以數字教材為載體的小學生科學素養培養策略

北京教育科學研究院 李 敏

新課改后的新教材要求將新的課程理念轉化成可操作的教學活動，以教材推動從上到下的課程理念落地。紙質教材作為課程標準落地與課堂教學間的橋梁，具有系統性、科學性等特點。因此，技術與教育的深度融合需要變革核心的學習載體“教材”，數字教材作為核心的數字資源有助于提升教育公平。數字教材以紙質教材為藍本，進行學習內容的富媒體化，帶來了技術、課程目標、學習內容、學習方式的系統性融合，以數字教材的途徑來推動教育的規模化發展與學生的個性化成長，因此在教育數字化轉型過程中有著不可替代的價值和作用。數字教材鼓勵學習者以不同于印刷書籍的方式探索和關聯學習材料，它們激發了學習者挖掘主題并搜索相關信息的愿望，在設計數字教材時重要的是包括有效的多媒體和互動元素，可以為學習者提供腳手架。但是教師如何把數字教材的設計意圖融入他們關于教和學的思考中，如何利用數字教材帶來教與學的深刻變革，形成數字化學習的規律、方法、途徑等的認識，需要實踐和研究的持續跟進。

一、數字教材的內涵、特征與功能

（一）數字教材的內涵

本研究所應用的科學數字教材以現行的紙質教材為依托，依據教育教學原理對科學教材進行“以學習者為中心”的重新設計，用信息技術工具進行開發，遵循學生學習規律、符合課程目標要求、通過電子屏幕呈現的數字化資源的集合，集“移動終端+教育內容+服務平臺”為一體的學習環境。在本研究中，數字教材提供了一種數字化學習環境。

（二）數字教材的特征

在本研究中，結合小學科學學習的特征和一線實踐調研需求，所應用的數字教材具有以下特性：（1）富媒體性：創設科學學習的情境，能集成文字、圖片、音視頻、動畫、3D模型等富媒體內容，使得學生多感官感受科學對象，使得信息加工更全面，學習更加立體，使科學可觸及、容易理解。（2）交互性：通過點擊、輸入、反饋等多種交互的方式來呈現學習資源、學習活動、學習任務、學習評價等，促進學生與教師、學生與學生、學生與機器、教師與機器之間的互動，促進教師和學生觀點可視化，鼓勵合作和交流。（3）開放性：可以實現內容隨時隨地使用與更新，內容組織也是開放靈活的。（4）模塊化：對每個學習任務打上標簽，可以實現學習內容的動態模塊化重組，建立個性化的教學邏輯和個性化的、網狀的知識體系。（5）個性化：集成多媒體化、交互性、開放性、模塊化等功能，最終達成的是學生學習的個性化，學生依賴具體情境的課堂生發，以注釋、書簽、電子痕跡等方式留存在教材中，促進學習的自主性，進行整合反思，提高科學學習的個人相關性。

（三）科學數字教材的具體功能

1.突出前概念和情境，關注學習的真正起點

每個學生在進入課堂前，針對當下要學習的內容，都已有不同程度的經驗，頭腦中存在很多相關的原有認識和思維方式，具有很大的個體差異，在很大程度上決定著學生對新知識的理解情況。學生在處理問題，尤其是復雜問題或陌生情境時往往會使用前概念。安德烈·焦爾當認為，“在進行概念和方法學習時，一個新信息很少會插入已掌握知識的行列，已有知識會排斥一切與其不能形成共振的概念”。因此，數字教材開發中基于學生的科學認知路徑，通過情境的設計，讓學生深刻認識前概念與當下科學情境的相關性，既能激發學生的學習興趣，又能充分暴露學生原有經驗中的不足，積極開展基于學生需求的教學。

例如，在“食物的消化”一課中，教師通過你知道我們吃進去的食物到身體的哪些地方了嗎？通過調研了解學生的已有認知，發現學生基本能說出胃、小腸、大腸等基本的消化器官的名稱，但是難點在于器官的具體位置以及食物的消化過程，且大部分學生認為消化器官就是消化的時候食物經過的器官，這也是不準確的，這都是錯誤的前概念。數字教材中提供的問題情境啟發教師設計，啟發學生，讓學生充分表達自己的已有經驗，并經由拖拽活動、小組討論、投影與人體對照等手段產生認知沖突，進而通過同化與順應，建構新的科學概念。

2.數字教材內容編寫體現科學思維的過程與方法，連接情境、問題、方法

學生的思維培養是多樣化的，閱讀、觀察、比較、記錄、分析、類比、聯想、反思、概括、推理、論證等思維方法，在數字教材中都有所體現，使學生在思維培養上得到全面發展。在數字教材的開篇就對每一種方法進行了介紹，每一頁的教材設計中凸顯方法，需要學生觀察、閱讀、實驗、分析等，讓學生在真實的問題情境中感知和經歷科學思維的過程，在生活情境與科學問題、知識及方法之間建立聯系以培育科學素養。在各種思維活動任務中，外化思維的可視化過程中，教師和學生的互動中整合形成自己的科學學習所得。

3.數字教材強化反思總結，鼓勵質疑創新

科學數字教材在每一節的最后部分，都提供了反思模板，強調學生進行學習反思，教師引導學生自主歸納總結，思考這節課學了什么，有哪些收獲，有哪些思維上的改變，還有什么問題要進一步探索等，每個學生養成分析自己科學學習過程的習慣，學會從學科視角觀察、理解、分析和解決問題，建構以核心概念為中心的學科知識體系。

二、數字教材促進科學素養培育的內生動力

《義務教育科學課程標準（2022年版）》重新明確和界定了學生應該具備的科學素養，形成了清晰和精確的科學課程目標，包含科學觀念、科學思維、探究實踐和態度責任四個方面，體現了科學課程的育人價值。但要在教育實踐中落實，還面臨不少困難。從學生學習的角度，存在以下三個方面的矛盾認識，需要加以解決。

（一）規模化的培養與個性化的素養養成的矛盾

對科學學科來說，整合大量的學科知識，核心概念共有13個，需要學生去掌握和理解，是學生共同的目標。但目前，學校基本還采用規模化、大班授課的方式培養人才。格雷厄姆納托爾（Graham Nuthall）提出課堂中有三種世界，教師看見和管理的公共世界，同伴看得見的和學生自己看得見的世界，其中70%的學生活動教師都不清楚。每個學生是個性化的，教師如何設計活動讓每個學生都達成科學素養呢？如何讓學科知識作為客觀的數據內化為學生的學科觀念，讓學科邏輯與每個學生的主觀世界建立聯系，建構學科知識，理解科學觀念，形成科學思維，學科邏輯與學生的學習邏輯需要橋梁進行聯通。

（二）淺層學習與深層學習的矛盾

為了培養學生的科學素養，需要學生更多地參與，在學校課堂中看到很多教師采用了所謂的任務驅動、項目學習、合作學習等多樣的活動樣態去呈現教學，課堂上的時間被這些活動占用，可實際上發生的更多的還是學生外顯的身體活動，內在思維的參與很少，學生更多的是淺層的、表層的觀念和事實的認識。究其原因，一方面教師依照的學科邏輯與學生的實際生活經驗存在差異，學生對課堂所教無真正的興趣，無法真正理解教師所教，無法展開真正的學習；另一方面知識與活動相分離，淺層學習和深層學習之間并不是非此即彼的關系、孰優孰劣的問題，而是要在兩者之間取得平衡。

（三）過程性與結果性的矛盾

科學素養作為學習目標，既是結果又指向過程，素養必須轉化為學生具體的學習活動，融合滲透在每一個教學環節中，結果和過程需要內在相統一。每個學生達成目標，需要跟蹤學生科學素養發展的過程并適時提供支持。教師需要時刻對學生的學習過程進行干預，基于學生的理解情況不斷提供漸進式的有挑戰性的經驗。但對目前學生學得怎么樣，課堂上教師更多關注的是正確與不正確的信息反饋，是否理解了問題，是否按要求完成任務，而對學習進程的深層反饋、學習策略、學生自我評價等方面沒有較好嵌入。學生的特質和學習過程中獲得的能力、品格等相互作用內化呈現為學生的科學素養，素養目標指向的課堂中的教與學要從任務轉向任務過程中學生的發展，轉到關注學生如何學，否則新課程改革起不到應有作用。

三、基于數字教材的小學生科學素養培養的策略

科學素養培養中存在的規模化與個性化、淺層學習與深層學習、過程性與結果性的矛盾與分裂，而這些要素之間本應該是充分的相互作用，保持相對的平衡，相互促進。面對這種沖突，需要一種刺激或者外在力量，用一種比較全面的觀點，彌合分歧，保持教育實踐的一致性和連續性。數字教材的融入最終要落在主體學生身上，和學生的學習產生真正的聯系，與學生學什么、如何學、學得怎樣發生作用，并在實踐推進中加以檢驗。

（一）利用數字教材設計突出學生的學習目標

教師在課程教學中，對科學學科的學習，數字教材創設了不同的情境，有宏觀、微觀的情境，有個人、公共、生活、地理、物理空間、生物、天體等不同的情境中的豐富素材，還為學生提供了科學史，幫助學生更深入、全面地了解科學，搭建科學知識與生活的聯系。教師在教學設計時要清楚地了解單元目標與課程標準、科學核心素養、學業質量標準之間的關系，教師在制定每節課的教學目標時，應該清晰地闡述學生要理解的科學知識，要應用的科學思維方法，以及達成的科學目標，并標明每一個學習活動的學生具體的行為指標。例如，三年級“魚”這節的教學目標設置為：知道魚的共同特征——體表有鱗、用鰓呼吸、用鰭輔助游泳，終生生活在水中，并能用此共同特征對更多動物是否屬于魚類做出正確判斷。通過細致觀察、記錄和描述，運用找共同特征的科學方法，進一步發展歸納概括推理能力。數字教材中對魚的多種表征方式，以圖片、視頻、動畫、3D模型等具象表征形式呈現，情境不僅僅是激發學生學習的手段，重要的是重建知識的境脈，連接知識與真實生活的重要功能，有情境亦有學科，這更貼合學生的生活經驗，便于學生進行知識的遷移應用。在小學階段學習中，圍繞具象知識展開討論的難度也會降低一些。

（二）支持學生的個性化科學探究學習策略

基于數字教材的科學教學能幫助學生獲得及時的學習支持和反饋，促進課堂上學生之間的合作交流等，并在新的學習情境中應用已有的知識解決問題。新的科學課課標強調通過做中學、學中思的方式提升科學探究能力，基于數字教材的教學提高了對學生探究學習策略的支持，以培養學生自己的問題解決能力、批判性思考能力、溝通協作能力等素養。數字教材的使用真正實現了學生學習方式的變革，讓學生成為課堂學習的主人。教師在計算機和Pad教室，借助數字教材上的科學課，大大提高了課堂效率，提升了學生自主學習能力。如“動物世界”一課，學生點開資源，眼前具有視覺、聽覺刺激的各種動物游戲、捕食的視頻，從聲音、畫面、影像中把學生帶入了動物世界，激發了學生了解動物的欲望。學生通過小組合作閱讀數字教材中的資源，收集有關動物的資料并在組內交流，對資料進行選擇整理后再與其他小組、全班進行交流，整個過程都是學生在為自己的論點“動物很多而且是多種多樣的”尋找證據，實時的認知工具支撐和對知識發展的多重情境化感知讓學生動腦、動手、動口，數字教材支持了知識的獲得、知識的建構、知識的對話，再通過反思模塊的學習活動，思考整節課的收獲，與自己的已有知識建立聯系，學生的主動性、積極性和合作性得到了發揮。

（三）設計學生科學素養學習進階證據的收集方式

學生的科學概念學習是逐漸深入和持續發展的，需要數據的支持以更好地評估學生的學習進階。因此學習進階需要持續性的學習證據，需要教師每節課的系統設計，制定出圍繞教學目標能反映學生思維過程的一系列觀察點。在利用數字教材進行實驗時，數字教材可視化讓學生理解科學、為科學學習提供證據，學生的學習過程教師可見。學生與3D模型、視頻的交互有助于理解科學重難點，檢驗個人猜測，語音輸入、文字輸入、拍照等隨時記錄學習過程，并保存在教材中，將原本抽象的思維過程可視化，教師可以把握，促進學生的成長。比如讓學生寫反思筆記，讓學生的觀點更有規律和更易于理解地呈現。數字教材提供了數字化記錄，內嵌的很多科學小活動即時性評價等，收集學生的過程性學習數據。在課堂教與學過程中同時使用教師端和學生端，可以實時收集學生的課堂練習、實驗、表單、拍照及答題等學習過程性數據，有效幫助教師隨時了解和掌握學生的潛在學習困難和差異，及時調整課堂教學策略，并且在課后為教師提供每個學生的全過程數據的匯總和統計，為教師作出過程性評價提供了準確及有效的數據依據。例如在“在地球觀察月球”一課，數字教材中的月相拖拽功能和數據反饋功能檢測學生課堂學習效果，同時平板月相模型功能，幫助學生檢驗自己的想法，使得教師實時了解全班學生對月相的理解。

四、基于數字教材的課堂探究教學模式

探究學習模式是科學學習實踐的有效載體，科學探究學習的一般過程歸納為情境導入、概念形成、探索調查、結論形成、交流討論。在科學學科的學習中，學生的活動包括提出觀點、預測、添加觀點、聽課、閱讀、辨分觀念、反思、梳理觀點、交流、評價、討論、辯論、質疑、實驗、設計、澄清觀點，教師的行為包括計劃、設計、激發、告知、評價、質疑、回應、指導、反思等，針對不同的教學場景和教學內容主題采用不同的活動序列，在實踐中形成了基于數字教材的探究式教學模式。具體流程如圖1。

圖1 基于數字教材的探究式教學模式流程

（一）學情分析

數字教材比以往更好地實現了對學生的形成性評估與學習診斷。在以學生為中心的課堂中，教師在課前要對學生進行充分的前認知結構分析。尤其科學學科中，學生可能有很多不科學的前概念，有生活中的經驗，教師通過資源、設計問題等調研與本課相關的學生的基礎知識結構。在“在地球上看月球”這一課中，教師讓學生連續觀測兩個月的月相，了解學生對月相變化的認識，以及分析處理記錄的能力。

（二）情境創設

基于數字教材中預設的與每節核心概念相關的情境，可以讓學生真實體驗科學現象的發展變化，置身于學習場域中，開啟學習過程。教師要根據學生的已有知識基礎和年齡特征創設情境，情境創設要與學生的生活背景相關聯，圍繞教學內容貼近學生的最近發展區，感受數字教材支持的知識獲得過程，合理安排教學過程，給予及時指導和幫助，并注重個體差異。在“在地球上看月球”這一課中，教師展示了學生觀測月相制作的視頻，利用數字教材將月球運動及月相形成的宏觀世界的事物直觀展示出來，幫助學生認知，形成清晰的科學概念，鼓勵學生像科學家一樣對自然現象進行持續的觀察和記錄，并通過拖拽的方式推測一月中不同日期的月相變化。

（三）學生探究

在此環節中，探究問題的設定是核心，它要能激發學生的興趣，同時又能引發學生的認知沖突，學生迫切想要知道的問題。根據相應的核心概念，結合布魯姆的認知目標體系，從記憶、理解、應用、分析、綜合、評價、創造等層面預設不同層次的問題和任務，并激發學生提出自己的探究問題，通過班級投票的方式最終確定探究問題。在傳統探究式教學中，學生缺乏合適的學習情境和學習資源，使得探究往往流于形式，或者是按照預設步驟的流程化操作。數字教材中豐富的資源和工具，3D立體資源為學生呈現了自然現象的科學視角，從宏觀到微觀，這為學生科學探究能力的發展起到了很好的實踐引導作用。在“在地球上看月球”這一課中，通過前邊的鋪墊，學生對月相的成因非常好奇，教師引導學生提出月相變化原因的假說，并利用球、不同大小的圓、電燈等實驗材料模擬實驗驗證假說，借助模擬實驗的方法來解釋月相成因。

（四）成果分享

課堂上通過不同學生的探究成果的分享，促進學生間的相互學習和觀點的激發、碰撞，最終形成正確的認識。數字教材提供了多樣化的思維外化表達方式，如通關游戲、拖拽游戲、分類游戲等，學生的過程性思路以手寫形式上傳，共享觀點和思維過程，在共享的基礎上促進進一步探討交流。在“在地球上看月球”這一課中學生通過平板展示交流每個組模擬的探究過程，并分享實驗結論，試著解釋月相的成因，學生在探究后進行了思考。如有的小組提到，“我們小組的想法是月亮還有地球都會轉，當月亮轉到地球對面，對著太陽那一面的時候，太陽照到了月球，亮面就剛好在地球上看不見，然后如果轉到地球的一半的話，比如說月球就轉到地球的上方，然后太陽就會照到月球面對著太陽的那一面，而我們在地球上看到的就是一半一半”。

（五）鞏固拓展

通過共享和交流探究成果，如若學生還普遍存在認識上的偏差和迷思，教師可對核心概念進行總結提升，或者下一步繼續進行探究，以便學生正確和深層次地理解科學概念。最后指導學生反思本節課所學，數字教材提供反思支架，學生學到了什么新的概念，有哪些新的想法，還有哪些問題有待解決，通過數字教材匯總反思。教師應該為學生創設一個新的相關情境，以便將在探究過程中形成的科學思維、科學概念應用到新的情境中。學生在拓展部分學習不同的資源，開展交流，這主要是支持學生學習領域的拓展和興趣的激發，關注對學生動態性的需求滿足和個性化的學習體驗的支持，強調學生對環境的自我控制。在“在地球上看月球”這一課中，教師在課上通過觀察自然現象、分析現象、建立假說、驗證假說等思維方法的引導，和學生一起探究了下半月的月相變化，鼓勵學生繼續應用得出的結論去推測上半月月相變化，鼓勵學生在實際觀測中再次驗證自己的推測。

在整個基于數字教材的探究過程中注重學生提出問題、作出假設、制訂計劃、收集證據、處理信息、得出結論、表達交流、反思評價的科學探究過程，不能將探究僅僅流于形式。在探究過程中，數字教材提供探究的支架和工具，學生能記錄探究活動的過程，優質的3D模型資源將知識的內在機理可視化呈現出來，并可通過交互控制各種變量因素，能按照教學和學習需要，便捷選擇多個狀態進行比較和分析，并可視化呈現出相應的變化樣態。

從課堂提問可以看出，基于數字教材的課堂中幾乎全部是開放性問題，給出的問題條件是開放的，問題的最終結果是開放的，問題的解決過程是開放的，開放性問題可以讓不同的學生在教學開始就能依據他們自己的理解層次作出回應，絕大多數學生能充分參與課堂，注重不同能力、興趣和風格的學生在課堂中的參與，差異化發展自己的思維。實踐探究后發現，數字教材有利于產生概念轉變和問題解決的深度學習結果，促進學習者的科學概念知識體系的建立，學習者能運用所學知識解決問題，達到對知識內容的創新應用。教師未來要繼續進行基于數字教材的科學素養培養研究，進一步深化對反映學生科學素養的證據性數據進行采集和分析，探討科學素養形成的過程和機制。