，設置表現型學習任務。第二，圍繞表現型任務識別學習障礙，為規劃學習過程奠定基礎。思考內容包括“在規定的時間內，學習活動是否能得到充分開展？”“解決問題的過程中他們會遇到哪些困難？可能需要哪些支持？”“怎樣的學習環境能激發學生的主動性和創新精神？”。第三，適應科學學習活動的特點，將“做思共生、協同工作、評價增能”等教學策略具體化。思考內容諸如“如何順應？如何推動？”“會產生何種認知沖突”“任務可以分解成哪些更小的工作？需要幾人完成？”“是否需要向學生提供詳細的學習評價工具，比如量規或測量工具？”等。第四，本著“抱誠守真、去偽存真、不斷優化”的精神，利用來自學生、學校、生活、區域的教學資源（個人見聞、新聞、實物操作等）補充有關信息，搭建適合的學習支架（思考清單、學習單、評價量規、閱讀資料等）。第五，按照完成表現型任務的過程，統整教師的教和學生的學，形成一個有結構、有組織的活動序列。第六，按任務完成的過程，運用科學課教學細節矩陣（見圖3）評估教學，從12 個方面對每個教學模塊進行自評或他評。

圖3 科學課教學細節矩陣

3.實施階段

實施階段即落實預設的教學方案，主要包含準備學習活動和執行教學方案兩項任務。準備學習活動主要指教師根據教學方案逐一確定每個教與學環節所需要的材料、工具以及教學所需要的特殊環境。其中，科學課堂教學所需要的材料包括活動手冊、學習單、實踐工具（含觀察、實驗、制作、研討工具）、實踐材料等建構型材料，科普讀物、圖片、視頻、模型、實物等知識提取型材料。執行教學方案時，教師應引導學生完成表現型任務，主動獲取信息，主動尋求問題解決方案，主動反思評價改進，主動合作；應采用多樣化教學手段支持學生學習，在課堂上著力創造讓學生主動學習、勇于負責的氛圍，在學生研究遇阻時適時給予點撥引導，并根據學習證據、量規實施形成性評價。

4.完善階段

教學方案總會存在瑕疵，因此，基于表現型學習成果和證據進行適當的調適和改進是必須的。教師要評估學生在多大程度上達到了要求，思考是否需要調整任務要求和評價量表，活動計劃的調整需要哪些支持條件，學生是否有信心完成調整后的活動計劃等一系列問題，以期為下一次學習目標的達成提供保障。

三、科學可視化學習操作體系的合理性

對教師而言，知道“為什么”比知道“是什么”更具意義。我們不僅要向教師提供科學可視化學習設計的程序性知識，還要闡述其背后的道理和思考。

1.核心主張——教與學的過程及結果清晰可見

研究表明，教師或學生若在學習活動之初就收到評價量表，并用它對自己的教與學進行持續性的自我評價，就能獲得更為顯著的教學成果，對自己和他人的學習成果也會形成更加深入的評價。因此，對教師和學生來說，基于評價量表的清晰可見的教與學過程與結果至關重要。

2.核心策略——指向學習者的自我驅動

我們不能逼迫學習者學習，而應當讓學習者自己驅動他們的學習歷程，為此，科學可視化學習采用逆向設計，讓所有學習活動“始于目標”“終于成果”；倡導“以用促學”，通過輸出型的表現型任務倒逼輸入型學習，促進學習者理順知識脈絡，讓學習過程更連貫，學習成效更高；主張“以評導學”，通過持續的展示、基于證據的評價、自我評估和反思，幫助教師和學生自我反思，查漏補缺，進而采取更好的行動不斷向目標和結果靠近。

“以教助學”也是科學可視化學習的核心策略之一，其對教師的教提出了更具針對性、適應性與應用性的要求。從認知負荷理論角度看，學習者在面對復雜的表現型學習任務時會產生較高的認知負荷，這不利于有效學習的發生。鑒于此，教師可以給學習者提供一份任務清單，也可以根據學習情境為學生提供學習資源。除此之外，科學課程學習支架還有很多，如操作步驟、思考清單、關鍵問題、結構性材料、關鍵信息、學習伙伴、作品量規、關鍵人物等。

3.應用成效——學習質量和專業能力的雙重提升

科學可視化學習的設計與實施對學生學習質量的提升和教師專業能力的提升具有重要意義。對于學生而言，科學可視化學習可以使他們在質量更高的學習任務中獲得更充分的學習體驗，更精準的教師指導以及更及時的學習反饋，從而使學生的學習興趣、參與度、自主性、自信心不斷提升，理解能力、思維能力、問題解決能力顯著提高。對于教師而言，可視化學習的設計與實施打開了科學學習的暗箱，其視教學為工程活動，通過建構學生科學學習的過程模型，指向素養的學習結果模型，研讀科學教材的過程模型與工作清單以及可視化學習的設計模型與工作清單，使教師進一步增進對課程目標、教學過程及學習過程的理解，積累豐富的以學習為中心的教學實踐性知識。