利用数字教材促进学生科学思维发展的策略研究

梁东红

《义务教育科学课程标准（2022年版）》指出，科学思维是科学学科核心素养的重要构成，是从科学的视角对客观事物的本质属性、内在规律及相互关系的认识方式，主要包括模型建构、推理论证、创新思维等要素。这些要素不仅是学生学习科学必备的关键能力，而且是他们进行技术与工程实践的核心思维方式，还可以迁移用于学习其他领域知识[1]。科学思维始终是国际科学教育研究的热点。培养学生的科学思维能力是科学教育的重要目标，也是科学学科育人价值的重要体现。

数字教材是教师开展数字化教学所需的核心资源。数字教材具有媒体化和平台化的特性，既有教学所需的常规功能和备授课工具，又有学科特有的小工具，还支持智能终端，适配多种系统。教师应用数字教材的操作交互和信息交互功能进行课程创新，有利于提高学生科学思维能力。笔者以教学“轮轴”为例，分析数字教材助力学生科学思维发展的教学策略。

一、课前：推送学习资源，搭建思维支架

前概念是学生建构新旧科学观念的桥梁，是学生进行探究实践的起点，是教师选择教学方法的依据，具有内隐性、个体性等特点。维果茨基认为：在成人适当的帮助下，儿童可以完成他独自无法完成的任务，教师要根据儿童的思维水平提供灵活的思维支架来帮助他们[2]。教师提供思维支架不仅可以获得直接效果，而且可以帮助学生构建知识结构，促进前概念的顺应和同化，使之向“科学概念”转化，培养学生思维能力。

教师利用数字教材平台附载的视频、图片等资源，布置课前导学任务，创设真实问题情境，暴露学生的前概念；使用数字教材平台的保存笔记、发送笔记、运行资源等功能，引导学生针对问题自主探究。在思维支架的支撑下，学生在思维活动中学习，思维水平从低阶逐渐转为高阶，同时在学习活动中提高思维能力。

在小学科学五年级“简单机械”中轮轴知识的教学中，教师引导学生在比较中认识轮轴装置的结构特点；通过实验，引导学生发现施加在轮和轴的力的不同效果；了解轮轴在生活中的应用并分析其特点和受力情况。

为了解学生关于轮轴的前概念，教师利用数字教材平台的资源及功能，设计了“初拧螺丝钉—改进螺丝刀—再拧螺丝钉”的课前导学任务。学生动手操作发现使用细柄螺丝刀拧螺丝钉很费劲，教师通过数字教材平台推送“导学案”。学生根据生活经验改进细柄螺丝刀，利用数字教材的笔记流转功能，将自己的想法通过画或写的方式推送给教师。随后，学生再拧螺丝钉，使用笔记流转功能画出用螺丝刀拧螺丝钉时用力部位、工作部位的运动轨迹。最后，学生自评作品，备注改进建议。

“拧螺丝钉”导学方案如下。

第一步：试一试，用这把螺丝刀拧螺丝钉（如图1）。用一个词语表达感受。

第二步：思考如何改进。

想一想：这把螺丝刀存在什么问题？如何解决这个问题？

画一画：将设计方案画出来。

写一写：你是怎么想到这个方法的？

找一找：找到了哪些可用的材料和工具？

做一做：动手做做看，如有困难，可寻求家人帮助。

评一评：细则见表1。

第三步：思考还有哪些改进空间。

按照课前导学流程，学生在数字教材平台助力下经历“发现问题—分析问题—解决问题”的过程，表现出明显的科学思维特质。例如，学生在“细柄螺丝刀拧螺丝钉很费劲”的问题情境中，通过提取和检索信息，对问题作出合理分析和解释，在新旧观念之间建立联系。学生将信息转化为适用于问题情境的结构化知识，增加一个类似轮的装置，改进螺丝刀轻松拧螺丝钉。学生使用笔记流转功能对不同维度的信息进行分析、归纳、综合。在此基础上，教师通过交互式电子白板呈现学生的典型做法，引导他们进行比较分析，相互补充，思维碰撞，形成一般性结论，即初步建立轮轴概念。课前教师就是这样利用数字教材平台，推送资源，搭建支架，提升学生思维水平。

二、课中：使用交互功能，发展科学思维

数字教材除了笔记流转、资源分享等功能，还可以通过计算机、平板电脑等移动终端设备发挥交互学习功能。其中，以平板电脑为载体的电子书包是一种可以承载海量学习资源的移动设备，能够创设数字化、网络化的学习空间和环境，具有丰富灵活的交互功能，有利于促进学习方式转变。利用电子书包移动终端设计高阶学习活动，即通过操作交互和信息交互，运用问题求解、独立决策、批判思维等能力完成学习活动，实现数字教材平台资源对科学思维培养的助力作用。

（一）在形成概念的过程中解决问题，培养模型建构能力

模型建构作为一种认识手段和思维方式，是以经验和事实为基础，对客观事物进行抽象和概括，寻找关键因素，弄清关键因素之间的关系和系统结构，建立对科学事物本质属性、内在规律及事物间相互关系的间接和概括的反映，是科学解决复杂问题的途径，有助于学生对概念、过程和系统的理解。

在“轮轴”一课教学中，首先，教师借助数字教材平台引导学生交流课前导学任务完成情况。通过比较分析，发现常规螺丝刀是在原来细柄上增加一个加粗的防滑装置（手柄），使它的运动轨迹变成一个更大的圆，像这样的结构，科学上称为轮轴。其中运动轨迹是大圆的部分称为轮，运动轨迹是小圆的部分称为轴。接着，学生进行“拧瓶子”游戏体验轮轴作用，讨论设计实验探究轮轴特点及用力情况。最后，教师通过自定义数字教材资源，根据教材相应活动，利用电子书包移动终端提供Flash动画演示，转动外圈的轮，带动内圈的轴转动，用内圈半径最小的轴来模拟螺丝刀的金属杆，用外圈不同半径的轮来模拟不同粗细的螺丝刀手柄，将手柄粗细不同的螺丝刀重叠在一起，压缩成“变形的螺丝刀”，如图2所示，通过学生与数字资源的信息交互，构建了易于本课研究并能反映轮轴特征的模型。

教师利用电子书包移动终端，创设可视化教学情境，提供交互探究工具，通过动态模拟，学生的思考更积极，探究更深入，引导学生从实际问题中提取出科学问题，并在抽象概括客观事物基础上进行模型建构，提高科学思维能力。

（二）在数据分析的过程中独立决策，培养推理论证能力

科学学科核心素养中的科学思维还包括推理论证，是从已知的科学命题得出新命题的思维过程或思维形式。进行推理论证时，要以科学知识为中介，运用归纳、演绎、控制变量等方法对获得的数据进行解释说明，建立证据与解释之间的关系，因此，推理论证是需要运用多种高水平认知的复杂思维活动过程。

“轮轴”一课教学的重要内容是数字化实验数据的收集、整理、归纳，以及规律探究。首先，教师将力传感器的使用视频链接引入数字教材平台，为学生提供直观灵活的操作交互方式，实现数据可视化教学。接着，在设计实验“探究轮轴的作用特点”环节，教师利用电子书包移动终端，通过拖曳图片、箭头标识、数据记录、即时反馈、共享交流等方式，引导学生从控制变量的角度建构分析“影响轮轴省力因素”的“思维模型”：先用力传感器直接测量拉动3个钩码所用的力，再将力传感器分别竖直挂在与半径为3厘米、4厘米、6厘米的轮相连的绳上，保持轴上钩码不变，分别测出轮上所需要的力，如图3所示。然后，在电子书包相关界面，学生通过操作交互、信息交互，发现数据之间的关联，探究证据之间的规律，分析得出“轮轴的轴半径不变时，轮半径越大越省力”科学结论。

教师利用数字化教材平台和电子书包移动终端，将抽象的问题具体化、复杂的问题简单化，引导学生体验“数据收集可视化—数据整理可视化—数据归纳可视化—规律论证可视化”的过程，实现数据数字化、思维可视化，建立数据分析与思维层次有效关联，提升学生思维能力。

（三）在应用迁移的过程中反思评价，培养批判思维能力

科学学科核心素养中的科学思维提及的质疑批判，是基于客观事实和推理论证，对不同观点或结论质疑或批判，并提出创造性见解，体现创新思维能力。在科学探究活动结束后，针对教学目标，结合学生的生活实际，创设问题情境，引导学生以分析、判断、辨别等思维活动进行反思评价，获取对知识的深层次和概括性理解，灵活解决问题，实现思维的高阶发展与提升。

“轮轴”一课教学总结时，教师运用电子书包推送学习资源的系统功能，为学生发送在线课堂作业题：（1）找一找自行车上的轮轴结构；（2）设计螺丝刀时，当无限加大手柄，就能得到一个特别好用的螺丝刀吗？请说明理由。学生利用数字教材平台圈画标识、推送笔记等功能，综合运用本课及本单元知识，将轮轴一般性规律和模型迁移应用到其他情境中，学习方式从识记主导升级为运用主导，更学会客观辩证地看待问题，体现了归纳、抉择、评价等思维经验积累过程，促进高阶思维品质的发生[3]。

三、课后：建立实践共同体，培养创新能力

钟启泉教授指出，教材是掌握知识的手段，但只凭教材不能掌握所有知识。数字教材要作为学生思维与表达活动的具体事物而生成并变化的一种存在，而建立实践共同体能解决这个难题。实践共同体包含三个要素，分别是领域、沟通、实践，其中领域是指学生相互间关注的问题；沟通是指学生之间分享交流，相互学习；实践是指学生在某个问题上借助沟通进行思考并运用知识解决实际问题，接受实战训练。三者相互协调，共同发挥作用，促使学生形成应对真实情境时运用知识与处理问题的能力，琢磨自己的思维方式与实践方式，寻求他人帮助，分享自身思考，从不同角度进行批判性分析，实现真实性学习，培养学生的创新能力。

借助网络学习空间，开展协同实践学习。网络学习空间是由教育部门或学校认定，融资源、服务、数据为一体，支持共享、交互、创新的网络学习场所[4]。其学习资源由有限文本教材转向无限数字资源；学习环境由单个微观转向多个宏观；师生交互由固定空间转向跨越时空。

“轮轴”一课课堂教学结束后，教师通过数字教材平台推送“古代辘轳”视频，学生了解古代辘轳是利用轮轴原理制成的一种简单机械；学生通过网络学习空间建立实践共同体，跟随古人脚步开展“古代辘轳”模型制作。（1）学生利用网络学习空间绘制并阐述自己的设计图，针对他人设计提出意见，在线充分讨论后，重新审视、修正完善设计方案；（2）学生线下制作模型；（3）学生线上互访空间，发表意见，质疑评论，判断可行性；（4）学生再次利用空间提交作品，根据标准对作品进行客观科学评价。

基于网络学习空间，建立实践共同体。学生经历了明确问题、设计方案、实施计划、检验作品、改进完善、发布成果等过程。每次讨论评价、制作改进都是后续打破定式、制作完善的基础，而在反复沟通、实践、创造的过程中，提升学生思维的深刻性、灵活性、创新性。

综上所述，思维活动是课堂教学中的核心活动，科学思维是科学学科最本质的特征，是适应现代社会发展的关键能力。笔者以培养学生学科核心素养为导向，分析总结基于数字教材促进学生科学思维发展的策略，设计了“课前推送资源，搭建思维支架—课中多元交互，发展科学思维—课后建立实践共同体，培养创新能力”的信息技术融合创新教学模式、新路径，以期提升学生科学思维水平，实现科学学科育人目标。

注：本文系2021年度福建省电化教育馆教育信息技术研究课题“基于人人通网络学习空间开展小学科学OMO项目式学习模式的实践研究”（编号：ZTEP20180209）的成果之一。

参考文献

[1] 胡卫平.为培养科技创新后备人才创建高质量义务教育科学课程[J].全球教育展望，2022，51（6）：67-74.

[2] 钱滢.为有效学习搭建“支架”[J].中国信息技术教育， 2011（Z2）：50-51.

[3] 王伟，黄少如，唐烨伟，等.高阶思维教学特征及教学设计模式初探[J].中小学数字化教学，2018（3）：27-30.

[4] 郭炯，郑晓俊.“人人通”如何走向“人人用”——解读《关于加强网络学习空间建设与应用的指导意见》[J].中小学数字化教学，2019（5）：24-28.

（作者系福建省福州市仓山区教师进修学校教研员）

责任编辑：祝元志