應(yīng)用程序在科學(xué)課堂中的實(shí)踐初探

龔凱健

【摘 要】學(xué)校要主動(dòng)應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)，探索跨學(xué)科教學(xué)、智能化教育等教育教學(xué)新模式。智能移動(dòng)終端的普及，讓互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)入駐課堂成為可能，而APP則是實(shí)現(xiàn)這種可能的重要途徑之一。APP在科學(xué)課堂中的應(yīng)用有著顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但還存在著問(wèn)題。因此，教師對(duì)科學(xué)APP的研發(fā)要注重幾個(gè)原則。

【關(guān)鍵詞】科學(xué)課堂 技術(shù)優(yōu)勢(shì) 應(yīng)用現(xiàn)狀 研發(fā)原則

2019年4月2日，教育部發(fā)布《關(guān)于實(shí)施全國(guó)中小學(xué)教師信息技術(shù)應(yīng)用能力提升工程2.0的意見(jiàn)》（以下簡(jiǎn)稱《意見(jiàn)》），《意見(jiàn)》明確提出，支持有條件的學(xué)校主動(dòng)應(yīng)用互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)，探索跨學(xué)科教學(xué)、智能化教育等教育教學(xué)新模式。隨著智能手機(jī)和平板電腦的普及，智能移動(dòng)終端早已成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡墓ぞ?，它讓互?lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)入駐課堂成為可能，而應(yīng)用程序（APP）則是實(shí)現(xiàn)這種可能的重要途徑之一。

一、APP在科學(xué)課堂中的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

科學(xué)課程以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)為宗旨，其課程內(nèi)容涵蓋物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球與宇宙科學(xué)、技術(shù)與工程科學(xué)等四個(gè)領(lǐng)域，與中學(xué)的物理、化學(xué)、生物、地理等學(xué)科相銜接，重在培養(yǎng)學(xué)生對(duì)科學(xué)的興趣、正確的思維方式和學(xué)習(xí)習(xí)慣等。探究活動(dòng)是科學(xué)課程實(shí)施的主要方式，考慮到學(xué)生的認(rèn)知水平，其在實(shí)施過(guò)程中需要大量簡(jiǎn)單、直觀的事實(shí)作為學(xué)生的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，而APP的應(yīng)用能高效地提供這樣的事實(shí)。

（一）數(shù)據(jù)的收集整理

數(shù)據(jù)的收集整理是學(xué)生探究活動(dòng)的重要環(huán)節(jié)。學(xué)生一般以小組為單位收集數(shù)據(jù)并完成紙質(zhì)記錄，教師收齊各組記錄后，以實(shí)物投影的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)展示和匯總，進(jìn)而整理、分析數(shù)據(jù)以得出結(jié)論。這樣的數(shù)據(jù)處理存在兩個(gè)問(wèn)題：一是數(shù)據(jù)涵蓋面不廣，基本是以小組數(shù)據(jù)為藍(lán)本進(jìn)行分析，然后歸納出某個(gè)事實(shí)，容易犯不完全歸納的毛病;二是數(shù)據(jù)分析相對(duì)抽象，難以形成直觀的圖表，給結(jié)論的獲得帶來(lái)困難。

在APP中融入數(shù)據(jù)在線收集功能，能很好地解決上述兩個(gè)問(wèn)題，讓學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)更嚴(yán)謹(jǐn)。如圖1為“水中熱的傳遞”實(shí)驗(yàn)裝置圖，學(xué)生需要檢測(cè)燒杯中間底部1號(hào)點(diǎn)、邊緣底部2～4號(hào)點(diǎn)、中間上部5號(hào)點(diǎn)、邊緣上部6～8 號(hào)點(diǎn)共八個(gè)點(diǎn)的水溫變化。圖2、圖3、圖4是小組活動(dòng)的數(shù)據(jù)記錄。在數(shù)據(jù)輸入的同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)生成折線圖，讓各個(gè)點(diǎn)的水溫變化一目了然。觀察圖2和圖3，我們?nèi)菀装l(fā)現(xiàn)，中間底部1號(hào)點(diǎn)的水溫變化起伏較大，而圖4中間底部1號(hào)點(diǎn)的水溫變化起伏就沒(méi)有其余兩組明顯。三個(gè)小組的數(shù)據(jù)顯示，除中間底部1號(hào)點(diǎn)，其余各點(diǎn)水溫稍有起伏，整體平穩(wěn)上升。圖5為綜合各組數(shù)據(jù)后取平均值得到的信息。我們通過(guò)對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到與圖2、圖3基本相同的信息。

（二）事實(shí)的虛擬呈現(xiàn)

科學(xué)課程中的很多微觀、宏觀事實(shí)不容易被直接觀察，如生命科學(xué)領(lǐng)域的“人體內(nèi)部構(gòu)造”、地球和宇宙領(lǐng)域的“日食和月食”、物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的“溶解現(xiàn)象”等。而利用APP能模擬這些事實(shí)。

在APP動(dòng)態(tài)視圖中，我們?nèi)菀子^察到“心臟舒張，瓣膜打開，血液進(jìn)入心臟，心臟收縮，血液被泵出心臟”的過(guò)程，而屏幕右下角的腳步可以通過(guò)控制速度來(lái)模擬人的運(yùn)動(dòng)量，步速越快，心臟跳動(dòng)得就越快。在學(xué)生了解心臟的工作方式后，教師給出一組模擬心臟工作的實(shí)驗(yàn)材料（如圖6），就可以使學(xué)生厘清實(shí)驗(yàn)材料和被模擬對(duì)象之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系：滴管模擬心臟，擠壓滴管模擬心臟收縮，滴管恢復(fù)原狀模擬心臟舒張，輸液調(diào)速器模擬瓣膜，紅色液體模擬血液。

（三）過(guò)程的真實(shí)展示

在科學(xué)探究活動(dòng)中，某些過(guò)程性學(xué)習(xí)材料作為學(xué)生的第一手觀察數(shù)據(jù)，需要在后續(xù)學(xué)習(xí)中再次被使用，而單純拍照上傳或?qū)嵨锿队罢故镜姆绞郊葻┈嵱譄o(wú)法清晰顯示細(xì)節(jié)。而APP的無(wú)線實(shí)時(shí)傳送功能能方便快捷地實(shí)時(shí)展示或回放，讓學(xué)生能關(guān)注到更多細(xì)節(jié)。常用的APP如“希沃授課助手”等。

圖7為學(xué)生在觀察水加熱時(shí)水中木屑的運(yùn)動(dòng)，通過(guò)“希沃授課助手”的文件上傳功能將其呈現(xiàn)在大屏上，學(xué)生利用視頻回放再次呈現(xiàn)先前的觀察過(guò)程，結(jié)合視頻匯報(bào)闡述，讓其他學(xué)生更直觀地了解其想法?！跋Ｎ质谡n助手”的移動(dòng)展臺(tái)能以直播的形式展示整個(gè)演示過(guò)程，通過(guò)鏡頭的放大讓所有學(xué)生清晰地看到木屑在水中的運(yùn)動(dòng)這一細(xì)節(jié)。

二、APP在科學(xué)課堂中的應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）科學(xué)學(xué)習(xí)類APP現(xiàn)狀

2011年，我國(guó)在線教育類APP首次出現(xiàn)，到2020年，我國(guó)在線教育市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了4858億元。劉丹等人在《移動(dòng)教育APP的研發(fā)現(xiàn)狀與應(yīng)用問(wèn)題分析》一文中將國(guó)內(nèi)的學(xué)習(xí)類APP分為電子閱讀類、中小學(xué)教學(xué)輔助類、幼兒認(rèn)知啟蒙類、外語(yǔ)培訓(xùn)類、職業(yè)教育考試類等。根據(jù)2021年5月中小學(xué)教育類APP數(shù)字用戶洞察調(diào)查（如圖8），我們發(fā)現(xiàn)，排行靠前的APP都屬于中小學(xué)教學(xué)輔助類，所有該類APP均可以免費(fèi)注冊(cè)和使用，但在具體使用過(guò)程中，所有免費(fèi)教育APP軟件均提供教學(xué)內(nèi)容的“APP內(nèi)購(gòu)買”服務(wù)，軟件及部分內(nèi)容免費(fèi)但同時(shí)提供收費(fèi)內(nèi)容。相對(duì)于排行靠前的教育類APP，科學(xué)學(xué)習(xí)類APP在知曉率、使用率、留存率等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后，且面向的用戶群體以學(xué)齡前兒童為主（如圖9）。

（二）APP在科學(xué)課堂中的應(yīng)用現(xiàn)狀

APP已然成為人們重要的生活及學(xué)習(xí)的輔助程序，越來(lái)越多的教師嘗試在課堂中應(yīng)用APP來(lái)提升教學(xué)效率。有的教師在實(shí)踐的基礎(chǔ)上，把常用于科學(xué)課堂的APP歸為四類：生物類（形色識(shí)花、賞花識(shí)花、百度識(shí)圖、微軟識(shí)花等）、化學(xué)類（燒杯BEAKER）、物理類（NB物理實(shí)驗(yàn)）、地理類（地球萬(wàn)象）;有的教師在教學(xué)實(shí)踐中把手機(jī)作為移動(dòng)展臺(tái)來(lái)使用;還有的教師將手機(jī)常用的手電筒、計(jì)算器、指南針、水平儀、放大鏡等用來(lái)代替一些實(shí)驗(yàn)器材。這些教師在科學(xué)課堂實(shí)踐中對(duì)于APP的應(yīng)用進(jìn)行了不同的嘗試，使科學(xué)課堂變得更生動(dòng)、直觀，為一線科學(xué)教師提供了經(jīng)驗(yàn)。

常規(guī)科學(xué)課堂的教學(xué)依托的是教材，上述各位教師都是把某個(gè)APP運(yùn)用到某一特定的教學(xué)內(nèi)容中，這需要教師根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容去搜尋合適的APP。要想讓APP應(yīng)用成為科學(xué)課堂的常態(tài)，教師就需要研發(fā)與教材相配套的科學(xué)學(xué)習(xí)類APP。

三、科學(xué)學(xué)習(xí)類APP的研發(fā)原則

關(guān)于學(xué)習(xí)類APP的研發(fā)，國(guó)內(nèi)外已有相當(dāng)多的研究。國(guó)外的研究有介紹APP界面設(shè)計(jì)的概念、方法和內(nèi)容，闡述“目標(biāo)導(dǎo)向設(shè)計(jì)”的研發(fā)方法，為設(shè)計(jì)者基于用戶體驗(yàn)的設(shè)計(jì)提供指南的;也有基于電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)踐，提出交互設(shè)計(jì)原則和策略的。2015年4月，美國(guó)教育部教育技術(shù)辦公室發(fā)布了《教育技術(shù)開發(fā)人員指南》，明確了教育APP開發(fā)的一般流程：初期調(diào)研—?jiǎng)?chuàng)建模型—評(píng)估反饋—持續(xù)發(fā)展。國(guó)內(nèi)有研究者認(rèn)為，教育類APP應(yīng)具備移動(dòng)化、社交化、游戲化、個(gè)性化、智能化、情境互動(dòng)化等特征;也有人指出，教育類APP不能盲目追隨市場(chǎng)，其開發(fā)應(yīng)該緊跟我國(guó)教育改革的方向，以教育理論為指導(dǎo)，符合教育發(fā)展規(guī)律，促進(jìn)以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)模式的發(fā)展，充分發(fā)揮學(xué)習(xí)者的主體地位，促進(jìn)學(xué)習(xí)者的創(chuàng)造性培養(yǎng)。這些研究成果對(duì)于科學(xué)學(xué)習(xí)類APP的研發(fā)極具學(xué)習(xí)借鑒作用，具體到科學(xué)學(xué)習(xí)類APP的研發(fā)實(shí)際，可以概括為以下幾個(gè)原則：

（一）同一性

科學(xué)學(xué)習(xí)類APP面向的是所有科學(xué)教師和學(xué)生，為方便師生使用，APP要保持與教材的同一性。不同區(qū)域可以根據(jù)各自教材研發(fā)與本區(qū)域相適應(yīng)的APP，可以以“冊(cè)”為單位組織研發(fā)。這一工作可能需要科學(xué)教師團(tuán)隊(duì)的共同參與。在同一性的基礎(chǔ)上，學(xué)校要鼓勵(lì)教師自主研發(fā)符合區(qū)域、班級(jí)實(shí)際的個(gè)性化APP。

（二）公益性

現(xiàn)有的眾多教育類APP都是商業(yè)化運(yùn)作模式。大部分教育類APP雖然宣傳免費(fèi)使用，但都提供教學(xué)內(nèi)容“APP內(nèi)購(gòu)買”服務(wù)?？茖W(xué)學(xué)習(xí)類APP以提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為宗旨，追求如何在有限的科學(xué)學(xué)習(xí)時(shí)間內(nèi)最大限度地讓學(xué)生掌握更多的科學(xué)知識(shí)、形成更高的科學(xué)技能、培養(yǎng)更真的科學(xué)態(tài)度。科學(xué)學(xué)習(xí)類APP的研發(fā)過(guò)程就是對(duì)教材、學(xué)生的研究過(guò)程，是教師本職工作的一部分，因此，其最終的研發(fā)成果都應(yīng)是公益的。

（三）時(shí)控性

2018年8月30日，教育部、國(guó)家衛(wèi)生健康委員會(huì)等八個(gè)部門聯(lián)合印發(fā)的《綜合防控兒童青少年近視實(shí)施方案》和2021年1月15日，教育部辦公廳印發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)中小學(xué)生手機(jī)管理工作的通知》等，都對(duì)學(xué)生使用手機(jī)提出了明確要求?？茖W(xué)學(xué)習(xí)類APP的應(yīng)用必須借助智能手機(jī)或平板電腦等智能移動(dòng)終端設(shè)備。所以，進(jìn)行APP研發(fā)時(shí)，教師一定要把握時(shí)間?？茖W(xué)學(xué)習(xí)的主要方式還是探究活動(dòng)，APP只是學(xué)生學(xué)習(xí)的一個(gè)輔助程序，重在引導(dǎo)學(xué)生參與探究。教師切忌把APP當(dāng)作閱讀文本和觀看視頻的科普工具。

（四）融合性

不同的教學(xué)內(nèi)容會(huì)直接影響APP的設(shè)計(jì)，但是，APP也有一些通用功能。所以，在進(jìn)行APP研發(fā)的整體規(guī)劃時(shí)，教師應(yīng)考慮設(shè)置通用功能區(qū)，可以融合輸入功能（如錄音、攝像、照相等）、傳輸功能（終端機(jī)間的文件傳輸）、文件處理功能（文本處理、圖像處理、數(shù)據(jù)處理等），以方便學(xué)生在課時(shí)學(xué)習(xí)過(guò)程中的使用。

《意見(jiàn)》關(guān)注的是現(xiàn)代信息技術(shù)在課堂中的實(shí)踐。APP相對(duì)于PPT來(lái)說(shuō)，更具實(shí)時(shí)性、互動(dòng)性，對(duì)于教師的現(xiàn)代信息技術(shù)能力也提出了更高要求，需要教師不斷提升自身現(xiàn)代化信息技術(shù)能力，為探索跨學(xué)科教學(xué)、智能化教育等教育教學(xué)新模式而努力。

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