智慧課堂助力探究性教學(xué)

林偉

小學(xué)生正處于從形象思維向抽象思維轉(zhuǎn)變的重要階段。將教學(xué)內(nèi)容可視化是智慧課堂與小學(xué)科學(xué)教學(xué)內(nèi)容融合的重要表現(xiàn)，它是將智慧課堂作為呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的可視化工具，實(shí)現(xiàn)對小學(xué)科學(xué)教學(xué)內(nèi)容的重組與重構(gòu)。可視化，就是利用計算機(jī)圖形處理、多媒體與虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，將學(xué)習(xí)內(nèi)容與過程轉(zhuǎn)換為圖形、圖像、動畫與聲音等媒介構(gòu)造可交互的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)習(xí)者通過感知完成知識建構(gòu)。

一、智慧課堂助力小學(xué)科學(xué)探究性教學(xué)

（一）創(chuàng)設(shè)問題情境

在智慧課堂中，教師利用學(xué)習(xí)通平臺的富媒體資源創(chuàng)設(shè)與學(xué)生生活經(jīng)驗(yàn)相關(guān)的真實(shí)問題情境，激發(fā)學(xué)生的探究興趣。

（二）可視化探究思維

在智慧課堂中，教師組織學(xué)生利用概念圖、思維導(dǎo)圖等可視化工具進(jìn)行猜想假設(shè)，具象化思維過程，為學(xué)生建立起概念建構(gòu)的支架。

（三）支持探究操作

在智慧課堂中，學(xué)生可以利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺、學(xué)科教學(xué)APP、模擬實(shí)驗(yàn)型多媒體課件等進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象完成自主探究，利用智慧云平臺記錄探究過程。

（四）記錄分析探究數(shù)據(jù)

在智慧課堂中，學(xué)生可以利用各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析工具記錄在探究過程中收集的數(shù)據(jù)，加工形成各種數(shù)據(jù)圖表，幫助論證實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

（五）支持深度互動

在探究性教學(xué)過程中，學(xué)生之間及小組之間的合作交流討論是必要環(huán)節(jié)。智慧課堂可以為學(xué)生提供各種跨時空的同步小學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)應(yīng)用或者異步交流工具（如論壇、視頻會議、WIKI等），方便學(xué)生在探究過程中及時尋求教師或者專家的幫助，支持學(xué)生與同伴圍繞共同的探究問題進(jìn)行協(xié)商討論、協(xié)同建構(gòu)與知識創(chuàng)造，從而促進(jìn)深度學(xué)習(xí)。

（六）支持多元評價

在智慧課堂中，教師可以借助展示工具組織學(xué)生共享探究成果，進(jìn)行自評與互評;也可以利用在線平臺及軟件實(shí)時測試學(xué)生對所探究知識的掌握程度并進(jìn)行診斷與大數(shù)據(jù)分析。

二、小學(xué)科學(xué)智慧課堂探究性教學(xué)模式

在小學(xué)科學(xué)智慧課堂中，教師應(yīng)該怎樣開展探究性教學(xué)呢？現(xiàn)以小學(xué)科學(xué)《種子變成了幼苗》為例，詳細(xì)剖析小學(xué)智慧課堂探究性教學(xué)模式的設(shè)計。

第一步：創(chuàng)設(shè)情境、提出問題。在這一環(huán)節(jié)中，教師可以利用學(xué)習(xí)通等智慧云平臺為學(xué)生呈現(xiàn)微視頻、動畫、圖片、文本等豐富的多媒體資源，創(chuàng)設(shè)真實(shí)的問題場景，激發(fā)學(xué)生探究科學(xué)知識的興趣。

第二步：大膽猜想、建立假設(shè)。教師在該環(huán)節(jié)可以利用虛擬構(gòu)圖、思維導(dǎo)圖等可視化工具，通過提問、討論和頭腦風(fēng)暴等方式，引導(dǎo)學(xué)生大膽猜想;可以利用智慧云平臺推送相關(guān)資源，幫助學(xué)生分析猜想的合理性，建立假設(shè)。

第三步：設(shè)計方案、實(shí)驗(yàn)探究。教師通過引導(dǎo)學(xué)生提出驗(yàn)證猜想的探究思路，制訂實(shí)驗(yàn)設(shè)計方案。學(xué)生可以利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺、學(xué)科教學(xué)APP、模擬實(shí)驗(yàn)型多媒體課件等進(jìn)行自主探究，并利用智慧云平臺記錄探究過程。在探究過程中，教師可以適當(dāng)提供學(xué)習(xí)任務(wù)單，為學(xué)生建立探究支架。

第四步：分析數(shù)據(jù)、解釋現(xiàn)象。在這一環(huán)節(jié)中，教師可以提供多樣化的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析工具幫助學(xué)生將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)制作成可視化的圖表，引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)猜想，形成探究結(jié)果。

第五步：知識檢測、拓展遷移。在這一環(huán)節(jié)中，教師利用在線測試工具對學(xué)生的探究學(xué)習(xí)效果進(jìn)行即時檢測，了解學(xué)生對知識的掌握情況，及時引導(dǎo)、點(diǎn)撥和總結(jié)。同時，利用智慧云平臺為學(xué)生提供與知識探究相關(guān)的資源，拓展學(xué)生的科學(xué)思維，提高學(xué)生的知識遷移能力。

第六步：歸納總結(jié)、反思收獲。在該環(huán)節(jié)，教師通過引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行歸納總結(jié)，組織學(xué)生分享所學(xué)知識與收獲，培養(yǎng)學(xué)生自我反思的意識。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)是學(xué)生認(rèn)知和創(chuàng)新的重要手段和途徑。隨著新興多媒體技術(shù)的快速發(fā)展和普及，虛擬實(shí)驗(yàn)已成為智慧課堂必不可少的重要組成部分。小學(xué)科學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)具有三個鮮明的特點(diǎn)：第一，沉浸性，學(xué)生能夠沉浸到軟件構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)場景中，參與實(shí)驗(yàn)操作。第二，模擬性，虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚰M真實(shí)的小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，讓學(xué)生獲得真實(shí)的場景體驗(yàn)。第三，交互性，學(xué)生能夠與計算機(jī)系統(tǒng)構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行多維交互，例如組裝實(shí)驗(yàn)儀器、測量實(shí)驗(yàn)變量、分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)等，如同在實(shí)際場景中開展科學(xué)實(shí)驗(yàn)一樣。

為什么需要虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)?？究其原因在于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在如下局限性。

常規(guī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于時間和場地的局限，學(xué)生無法在課堂上充分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計與操作，以致對實(shí)驗(yàn)概念與原理的學(xué)習(xí)難以深入。虛擬實(shí)驗(yàn)可以突破時空限制，讓學(xué)生反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

常規(guī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)由于需要花費(fèi)大量資金購買實(shí)驗(yàn)儀器，導(dǎo)致很多科學(xué)實(shí)驗(yàn)項目因經(jīng)費(fèi)不足難以開展;而且有些專業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備獲取難度大，導(dǎo)致有些科學(xué)實(shí)驗(yàn)項目無法進(jìn)行。虛擬實(shí)驗(yàn)可以節(jié)省小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的經(jīng)費(fèi)投入，彌補(bǔ)一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備難以獲得的不足。

常規(guī)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要學(xué)生與實(shí)驗(yàn)設(shè)備直接接觸，往往由于學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作不規(guī)范或者實(shí)驗(yàn)技能不熟練，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)存在安全隱患。小學(xué)科學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)則可以讓學(xué)生開展在真實(shí)環(huán)境中無法進(jìn)行的、危險性大的實(shí)驗(yàn)。因此，與常規(guī)小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，虛擬實(shí)驗(yàn)有著降低實(shí)驗(yàn)成本、共享實(shí)驗(yàn)資源和提高實(shí)驗(yàn)效率的優(yōu)勢，逐漸受到小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教師的青睞，在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用。

根據(jù)在探究性學(xué)習(xí)中教師的引導(dǎo)程度和學(xué)生的主導(dǎo)程度，可以將探究性學(xué)習(xí)分為三個層次：結(jié)構(gòu)式探究、引導(dǎo)式探究和開放式探究。結(jié)構(gòu)式探究，是教師提出問題并設(shè)計探究的過程，學(xué)生跟隨著過程達(dá)到探究的目的。開放式探究，是指從提出問題、猜想假設(shè)、設(shè)計實(shí)驗(yàn)、檢驗(yàn)假設(shè)和得出結(jié)論等整個環(huán)節(jié)都是以學(xué)生為中心，全程由學(xué)生自主或協(xié)作完成。

由此可見，在結(jié)構(gòu)式探究、引導(dǎo)式探究和開放式探究中，教師的引導(dǎo)程度逐漸減少，學(xué)生的主導(dǎo)程度逐漸增強(qiáng)，這符合小學(xué)科學(xué)新課標(biāo)所倡導(dǎo)的教育理念。根據(jù)探究性學(xué)習(xí)中問題的開放程度，也可以將探究性學(xué)習(xí)分為三個層次：淺層探究、適度探究和深度探究。淺層探究，通常以類似“誰”“哪里”“什么時候”等問題發(fā)問，學(xué)生只需利用搜索引擎以簡短的文字就能回答。適度探究，通常以類似“如何”“怎樣”“為什么”等問題發(fā)問，學(xué)生不僅需要利用搜索引擎，還需要借助其他技術(shù)工具才能做出回答。深度探究，通常以“假設(shè)什么，就會怎樣”“你的推斷是什么”“你的依據(jù)是什么”等問題發(fā)問，學(xué)生需要多樣化的工具和手段去推理和論證，并形成自己的觀點(diǎn)。

四、開展虛擬實(shí)驗(yàn)小學(xué)科學(xué)探究性教學(xué)的方式

（一）面向過程的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究性學(xué)習(xí)

由于虛擬實(shí)驗(yàn)的目的是再現(xiàn)和演示實(shí)驗(yàn)的操作過程以揭示實(shí)驗(yàn)原理，其基本程序都是按照實(shí)驗(yàn)的過程預(yù)設(shè)好的，因此，面向過程的實(shí)驗(yàn)的探究性學(xué)習(xí)設(shè)計主要涉及如下環(huán)節(jié)：教師創(chuàng)設(shè)小學(xué)科學(xué)問題情境，提出結(jié)構(gòu)化探究問題，學(xué)生圍繞問題仔細(xì)觀察虛擬實(shí)驗(yàn)演示并記錄實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;同伴之間就觀察的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行交流討論，教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合虛擬實(shí)驗(yàn)分析問題;師生共同揭示實(shí)驗(yàn)原理，建構(gòu)知識。

（二）基于數(shù)據(jù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究性學(xué)習(xí)

由于虛擬實(shí)驗(yàn)的目的在于支持學(xué)生開展實(shí)驗(yàn)探究，并允許學(xué)生在改變實(shí)驗(yàn)條件、變量或者參數(shù)的情況下，記錄、收集、計算與分析數(shù)據(jù)，因此，基于數(shù)據(jù)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究性學(xué)習(xí)方式主要涉及如下環(huán)節(jié)：教師創(chuàng)設(shè)問題情境，提出結(jié)構(gòu)化探究問題，學(xué)生感知情境中的問題，思考解決問題的方法，初步建立猜想，制訂探究實(shí)驗(yàn)計劃或方案;學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，記錄數(shù)據(jù)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，揭示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象;學(xué)生之間相互交流實(shí)驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)異同，引發(fā)認(rèn)知沖突;教師引導(dǎo)學(xué)生思考和分析，建構(gòu)實(shí)驗(yàn)原理，提高科學(xué)探究的思維能力。

（三）接近現(xiàn)實(shí)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)的探究性學(xué)習(xí)

由于虛擬實(shí)驗(yàn)更接近于真實(shí)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在其中像在真實(shí)環(huán)境里一樣自由進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，因此，接近現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)的探究性學(xué)習(xí)設(shè)計主要涉及如下環(huán)節(jié)：教師創(chuàng)設(shè)問題情境，提出開放性探究問題。學(xué)生根據(jù)自己已有的知識經(jīng)驗(yàn)大膽做出猜想，建立個性化假設(shè)，制訂個性化探究實(shí)驗(yàn)計劃或方案;學(xué)生利用虛擬實(shí)驗(yàn)自由進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選擇與組裝、實(shí)驗(yàn)條件的改變與調(diào)節(jié)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與分析、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察與記錄等。在此環(huán)節(jié)中，學(xué)生可以反復(fù)設(shè)計，反復(fù)實(shí)驗(yàn)，反復(fù)驗(yàn)證，直到實(shí)驗(yàn)成功為止。學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)報告，相互之間分享交流，教師組織學(xué)生點(diǎn)評報告，引導(dǎo)學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)過程，進(jìn)而建構(gòu)實(shí)驗(yàn)原理，提高獨(dú)立探究和解決問題的能力。

在智慧課堂中，教師與學(xué)生依托智慧教學(xué)系統(tǒng)開展多樣化的教學(xué)活動與學(xué)習(xí)活動以及多維的交互活動，產(chǎn)生了海量的教育數(shù)據(jù)。智慧教學(xué)系統(tǒng)可以持續(xù)采集、記錄這些動態(tài)生成的教育數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行分析、挖掘與處理，生成各種有價值的、可視化的數(shù)據(jù)圖表并反饋給教師，幫助教師精準(zhǔn)掌握每個學(xué)生的學(xué)習(xí)情況及存在的問題，為教師有的放矢地實(shí)施個性化教學(xué)策略和干預(yù)管理提供科學(xué)依據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)教學(xué)決策全景式數(shù)據(jù)支持，改變以往基于經(jīng)驗(yàn)的教學(xué)預(yù)設(shè)。智慧課堂背景下的小學(xué)科學(xué)探究性教學(xué)強(qiáng)調(diào)對真實(shí)實(shí)驗(yàn)操作過程的模擬，注重學(xué)生的視覺、聽覺和觸覺等不同感官的真實(shí)體驗(yàn)，讓學(xué)生掌握實(shí)驗(yàn)過程或者操作步驟;強(qiáng)調(diào)學(xué)生以自然交互的方式開展實(shí)驗(yàn)，注重對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄、收集、計算與分析，進(jìn)而幫助學(xué)生掌握科學(xué)的方法和建立科學(xué)的思維;強(qiáng)調(diào)為學(xué)生創(chuàng)設(shè)逼真的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，允許學(xué)生像在真實(shí)環(huán)境中一樣開展實(shí)驗(yàn)設(shè)計和操作，進(jìn)而探究實(shí)驗(yàn)原理和發(fā)展解決問題的能力。教師的引導(dǎo)程度逐漸減少，學(xué)生的主導(dǎo)程度逐漸增強(qiáng)，符合小學(xué)科學(xué)新課標(biāo)所倡導(dǎo)的教育理念。