小学科学数字化教学策略的运用

季荣臻

摘要： 随着社会的发展，计算机与网络的应用拓展了师生获取资源的途径。信息技术与学科教学高度融合，既是全面实现教育现代化的基础，又是实现教育现代化的途径和方法。小学科学教师针对不同的课程，运用多媒体、虚拟实验、传感器等信息技术优化教学结构、方式与过程，有利于提高教学质量，实现“意义理解”的教育教学目标。

关键词：信息技术;小学科学;数字化教学

在信息技术高速发展的时代，数字化的资源与技术已经广泛应用于各领域。“互联网+”和“智能化”时代，小学科学教师需要研究如何将硬件采集设备和软件处理系统引入小学科学的探究式教学中，使信息技术与传统的教学手段有机结合，采用更为科学、高效的方法优化小学科学课堂上学与教的生态，提高学生动手实验的能力、细致全面的观察能力与合理判断实验现象的能力，使学生更好地理解学习的意义和价值。

一、善用多媒体，优化教学结构

目前，利用信息技术辅助教学已经成为现代教育的主要方式，教师利用形、色、声、情等表现手段，可创设形象、生动、直观的情境和轻松愉悦的环境^[1]。

（一）优化教学情境，激发学习兴趣

对于一些科学知识，学生仅通过阅读文字或图片是难以理解的。教师仅靠“一本书、一张嘴”教学，很难让学生对科学产生兴趣，因此，有必要利用多媒体技术创设适宜的教学情境。

教师在教学过程中，针对教学内容选择合适的音频、视频、动画等进行演示，不仅可以吸引学生的注意力，而且能化静为动、化无声为有声、化抽象为形象、化“不可见”为“看得见”，以最直观的感受引发学生思考，调动学生学习科学的积极性，让课堂教学充满活力。例如，对于“连续观测一杯热水的降温过程”的探究活动，传统的教学方法一般是教师让学生用普通的水温计测量、记录数据，每隔1分钟读数记录1次水温，然后基于画曲线图整理、分析数据。这样教学，学生花了大量时间进行测量、分析，但收集的数据误差很大。笔者在传统教学的基础上用温度传感器展示学生探究的过程，体现了数据测量的便捷性和精准性。数字化软件实时采集数据，自动生成动态图表，有利于学生将思维聚焦到探究水温的变化规律上。学生利用新技术在新情境下开展实验探究活动，使实验现象清晰可见，知识难点得以突破，学习更加高效。

（二）优化教学时间，提高学习效率

信息集成是多媒体的主要特征之一。教师可以利用动画软件和幻灯片等工具对文本、声音、图像、视频等素材进行综合处理，制作成精美的教学课件。教师借助这些资源和手段，可以将一些传统教学模式中持续时间短，只能呈现最终结果而无法让学生观察到实验过程中的细节与现象的实验进行过程重现，如“声音的产生”和“传播的探究”;可以将学生只能进行初始的操作而无法在课堂上获得即时性实验结果的实验内容“浓缩”到相应的课时内，随堂展现，缩短实验周期，同时减少教学过程的板书时间，如“种子发芽条件”和“铁钉生锈原因的探究”。教师合理利用多媒体信息集成优势，可以帮助学生在有限的时间内获取更多的信息^[2]。此外，多媒体课件操作方便，内容呈现形式灵活多样，教师用其教学可充分调动学生主观能动性，提高效率。

（三）优化信息反馈，提高课堂评价有效性

科学探究离不开实验。教师让学生参与实验并亲历发现问题、解决问题的过程，能使其对科学知识理解更透彻。在此过程中，课堂实验记录单的运用尤为重要，做好这项工作不仅能提高学生的逻辑思维能力，而且能帮助学生提高操作能力。教师应对学生记录情况进行及时反馈与评价。

传统教学模式下，师生交流方式较为单一：教师请个别学生发言汇报，对其进行点评。这样的反馈互动存在明显弊端：其余学生参与率低，注意力容易转移，没有及时关注他人的发言及教师的点评。实际上，学生的记录不可能千篇一律，如果反馈不及时或者不充分，就无法达到教师与学生、学生与学生交换信息的目的，教师的评价也缺乏“说服力”。现在，教师可以利用数字化的交流平台，及时将各组学生的记录单完整地展现出来，以便相互交流。教师对学生记录内容进行对比，可以发现问题并及时解决，增进师生互动，提高课堂评价有效性。例如，在“电路暗箱”的教学中，教师让学生自主设计并制作电路暗箱，小组之间通过交换电路暗箱来互相“解暗箱”;教师利用云记录单记录检测过程及结果，使“解暗箱”的过程可视化，实现电路内部情况和外显现象“互动”;教师借助软件，实现小组之间的数据互传，达到“互检”的效果。专业软件与教师端、学生端的系统运作，实现了班级数据共享，使学生个体加工、集体研讨的评价过程无缝衔接。

二、巧用虚拟实验，优化教学方式

探究式教学是小学科学教学的重要方式之一，它可以帮助学生更好地理解科学理论知识。但在教学过程中，受探究资源及环境影响，部分探究活动停留在表层，无法达到教师预期效果。

传统的实验教学给学生的视觉感受大多是平面的、单一的。对于一些实验，教师播放视频或演示课件，显然是不够的，需要利用虚拟仿真技术模拟营造富有真实感、交互式体验的实验场景。学生借助计算机软件，在虚拟的环境中模拟实验操作、体验交互过程，通过自主操作，从而理解、掌握科学知识^[3]。例如，在教学“肺和呼吸”时，教师使用矩道3D虚拟实验室软件来辅助教学。学生调用该软件中的3D人体模型，可以直观地看到肺在人体中的准确位置，以及呼吸过程中肺的运动状态。

不仅如此，学生还可以使用软件中的“拆分”功能，详细了解组成呼吸系统的主要器官，如鼻、喉、气管、肺等器官，并点击各个器官，深入了解其形态及结构（如图1）。在3D模型的演绎下，复杂的人体结构变得鲜活有趣，再加上教师对各器官功能的讲解，学生对知识理解更透彻，记忆更深刻。

实践表明，虚拟实验室辅助教学较好地化解了部分实验“教师难教，学生难学”的难题，虚拟实验效果等价于甚至优于真实实验效果。

三、妙用传感器，优化教学过程

（一）教学仪器的升级

传统的科学实验教学中，受实验器材等限制，教师只能开展一些简单的定性描述和推理实验活动，定量实验很难开展。即便开展，也存在实验数据误差大等问题，实验效果很难达到预期。如今，数字化传感器的应用为定量实验创造了条件。传感器具有智能、灵敏、精确度高等特性。学生在探究实验中巧妙利用传感器，可以使数据更精确，让实验结论更有“说服力”，从而降低实验难度，提高实验效率。

例如，小学生对声音的大小和高低这两个概念很容易混淆，很多学生误认为声音越大音调越高。在教学“声音”这一内容时，教师利用声波/声级传感器可以直接检测到整个声音的衰减过程，并且在计算机上通过“声纹识别”清晰地呈现这一过程。传感器技术的应用使看不见的“波”变成直观的曲线，以动态图的形式建立数形关系，方便学生透过现象认识本质，减轻了学生的认知负担。

教师利用传感器技术替代传统的测量仪器来完成力、声、光、电、热、磁等多种数据的采集，引导学生学会将无法直接观察到的物理量转化为可见的物理量，间接观察可使科学探究更规范、更科学、更生动、更有效。

（二）智能移动终端App的调用

信息化时代，智能移动终端已成为人们日常生活中不可或缺的工具，如智能手机、平板电脑等，它是集通信、网络访问、智能控制、媒体播放、计算服务于一体的智能设备。目前，绝大多数平板电脑或智能手机中载有重力加速度传感器、光敏传感器、GPS接收传感器、磁力传感器、声音传感器、温度传感器等。基于此，满足不同人群的不同需求的App应运而生。教师选用合适的App开展科学探究实验，不仅能增强课堂趣味性，而且能有效提升学生的体验感。

例如，在教学“看星座”时，教师使用“Star Walk2”App就起到很好的辅助作用。教师使用该软件根据需要选择不同视角观察指定的星座，利用手机中的磁力传感器匹配到学生上方的天空，让学生观察该区域内的星座，将画面投射到教室墙面上，给学生以身临其境的感觉，增强体验感。除此之外，该应用中还含有Sky Live功能模块。教师使用该功能可以让学生精确了解当日的日落时间、月相以及太阳系行星的实时数据，优化“探索宇宙”单元所有教学内容。

四、综合运用信息技术，优化项目教学

小学科学是一门具有科学性、实践性的综合课程。教师应鼓励学生将所学知识与生活中的实际问题结合起来创造性地学习。学生亲身体验探究过程、及时获取第一手资料尤为重要。传统的探究教学不够直观形象，加之实践活动往往受多种因素制约，故教学效果不理想。教师利用信息技术开展小学科学项目教学，能取得较好的效果。

（一）“感知生长”项目教学

教师利用物联网技术开展“感知生长”实践活动，与学生共同开启了“动物养殖”和“植物种植”之旅。为满足“感知生长”项目教学的需求，学校建立了微型数字化“农博园”系统，构建数字化种养植环境，通过实时监测某种植物或动物的生长情况，动态实时采集相关参数、动植物生长的阶段性照片等信息。教师综合应用传感技术、云技术和物联网技术，采用传统教学与数字化教学相结合的方式教学，让学生承担种植养殖探究任务，在科学探究和实践的过程深入学习动植物生长知识，掌握观察、比较、分析、综合等科学方法，提高科学综合素养。

以“植物种植”为例，在学生初学种植时，教师先示范再要求学生独立完成播种和幼苗移栽任务，以此培养学生规范操作的习惯，锻炼他们独立完成任务的能力。随后，在每次实践课中，学生认真观察植株的生长变化情况，主动参与人工浇灌、施肥、除草等田间劳作。切实的农耕劳作让学生更加亲近自然，体验农耕的辛苦;物联网感知技术的学习增进了他们对新科技的了解，体验信息技术为生活带来的便利。“感知生长”基地数字化系统包括视像监控系统、气象系统、土地监测系统及浇灌控制系统。该系统利用各种传感器测得数据，再通过网络传输给后台控制子系统。学生利用“感知生长”App便可以通过移动终端或个人计算机远程观测植物生长情况。从教师带领学生认识设备及传感器，到阅读实时数据，最后再到学生独立操作，全程都有信息技术的加持。每天学生按时通过智能手机在“感知生长”App中对农场环境进行监测，监控数据包括土壤温湿度、大气压力、二氧化碳含量等。学生根据监测数据及时开启远程浇灌系统，为植株补充水分。除此之外，“感知生长”App支持不同学校之间的资源共享。教师在App内为学生设置了多个活动项目，让学生根据观察情况在各项目内写下每次的活动记录或观察日志。

（二）STEM项目教学

近年来，信息技术已经成为转换、整合、优化教学方式的强大工具。特别是在STEM（科学、技术、工程和数学）项目式学习中，信息技术可以融入科学探究、 方案设计、 模型建构、互动交流、反馈评价等学习过程中，促进学生的学习方式从传统的“听讲—任务—练习”的模式向“情景—探索—迁移”的模式转变，有利于学生对科学知识的深度理解和迁移转化。

在“建桥梁”STEM项目式学习中，教师利用信息技术整合多种学习方式，让学生与集仿真情景、 数字模型、 虚拟测试、 迭代设计于一体的“做桥吧”（“Bridge It”）游戏软件和数字化学习平台进行交互式学习。

“Bridge It”是一款桥梁制作与载重测试的游戏软件，游戏环境有沙漠和森林，支持玩家选材建桥，考验玩家在战略与多种类型的桥梁工程设计方面的能力。当桥建好后，系统启动程序，让旅客列车、重载货车和桥下的船只通行，用以检验桥梁设计水平与稳固程度。随着车辆的行驶（如图2），桥梁的不同组件开始变色，玩家会看到张力与压力是怎样“实时”变化的：绿色表示没有受到大的应力（张力或压力），红色表示组件即将损毁。游戏的智能评分系统会对玩家的建桥水平打分，包括设计和成本等方面。学生在“Bridge It”虚拟建桥活动中，通过数字化协作平台互动交流，认识了常见的桥梁类型及其特点，意识到要在目标情境中建造适合的桥梁需要考虑桥的功能、桥梁类型、选材、选址等因素，不断完善自己的设计方案，再制作实体模型，借助数字化传感器进行测试，再迭代改进……学生在信息技术支持下参与STEM项目式学习活动，学会了输出观点，掌握了系统化的工艺流程、科学实验与测试的知识以及科学论证与评估的方法。

信息技术与小学科学教学有机融合，弥补了传统实验的“缺失”。学生利用信息技术开展科学学习，能够更好地掌握分析、综合、推理、判断等思维方法，深化对知识的理解并将其应用于新的问题情境中。在信息技术快速发展的时代，科学教师要对数字化手段做深入分析，敢于尝试，让数字化教学在科学课中发挥独特的作用，达成知识掌握、意义建构和知识迁移这三大目标，促进学生的“意义理解”，提升科学课堂教学的品位。

注：本文系江苏省中小学教学研究第十三期立项课题“指向‘意义理解的小学科学教学设计研究”（编号：2019JK13-L05）的阶段性研究成果。

参考文献

[1] 马彩霞.巧用多媒体技术，全面培养学生能力[J].吉林教育， 2017（5）：74.

[2] 容熙忠.信息技术与学科的整合[J].新课程.教师，2010（7）： 127-128.

[3] 杨晓东.数字化让小学科学实验更“科学”[J].中学课程辅导（江苏教师），2014（14）：95.

（作者系江苏省无锡市教育科学研究院教研员、高级教师，无锡市小学科学学科带头人）

责任编辑：祝元志