小學科學數(shù)字化教學策略的運用

季榮臻

摘要： 隨著社會的發(fā)展，計算機與網絡的應用拓展了師生獲取資源的途徑。信息技術與學科教學高度融合，既是全面實現(xiàn)教育現(xiàn)代化的基礎，又是實現(xiàn)教育現(xiàn)代化的途徑和方法。小學科學教師針對不同的課程，運用多媒體、虛擬實驗、傳感器等信息技術優(yōu)化教學結構、方式與過程，有利于提高教學質量，實現(xiàn)“意義理解”的教育教學目標。

關鍵詞：信息技術;小學科學;數(shù)字化教學

在信息技術高速發(fā)展的時代，數(shù)字化的資源與技術已經廣泛應用于各領域?！盎ヂ?lián)網+”和“智能化”時代，小學科學教師需要研究如何將硬件采集設備和軟件處理系統(tǒng)引入小學科學的探究式教學中，使信息技術與傳統(tǒng)的教學手段有機結合，采用更為科學、高效的方法優(yōu)化小學科學課堂上學與教的生態(tài)，提高學生動手實驗的能力、細致全面的觀察能力與合理判斷實驗現(xiàn)象的能力，使學生更好地理解學習的意義和價值。

一、善用多媒體，優(yōu)化教學結構

目前，利用信息技術輔助教學已經成為現(xiàn)代教育的主要方式，教師利用形、色、聲、情等表現(xiàn)手段，可創(chuàng)設形象、生動、直觀的情境和輕松愉悅的環(huán)境^[1]。

（一）優(yōu)化教學情境，激發(fā)學習興趣

對于一些科學知識，學生僅通過閱讀文字或圖片是難以理解的。教師僅靠“一本書、一張嘴”教學，很難讓學生對科學產生興趣，因此，有必要利用多媒體技術創(chuàng)設適宜的教學情境。

教師在教學過程中，針對教學內容選擇合適的音頻、視頻、動畫等進行演示，不僅可以吸引學生的注意力，而且能化靜為動、化無聲為有聲、化抽象為形象、化“不可見”為“看得見”，以最直觀的感受引發(fā)學生思考，調動學生學習科學的積極性，讓課堂教學充滿活力。例如，對于“連續(xù)觀測一杯熱水的降溫過程”的探究活動，傳統(tǒng)的教學方法一般是教師讓學生用普通的水溫計測量、記錄數(shù)據(jù)，每隔1分鐘讀數(shù)記錄1次水溫，然后基于畫曲線圖整理、分析數(shù)據(jù)。這樣教學，學生花了大量時間進行測量、分析，但收集的數(shù)據(jù)誤差很大。筆者在傳統(tǒng)教學的基礎上用溫度傳感器展示學生探究的過程，體現(xiàn)了數(shù)據(jù)測量的便捷性和精準性。數(shù)字化軟件實時采集數(shù)據(jù)，自動生成動態(tài)圖表，有利于學生將思維聚焦到探究水溫的變化規(guī)律上。學生利用新技術在新情境下開展實驗探究活動，使實驗現(xiàn)象清晰可見，知識難點得以突破，學習更加高效。

（二）優(yōu)化教學時間，提高學習效率

信息集成是多媒體的主要特征之一。教師可以利用動畫軟件和幻燈片等工具對文本、聲音、圖像、視頻等素材進行綜合處理，制作成精美的教學課件。教師借助這些資源和手段，可以將一些傳統(tǒng)教學模式中持續(xù)時間短，只能呈現(xiàn)最終結果而無法讓學生觀察到實驗過程中的細節(jié)與現(xiàn)象的實驗進行過程重現(xiàn)，如“聲音的產生”和“傳播的探究”;可以將學生只能進行初始的操作而無法在課堂上獲得即時性實驗結果的實驗內容“濃縮”到相應的課時內，隨堂展現(xiàn)，縮短實驗周期，同時減少教學過程的板書時間，如“種子發(fā)芽條件”和“鐵釘生銹原因的探究”。教師合理利用多媒體信息集成優(yōu)勢，可以幫助學生在有限的時間內獲取更多的信息^[2]。此外，多媒體課件操作方便，內容呈現(xiàn)形式靈活多樣，教師用其教學可充分調動學生主觀能動性，提高效率。

（三）優(yōu)化信息反饋，提高課堂評價有效性

科學探究離不開實驗。教師讓學生參與實驗并親歷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程，能使其對科學知識理解更透徹。在此過程中，課堂實驗記錄單的運用尤為重要，做好這項工作不僅能提高學生的邏輯思維能力，而且能幫助學生提高操作能力。教師應對學生記錄情況進行及時反饋與評價。

傳統(tǒng)教學模式下，師生交流方式較為單一：教師請個別學生發(fā)言匯報，對其進行點評。這樣的反饋互動存在明顯弊端：其余學生參與率低，注意力容易轉移，沒有及時關注他人的發(fā)言及教師的點評。實際上，學生的記錄不可能千篇一律，如果反饋不及時或者不充分，就無法達到教師與學生、學生與學生交換信息的目的，教師的評價也缺乏“說服力”。現(xiàn)在，教師可以利用數(shù)字化的交流平臺，及時將各組學生的記錄單完整地展現(xiàn)出來，以便相互交流。教師對學生記錄內容進行對比，可以發(fā)現(xiàn)問題并及時解決，增進師生互動，提高課堂評價有效性。例如，在“電路暗箱”的教學中，教師讓學生自主設計并制作電路暗箱，小組之間通過交換電路暗箱來互相“解暗箱”;教師利用云記錄單記錄檢測過程及結果，使“解暗箱”的過程可視化，實現(xiàn)電路內部情況和外顯現(xiàn)象“互動”;教師借助軟件，實現(xiàn)小組之間的數(shù)據(jù)互傳，達到“互檢”的效果。專業(yè)軟件與教師端、學生端的系統(tǒng)運作，實現(xiàn)了班級數(shù)據(jù)共享，使學生個體加工、集體研討的評價過程無縫銜接。

二、巧用虛擬實驗，優(yōu)化教學方式

探究式教學是小學科學教學的重要方式之一，它可以幫助學生更好地理解科學理論知識。但在教學過程中，受探究資源及環(huán)境影響，部分探究活動停留在表層，無法達到教師預期效果。

傳統(tǒng)的實驗教學給學生的視覺感受大多是平面的、單一的。對于一些實驗，教師播放視頻或演示課件，顯然是不夠的，需要利用虛擬仿真技術模擬營造富有真實感、交互式體驗的實驗場景。學生借助計算機軟件，在虛擬的環(huán)境中模擬實驗操作、體驗交互過程，通過自主操作，從而理解、掌握科學知識^[3]。例如，在教學“肺和呼吸”時，教師使用矩道3D虛擬實驗室軟件來輔助教學。學生調用該軟件中的3D人體模型，可以直觀地看到肺在人體中的準確位置，以及呼吸過程中肺的運動狀態(tài)。

不僅如此，學生還可以使用軟件中的“拆分”功能，詳細了解組成呼吸系統(tǒng)的主要器官，如鼻、喉、氣管、肺等器官，并點擊各個器官，深入了解其形態(tài)及結構（如圖1）。在3D模型的演繹下，復雜的人體結構變得鮮活有趣，再加上教師對各器官功能的講解，學生對知識理解更透徹，記憶更深刻。

實踐表明，虛擬實驗室輔助教學較好地化解了部分實驗“教師難教，學生難學”的難題，虛擬實驗效果等價于甚至優(yōu)于真實實驗效果。

三、妙用傳感器，優(yōu)化教學過程

（一）教學儀器的升級

傳統(tǒng)的科學實驗教學中，受實驗器材等限制，教師只能開展一些簡單的定性描述和推理實驗活動，定量實驗很難開展。即便開展，也存在實驗數(shù)據(jù)誤差大等問題，實驗效果很難達到預期。如今，數(shù)字化傳感器的應用為定量實驗創(chuàng)造了條件。傳感器具有智能、靈敏、精確度高等特性。學生在探究實驗中巧妙利用傳感器，可以使數(shù)據(jù)更精確，讓實驗結論更有“說服力”，從而降低實驗難度，提高實驗效率。

例如，小學生對聲音的大小和高低這兩個概念很容易混淆，很多學生誤認為聲音越大音調越高。在教學“聲音”這一內容時，教師利用聲波/聲級傳感器可以直接檢測到整個聲音的衰減過程，并且在計算機上通過“聲紋識別”清晰地呈現(xiàn)這一過程。傳感器技術的應用使看不見的“波”變成直觀的曲線，以動態(tài)圖的形式建立數(shù)形關系，方便學生透過現(xiàn)象認識本質，減輕了學生的認知負擔。

教師利用傳感器技術替代傳統(tǒng)的測量儀器來完成力、聲、光、電、熱、磁等多種數(shù)據(jù)的采集，引導學生學會將無法直接觀察到的物理量轉化為可見的物理量，間接觀察可使科學探究更規(guī)范、更科學、更生動、更有效。

（二）智能移動終端App的調用

信息化時代，智能移動終端已成為人們日常生活中不可或缺的工具，如智能手機、平板電腦等，它是集通信、網絡訪問、智能控制、媒體播放、計算服務于一體的智能設備。目前，絕大多數(shù)平板電腦或智能手機中載有重力加速度傳感器、光敏傳感器、GPS接收傳感器、磁力傳感器、聲音傳感器、溫度傳感器等。基于此，滿足不同人群的不同需求的App應運而生。教師選用合適的App開展科學探究實驗，不僅能增強課堂趣味性，而且能有效提升學生的體驗感。

例如，在教學“看星座”時，教師使用“Star Walk2”App就起到很好的輔助作用。教師使用該軟件根據(jù)需要選擇不同視角觀察指定的星座，利用手機中的磁力傳感器匹配到學生上方的天空，讓學生觀察該區(qū)域內的星座，將畫面投射到教室墻面上，給學生以身臨其境的感覺，增強體驗感。除此之外，該應用中還含有Sky Live功能模塊。教師使用該功能可以讓學生精確了解當日的日落時間、月相以及太陽系行星的實時數(shù)據(jù)，優(yōu)化“探索宇宙”單元所有教學內容。

四、綜合運用信息技術，優(yōu)化項目教學

小學科學是一門具有科學性、實踐性的綜合課程。教師應鼓勵學生將所學知識與生活中的實際問題結合起來創(chuàng)造性地學習。學生親身體驗探究過程、及時獲取第一手資料尤為重要。傳統(tǒng)的探究教學不夠直觀形象，加之實踐活動往往受多種因素制約，故教學效果不理想。教師利用信息技術開展小學科學項目教學，能取得較好的效果。

（一）“感知生長”項目教學

教師利用物聯(lián)網技術開展“感知生長”實踐活動，與學生共同開啟了“動物養(yǎng)殖”和“植物種植”之旅。為滿足“感知生長”項目教學的需求，學校建立了微型數(shù)字化“農博園”系統(tǒng)，構建數(shù)字化種養(yǎng)植環(huán)境，通過實時監(jiān)測某種植物或動物的生長情況，動態(tài)實時采集相關參數(shù)、動植物生長的階段性照片等信息。教師綜合應用傳感技術、云技術和物聯(lián)網技術，采用傳統(tǒng)教學與數(shù)字化教學相結合的方式教學，讓學生承擔種植養(yǎng)殖探究任務，在科學探究和實踐的過程深入學習動植物生長知識，掌握觀察、比較、分析、綜合等科學方法，提高科學綜合素養(yǎng)。

以“植物種植”為例，在學生初學種植時，教師先示范再要求學生獨立完成播種和幼苗移栽任務，以此培養(yǎng)學生規(guī)范操作的習慣，鍛煉他們獨立完成任務的能力。隨后，在每次實踐課中，學生認真觀察植株的生長變化情況，主動參與人工澆灌、施肥、除草等田間勞作。切實的農耕勞作讓學生更加親近自然，體驗農耕的辛苦;物聯(lián)網感知技術的學習增進了他們對新科技的了解，體驗信息技術為生活帶來的便利?！案兄L”基地數(shù)字化系統(tǒng)包括視像監(jiān)控系統(tǒng)、氣象系統(tǒng)、土地監(jiān)測系統(tǒng)及澆灌控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用各種傳感器測得數(shù)據(jù)，再通過網絡傳輸給后臺控制子系統(tǒng)。學生利用“感知生長”App便可以通過移動終端或個人計算機遠程觀測植物生長情況。從教師帶領學生認識設備及傳感器，到閱讀實時數(shù)據(jù)，最后再到學生獨立操作，全程都有信息技術的加持。每天學生按時通過智能手機在“感知生長”App中對農場環(huán)境進行監(jiān)測，監(jiān)控數(shù)據(jù)包括土壤溫濕度、大氣壓力、二氧化碳含量等。學生根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時開啟遠程澆灌系統(tǒng)，為植株補充水分。除此之外，“感知生長”App支持不同學校之間的資源共享。教師在App內為學生設置了多個活動項目，讓學生根據(jù)觀察情況在各項目內寫下每次的活動記錄或觀察日志。

（二）STEM項目教學

近年來，信息技術已經成為轉換、整合、優(yōu)化教學方式的強大工具。特別是在STEM（科學、技術、工程和數(shù)學）項目式學習中，信息技術可以融入科學探究、 方案設計、 模型建構、互動交流、反饋評價等學習過程中，促進學生的學習方式從傳統(tǒng)的“聽講—任務—練習”的模式向“情景—探索—遷移”的模式轉變，有利于學生對科學知識的深度理解和遷移轉化。

在“建橋梁”STEM項目式學習中，教師利用信息技術整合多種學習方式，讓學生與集仿真情景、 數(shù)字模型、 虛擬測試、 迭代設計于一體的“做橋吧”（“Bridge It”）游戲軟件和數(shù)字化學習平臺進行交互式學習。

“Bridge It”是一款橋梁制作與載重測試的游戲軟件，游戲環(huán)境有沙漠和森林，支持玩家選材建橋，考驗玩家在戰(zhàn)略與多種類型的橋梁工程設計方面的能力。當橋建好后，系統(tǒng)啟動程序，讓旅客列車、重載貨車和橋下的船只通行，用以檢驗橋梁設計水平與穩(wěn)固程度。隨著車輛的行駛（如圖2），橋梁的不同組件開始變色，玩家會看到張力與壓力是怎樣“實時”變化的：綠色表示沒有受到大的應力（張力或壓力），紅色表示組件即將損毀。游戲的智能評分系統(tǒng)會對玩家的建橋水平打分，包括設計和成本等方面。學生在“Bridge It”虛擬建橋活動中，通過數(shù)字化協(xié)作平臺互動交流，認識了常見的橋梁類型及其特點，意識到要在目標情境中建造適合的橋梁需要考慮橋的功能、橋梁類型、選材、選址等因素，不斷完善自己的設計方案，再制作實體模型，借助數(shù)字化傳感器進行測試，再迭代改進……學生在信息技術支持下參與STEM項目式學習活動，學會了輸出觀點，掌握了系統(tǒng)化的工藝流程、科學實驗與測試的知識以及科學論證與評估的方法。

信息技術與小學科學教學有機融合，彌補了傳統(tǒng)實驗的“缺失”。學生利用信息技術開展科學學習，能夠更好地掌握分析、綜合、推理、判斷等思維方法，深化對知識的理解并將其應用于新的問題情境中。在信息技術快速發(fā)展的時代，科學教師要對數(shù)字化手段做深入分析，敢于嘗試，讓數(shù)字化教學在科學課中發(fā)揮獨特的作用，達成知識掌握、意義建構和知識遷移這三大目標，促進學生的“意義理解”，提升科學課堂教學的品位。

注：本文系江蘇省中小學教學研究第十三期立項課題“指向‘意義理解的小學科學教學設計研究”（編號：2019JK13-L05）的階段性研究成果。

參考文獻

[1] 馬彩霞.巧用多媒體技術，全面培養(yǎng)學生能力[J].吉林教育， 2017（5）：74.

[2] 容熙忠.信息技術與學科的整合[J].新課程.教師，2010（7）： 127-128.

[3] 楊曉東.數(shù)字化讓小學科學實驗更“科學”[J].中學課程輔導（江蘇教師），2014（14）：95.

（作者系江蘇省無錫市教育科學研究院教研員、高級教師，無錫市小學科學學科帶頭人）

責任編輯：祝元志