以数字化教学手段助力小学科学教学方式变革

张军霞 尹佳 王福玉 金娜

摘要：小学科学教师应从跨学科教学、团队网络教研和数字化精准教学等方面着手，将数字化资源和数字化工具有效应用于平移应用教学、基于数字工具的混合教学和基于网络的混合教学之中，顺应小学科学教学与数字技术深度融合的趋势，重塑教师角色，变革教学结构，在保持学科特色、追求深度学习的同时，丰富数字资源，推进教学方式变革。

关键词：数字化教学;小学科学;教学方式;混合教学

当前，教育信息化正在快速发展，数字技术已应用于教育教学各环节，也必将深刻影响教学方式的变革。小学科学教师和教研人员要深入研究如何开发数字化资源，在课堂教学中科学应用现代信息技术，积极变革教学方式，以响应整个社会对教育改革的期盼。

一、数字化教学的着眼点

2018年，教育部颁布《教育信息化2.0行动计划》，指出要坚持融合创新。教育部还颁布了《中小学数字校园建设规范》，要求“实现校园环境数字化”，提升信息技术与教育教学实践的深度融合，实现信息化教学的常态化与创新发展;智慧校园中的教育教学要实现网络备课、网络教学、网络教研，探索数字化的课堂教学，积累、开发和利用各种数字化教学资源。2019年3月，教育部颁布《关于实施全国中小学教师信息技术应用能力提升工程2.0的意见》，明确了提升教师信息素养的具体措施。2019年6月，中共中央、国务院颁布《关于深化教育教学改革全面提高义务教育质量的意见》，要求“优化教学方式”，“促进信息技术与教育教学融合应用”，建立覆盖义务教育各年级各学科的数字教育资源体系，积极探索基于互联网的教学;发挥教研支撑作用，完善网络教研制度。2021年6月，国务院印发的《全民科学素质行动规划纲要（2021—2035年）》对青少年科学素质提升行动提出了要求，强调“引导变革教学方式，倡导启发式、探究式、开放式教学，保护学生好奇心，激发求知欲和想象力。推进信息技术与科学教育深度融合……”。据此，科学教师要研究如何开展深度融合新技术的场景式、体验式和沉浸式教学。

综上，笔者认为，当前小学科学教师研究数字化教学主要有三个着眼点，这三点深刻影响教育教学方式变革。第一，转变思维方式，具有跨学科的勇气，提升自身信息素养，将数字技术应用于教学、教研工作。第二，组建研究团队，建设数字化教学资源，研究网络教研、网络备课和基于数字化的教学评价方法，积极改变教学生态环境。第三，创造性地深度应用数字技术，探索数字化课堂教学模式，智能化地引导学生的自主、合作学习，针对学生个性化需求精准教学。

二、小学科学数字化教学的资源和硬件设施

教师要深入研究数字化教学，促进教学方式的变革，需要把握当前可以应用的数字化手段。教学中应用的数字化手段有数字化资源和数字化工具，后者包括软件和硬件，在小学科学课堂教学中，常应用的数字化工具主要是硬件设备。

（一）数字化资源在课堂教学中的应用

在小学科学课堂上，应用较多的数字化资源有课件、微课、空中课堂和数字教材等。这些数字化资源处理、传输和存储比较便捷。

1.课件及微课

课件是能够使用计算机按照教学顺序播放的引导教学进展的教学内容。在我国，从城市到乡村，课件已经成为小学科学教师必备的教学资源。当前，网站和公众号上的课件非常多，教师只要用心查找，就能获得大量资源，并根据教学条件和学生情况进行优化，用于教学。各类平台提供课件时，往往还提供数字化的教案、导学单以及微课。微课分讲授型、实验型、探究学习型、讨论型、答疑型和解题型等^[1]。在翻转课堂教学中微课可用于预习、导入、实践、研讨、复习。

2.数字教材

数字教材是依据课程标准系统编制、开发的适用于信息技术环境下教与学活动的电子图书，即数字形态的教科书^[2]。数字教材最主要的属性是教育属性，教育现代化大背景下，数字教材特别是中小学数字教材在落实国家教育方针政策、促进信息时代的教育公平、引领课程教学发展变革等方面，发挥着重要的作用。从概念来看，数字教材与电子书包有相互融合的趋势。小学科学课堂上，数字教材多由教师操作，他们为学生呈现数字教材中储备的各种资源，主要有用于创设教学情境的资源、用于观察的视频资源和拓展性资源以及数字教材资源库内各学科共同积累储存的资源等。例如，教师执教“炉火周围的热现象”，在备课时先使用数字教材中的课件，再截取电子课本、活动手册以及搜索资源库中的共享资源，加以完善后用于教学。有时，教师会准备移动终端，为学生提供不同开放程度的数字化资源，控制学生手中数字教材的使用时间和进度，以调控教学进程。教师可以利用数字教材中的一些检测题行进测评，并做出教学反馈。

3.空中课堂

常规课堂上，师生也可以充分利用各类平台提供的空中课堂资源。空中课堂教学有三种形式。一是以空中课堂贯通教学始终。二是播放空中课堂课程中的部分教学片段，用于指导学生某一阶段的学习。三是将空中课堂课程中的视频资源截取出来，作为微课插入课件，用于教学。例如，国家中小学网络云平台提供了“灭绝的远古动物”空中课堂课程，其中用生动的视频介绍了恐龙的知识、科学家挖掘恐龙化石的方法、科学利用恐龙化石复原恐龙外形及其生活环境的方法等。教师可以截取这些视频，将其融入课件为己所用。

（二）数字化硬件在课堂教学中的应用

在课堂教学中数字化软件的应用尚不多见，硬件则有较多应用，如传感器和虚拟设备等。

1.传感器

传感器的应用有利于减轻教师工作负担，突破教学重难点，激发学生的学习兴趣，提高教学的实效性。小学科学教师在教学中常用的传感器有温度传感器、气体含量传感器、力传感器、声音传感器、磁感应传感器和光電门传感器等。例如，教师执教“水的沸腾”时需要测量水从加热到沸腾的温度变化量，让学生获得对沸点的认识，借助温度传感器定时读取水温，如果连接配套软件，还可以自动定时记录数据，最后生成温度曲线。

可用于小学科学教学的气体含量传感器有氧气传感器、二氧化碳传感器，一般用来测量比较呼吸前后气体中氧气和二氧化碳含量变化情况。教学中，如需比较不同地点的空气质量，也可使用家庭中测量空气质量的霾表读取PM2.5的数值。教学中常用弹簧秤测量力，如弹簧秤自重影响较大需要精准测量，可使用力传感器。智能手机中有各种传感器，师生下载“手机物理工坊”软件，可以查看手机中有哪些传感器。

2.数字拍录仪器

生活中人们常用照相机、摄像机等拍录像信息。一般功能已逐渐被手机代替。但有些项目教学中需要高清、广域拍摄，数字照相机和摄像机正好派上用场。在地球与宇宙科学领域的模拟实验中，学生需要在地球和宇宙空间之间切换视角。我们可以用数字摄像机代替人眼，将它看到的景物传送到大屏幕，让学生理解天体相互运动关系。例如，教师执教“地球、太阳和月球”时，模拟天体运动过程，需要从地球视角观察太阳和月球的东升西落现象。学生头上装一部数字摄像机，从地球视角看到太阳和月球从东边升起、逐渐升高，又慢慢从西边落下。这些现象被投影至屏幕。教师在教室中间架设一部具有360°视野的摄像机，将从宇宙空间观察到的天体的运动投影至屏幕。

3.虚拟仿真设备

小学科学教师在教学中应用虚拟仿真设备，是希望提高事物与现象的可视化程度，提高观察的效果;或者从视觉效果上将虚拟的事物与现实世界融合在一个视域中，激发学生的学习兴趣。借助全息设备和AR技术可以提高事物与现象的可视化。教师使用全息设备将事物与现象投影出来，供学生从各个角度观察。全息设备还连有平板电脑，可呈现数字化的教学资源。例如，教师执教“灭绝的远古动物”时，手机将恐龙置入学生端，迅速调动学生学习积极性。学生看到自己与恐龙在一起，纷纷触摸恐龙，沉浸其中。

三、小学科学数字化教学的类型

在数字化的今天，师生所用教学材料大多是纸质材料和数字化材料兼而有之。课堂教学场域往往是现实学习空间和虚拟学习空间同在，且时常交叉。根据现实课堂中应用虚拟学习空间的混合程度差异，小学科学课堂数字化教学类型可以分为平移应用教学、基于数字工具的混合教学和基于网络的混合教学三类。

（一）平移应用教学

在没有投影仪的年代，教师常用教学挂图来展示一些板书难以展现的复杂图示，用于教授新知识或总结梳理已经学习的公式、知识体系等。在幻灯片投影仪出现后，幻灯片就替代了纸质教学挂图。随着计算机设备进入课堂，课件替代了幻灯片。现在，可用于制作课件的软件功能更加强大，能够灵活地链接其他文件，插入动画和视频，生成动态、立体化的背景。不过，很多课件只是平移了挂图、幻灯片和播放录像的电视机的功能，教学质量和教学方式没有实质性改变。平移应用教学是最常见的数字化教学类型。

（二）基于数字工具的混合教学

教师在小学科学课堂上恰当应用数字化工具，可以达到更好的教学效果。传感器、数字化拍录仪器和虚拟仿真设备的应用越来越广泛，它们在小学科学课堂上的应用也越来越深入。在“水的沸腾”“灭绝的远古动物”等课的教学中教师巧妙地使用数字化仪器和设备，收到非常好的效果。这些课的教学依赖数字化工具，但并不依赖网络环境，属于基于技术的混合教学。

（三）基于网络的混合教学

当今数字技术快速发展，数字化资源日益丰富，许多小学科学教师开始探索将线上的数字化资源与线下教学有机融合的混合式教学。数字技术的发展使得教师与教学资源研发团队的交流变得更加方便和顺畅，如有条件，教师可以参与具体课例的数字化资源研发。例如，教师执教“植物工厂”时，依据教科书设计了教案，与技术公司共同研讨规划本课适配数字教材，使课程教学任务在一课时内高效完成。数字教材可以共享，其他教师使用同一技术或登录同一平台即可使用。

四、小学科学教学变革趋势

在教育教学与信息技术的融合中，教育是手段，技术是环境条件，促进学生发展才是真正的目的。未来小学科学教学必然与更多的数字技术融合。小学科学教师应积极顺应趋势，不断改进提升教学。

（一）重塑教师角色，变革教学结构

以人工智能、大数据、物联网等新兴技术为基础，依托各类智能设备及网络，丰富多样的信息化学习平台被开发应用，使无时不在、无处不在的学习成为可能，满足了学生个性化的学习需求。教师不再是学生唯一的知识传授者。由于师生交流、生生交流能够跨越时空即时进行，校内校外学习边界日益模糊，师生为学习伙伴。师生关系的多元化倒逼教师重塑教师角色，将自己定位为课堂教学的组织者、指导者，学生建构意义的帮助者、促进者，学生良好情操的培育者，成为引路人。在教学中，教师的主导作用发挥得越充分，学生的主体作用体现得更充分。教师角色重塑之时，学生的角色必然改变。笔者认为科学教师应践行以教师为主导、学习为主体的“主导—主体相结合”的教学，使学生成为信息加工的主体、知识意义的主动建构者和情感体验与培育的主体，构建师生学习共同体，协同合作，对知识、价值、经验等共同体验与感悟。

（二）保持学科特色，追求深度学习

2017年颁布的《义务教育小学科学课程标准》倡导通过探究式教学培养学生的科学素养，体现学科特色。科学探究式教学不是简单地聚焦于操作技能的训练，而是实施思维型科学探究教学，即以培养思维能力为核心，引领学生能力协调发展。无论科学教学方式如何变革，教师都必须遵循科学教学的基本规律：一是创设能够引起学生认知冲突的教学情境，激发学生的学习动机，启发学生思考;二是灵活协同自主学习与合作学习，支撑探究过程中学生的自主建构;三是通过应用迁移加深学生对知识的理解，培养学生的科学情感、态度与价值观;四是以学生的思维进阶为理论依据，科学系统地促进学生发展。

从教育改革要求来看，社会发展驱动课堂教学目标从传统的信息传递向高阶思维培养转变，推进深度学习是大势所趋。在教学中，教师应采用新型的有效教学模式与策略，如采取线上线下混合学习的模式，利用优质学习工具与资源，引导学生以批判的眼光审视学习资源，不满足于对知识的字面理解与机械记忆，在对知识获得深度理解的基础上，力图将它们迁移到不同的情境中，以解决现实问题并逐步形成创新能力^[3]。

（三）丰富数字资源，优化混合教学

推进小学科学数字化教学应遵循教育教学规律，在课前、课中和课后合理使用数字化教学资源，保证每节课的课前、课中和课后有足够的资源支持教学情境的引入、支持探究实践活动的开展、解决现实中的问题以迁移所学的知识和用于教学评价，以引导教学流程并满足学生个性化学习需求。虽然目前网络上已有很多课件、微课、数字教材、空中课堂资源，但仍存在不足：一是教学资源比较分散，不便检索;二是教学资源类型不够全面，不能满足各教学环节的需要;三是缺乏交互性，不能给学生作出适时、恰当的反馈;四是不够结构化，没有依据教科书的框架体系进行积累和开发。当前迫切需要结构化、系统化的数字教学资源或数据库。

数字化资源的丰富和使用，使得混合式教学成为必然。学校和教师开展混合式学习活动需要将教学资源、手段、环境多种要素有效整合。网络环境下的混合式教学包括建构学习环境、课堂教学、在线教学和发展性教学评价等主要环节。基于网络的学习方式非常多，如利用多样资源的自主学习、利用各种平台的泛在学习和利用社交软件的合作学习等。这些都需要小学科学教师在混合式教学中进行实践，以发挥混合式教学的最大优势和组合效应。

注：本文系国家新闻出版署出版融合发展（人教社）重点实验室、人民教育出版社人教数字教育研究课题“小学科学教材配套数字化教与学资源呈现模式研究”（编号：RJB0219002）的研究成果。

参考文献

[1] 房彬.基于微课的初中物理学习方式变革[J].计算机产品与流通，2020（11）：251.

[2] 数字教材与电子书包发展研究项目组.中国基础教育数字教材与电子书包发展研究报告[M].北京：人民教育出版社，2017.

[3] 何克抗.深度学习：网络时代学习方式的变革[J].教育研究，2018（5）：111-115.

（作者张军霞系人民教育出版社课程教材研究所科学课程教材研究开发中心主任、编审;尹佳系湖北教育出版社编辑;王福玉系北京市密云区教师研修学院教研员;金娜系北京市西城区教学研修院教研员，特级教师）

责任编辑：祝元志