數(shù)智賦能：打造鄉(xiāng)村無邊界學(xué)習的新學(xué)堂

摘 要：科學(xué)課程是一門綜合性基礎(chǔ)課程，具有實踐性，倡導(dǎo)從親近自然走向親近科學(xué)，理解科學(xué)、技術(shù)、社會與環(huán)境之間的關(guān)系，發(fā)展科學(xué)綜合素養(yǎng)，形成正確的科學(xué)態(tài)度與良好的社會責任感。同時，傳統(tǒng)班級教學(xué)已不能滿足學(xué)生的項目化研究，教師的多元化教學(xué)，課程的生活化實施。對此，學(xué)校利用所處的美麗鄉(xiāng)村地域空間與資源，開展田園數(shù)智實驗空間的“校村系統(tǒng)化創(chuàng)建，家校社合作化管理，教研組課程化建構(gòu)以及學(xué)科組項目化教學(xué)”的空間迭代與學(xué)教方式改進；實現(xiàn)學(xué)生學(xué)科綜合實踐素養(yǎng)的發(fā)展，師生學(xué)教方式的創(chuàng)新以及學(xué)校教育管理模式的創(chuàng)新。

關(guān)鍵詞：小學(xué)科學(xué)；田園數(shù)智實驗空間；創(chuàng)建；應(yīng)用；學(xué)教方式

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

科學(xué)課程是一門體現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的綜合性基礎(chǔ)課程，具有實踐性，倡導(dǎo)從親近自然走向親近科學(xué)，理解科學(xué)、技術(shù)、社會與環(huán)境之間的關(guān)系，發(fā)展學(xué)生的基本科學(xué)素養(yǎng)，科學(xué)態(tài)度與社會責任感。靖江第二小學(xué)地處浙江省AA級宜居（景區(qū)）村莊，“雙新、雙減”背景下，校內(nèi)僅有音樂和計算機兩個功能教室，限制了學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展，尤其是科學(xué)實驗的常態(tài)化教學(xué)，更是缺乏“動手+動腦”的專用空間。在當下數(shù)智化轉(zhuǎn)型背景下，數(shù)智技術(shù)融入課堂、賦能教育，不斷重塑著教育生態(tài)，帶來學(xué)習環(huán)境、知識生產(chǎn)與傳播方式、教學(xué)形式的深刻變革。學(xué)校如何基于所處的地域環(huán)境，利用數(shù)智技術(shù)，建設(shè)與應(yīng)用數(shù)智化田園實驗空間，打造鄉(xiāng)村無邊界學(xué)習新學(xué)堂，使其成為對接“雙新、雙減”的有效途徑。

一、小學(xué)科學(xué)數(shù)智化田園實驗空間的創(chuàng)建緣由

（一）傳統(tǒng)的班級空間教學(xué)，不能滿足學(xué)生的項目化學(xué)習

項目化學(xué)習旨在打破學(xué)科邊界，突出學(xué)科的探究與實踐，培養(yǎng)具備融通各學(xué)科思維，應(yīng)對未來社會挑戰(zhàn)的創(chuàng)造性人才。傳統(tǒng)班級空間在倡導(dǎo)以“學(xué)為中心”的課改目標導(dǎo)向下，已經(jīng)不能很好的實現(xiàn)學(xué)生項目化學(xué)習的過程，而與之匹配的數(shù)智化、生活化的新型學(xué)教空間，急需學(xué)校在現(xiàn)有的校園空間基礎(chǔ)上，結(jié)合校內(nèi)外優(yōu)勢資源，進行學(xué)教空間的再造或轉(zhuǎn)型，讓空間里的每一個事物都能支持學(xué)生的項目化學(xué)習。這也是《小學(xué)科學(xué)新課標（2022版）》關(guān)于學(xué)校開展跨學(xué)科教學(xué)所需硬件建設(shè)的指導(dǎo)意見。學(xué)校應(yīng)為學(xué)生搭建項目化學(xué)習的全域空間，讓空間去支持學(xué)生的學(xué)習經(jīng)歷，去孵化學(xué)生的綜合素養(yǎng)。

（二）傳統(tǒng)的班級空間教學(xué)，不能支持教師的項目化指導(dǎo)

跨學(xué)科的項目化教學(xué)是提升學(xué)生解決真實問題能力的有效方式。傳統(tǒng)教室空間往往缺乏問題產(chǎn)生的真實情境，也缺少項目化教學(xué)需要的設(shè)備與材料資源。而基于PBL教育理念，跨學(xué)科教學(xué)需要具備豐富的教學(xué)支架，讓教師有條件引導(dǎo)學(xué)生開展合作實踐，讓課程實施有可能跨界融合，讓傳統(tǒng)單學(xué)科教學(xué)逐步延伸到基于項目的跨學(xué)科教學(xué)。這迫切需要學(xué)習空間的迭代，為教師的跨學(xué)科指導(dǎo)提供必要的真實場域。而學(xué)校所處的美麗鄉(xiāng)村，擁有豐富的科探資源，為教師的項目化指導(dǎo)提供了生活化空間與真實性資源。

（三）傳統(tǒng)的班級空間教學(xué)，不能實現(xiàn)課程的生活化融合

《小學(xué)科學(xué)新課標（2022版）》中指出：將科學(xué)知識應(yīng)用于解決生活中的實際問題，或?qū)ι瞵F(xiàn)象加以解釋，是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)觀念、科學(xué)思維、科學(xué)探究以及態(tài)度責任素養(yǎng)的有效途徑。而實際生活中，僅憑學(xué)生具備的單學(xué)科素養(yǎng)，已不能很好的解決生活中的實際問題，需要讓學(xué)生在生活中經(jīng)歷以“真實問題解決”為目標驅(qū)動的項目化學(xué)習，提升學(xué)生的真實問題解決的能力。而基于PBL教育理念，在生活化的自然場域中建設(shè)與應(yīng)用數(shù)智化田園實驗空間，正是課程生活化實施的課改創(chuàng)新，讓學(xué)生從傳統(tǒng)的班級授課走向多元的學(xué)科項目實踐。

二、小學(xué)科學(xué)數(shù)智化田園實驗空間的創(chuàng)建架構(gòu)

小學(xué)科學(xué)數(shù)智化田園實驗空間是利用學(xué)校所處的美麗鄉(xiāng)村地域資源，借助學(xué)校創(chuàng)建的光明鄉(xiāng)村文化研究院，以PBL教育理念為指導(dǎo)，以項目化學(xué)習為主要方式，以“學(xué)科實踐+創(chuàng)新研究”為主要特征，實現(xiàn)小學(xué)科學(xué)研究所需要的“真實情境、全域空間、物聯(lián)管理、智能監(jiān)測、數(shù)感儀器以及開放學(xué)程”為一體的新型教學(xué)空間（見圖1）。學(xué)校以美麗鄉(xiāng)村田園為基礎(chǔ)場域，在田園黨建網(wǎng)格點規(guī)劃設(shè)計室內(nèi)分區(qū)化、數(shù)智化教學(xué)空間100平方米，室外開放化、實踐化教學(xué)空間300平方米的內(nèi)外聯(lián)動綜合型數(shù)智化田園實驗空間。其中室內(nèi)空間包括“教學(xué)、實驗、展示、監(jiān)測、儲藏以及廢物回收”六個功能分區(qū)，以功能劃分不同的開放式活動區(qū)間，搭建項目化學(xué)習的新型教學(xué)空間。室外空間包括生命領(lǐng)域之鄉(xiāng)村微農(nóng)場和動物園；物質(zhì)領(lǐng)域之鄉(xiāng)村田園物質(zhì)與分層水域等；技術(shù)與工程領(lǐng)域之“教·學(xué)·管”一體的智能灌溉、監(jiān)測、監(jiān)控等數(shù)字化微工程；地球與宇宙領(lǐng)域之數(shù)字化氣象站、土壤巖石、星空觀測等。學(xué)生在“家、校、社”管理一體化、監(jiān)測數(shù)字化、監(jiān)管智能化、學(xué)習項目化、素養(yǎng)綜合化的數(shù)智化田園實驗空間中，基于大單元學(xué)習基礎(chǔ)上，經(jīng)歷“走進情境，提出問題，選定項目；分析問題，制定方案，合作探究；成果梳理，展示總結(jié)，綜合評價”的項目化學(xué)習，興趣濃厚，提升能力，創(chuàng)新思維，符合“雙新”課改導(dǎo)向與“雙減”空間剛需。

三、小學(xué)科學(xué)數(shù)智化田園實驗空間的實踐應(yīng)用

（一）數(shù)智化田園實驗空間的系統(tǒng)一體化應(yīng)用

實驗室的設(shè)計以學(xué)生與地域視角為導(dǎo)向，注重“安全、環(huán)保、簡約、實用、創(chuàng)新”的設(shè)計原則，充分考慮師生的學(xué)教需求與實際，結(jié)合美麗鄉(xiāng)村的田園空間基礎(chǔ)與資源，根據(jù)“空間設(shè)計、功能區(qū)分、規(guī)則制定、設(shè)備配置、主題突出”的設(shè)計思路進行數(shù)智化創(chuàng)建，實現(xiàn)“教學(xué)、研究、智管、數(shù)控”于一體，體現(xiàn)科學(xué)探究與自然融合的新型模式。

數(shù)智化田園實驗空間分室內(nèi)與室外兩部分組成，其中室內(nèi)與室外管理設(shè)備的系統(tǒng)化布局設(shè)計，實現(xiàn)室內(nèi)外科探場域的功能一體化，聚焦科學(xué)探究的真實發(fā)生與長周期項目化學(xué)習，實現(xiàn)科探過程的點狀結(jié)構(gòu)與線性布局相結(jié)合。其中，室內(nèi)空間在傳統(tǒng)實驗教室的功能基礎(chǔ)上，實現(xiàn)與生活中真實事物研究的“近距離、持續(xù)性、自主性、開放性”特點；室外空間建有八大數(shù)智化學(xué)教系統(tǒng)，具體如下。

（1）智能灌溉系統(tǒng)

通過田園自然水域進行取水并引入澆灌系統(tǒng)進行澆灌設(shè)計，節(jié)約成本。智能控制灑水器能夠為不同的植物，打造不同澆灌計劃，并針對不同植物，提出不同的推薦方案，實現(xiàn)正常澆灌和經(jīng)濟型澆灌間的切換等功能。物聯(lián)網(wǎng)全自動澆灌減少了負責教師人為參與，提升了數(shù)智田園實驗空間的智能化及科技氛圍感。

（2）水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)

通過水質(zhì)檢測系統(tǒng)中的不同傳感器實時監(jiān)測田園自然水域的pH值、導(dǎo)電率、溶解氧、水溫及水質(zhì)檢測實驗套裝等數(shù)據(jù)，實時反饋至云端，呈現(xiàn)在數(shù)智化田園實驗空間（光明農(nóng)科院）大數(shù)據(jù)平臺。如過高或過低的pH值（大于8. 5或小于6. 5時）均會使水中的微生物活動受到抑制，硝化細菌的分解作用受阻，有機物不易分解，水體自凈能力降低，水質(zhì)惡化。同時也配置水質(zhì)檢測實驗套裝，開展室內(nèi)小組合作探究。這樣的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)與人工監(jiān)測數(shù)據(jù)，輔助學(xué)生進行田園水質(zhì)的長周期分析研究，為該區(qū)域內(nèi)的動植物和諧生存提供科學(xué)參考依據(jù)。

（3）氣象監(jiān)測系統(tǒng)

氣象站采用高靈敏度數(shù)字探頭，能夠?qū)崿F(xiàn)多項參數(shù)的精準采集：PM2. 5、PM10、噪聲、溫度、濕度、風速、風向、TSP、大氣壓以及雨量、雨雪、輻射、蒸發(fā)量等氣象環(huán)境參數(shù)，實時收集并上傳至云端進行大數(shù)據(jù)平臺分析，通過手機端、PC端、多媒體設(shè)備中查看實時數(shù)據(jù)，讓學(xué)生進行記錄并且以此進行簡單的氣象預(yù)測。通過實地20寸led顯示屏幕輔助智能化氣象站進行數(shù)據(jù)的本地化顯示（見圖2），幫助學(xué)生了解如何利用氣象數(shù)據(jù)更好地培育農(nóng)作物，大數(shù)據(jù)分析鄉(xiāng)村氣象等功能。

（4）土壤監(jiān)測系統(tǒng)

利用土壤檢測傳感器采集土壤溫濕度、pH值、氮磷鉀含量等多種環(huán)境信息，實時監(jiān)測數(shù)值反饋至云端，呈現(xiàn)在數(shù)智化田園實驗空間（農(nóng)科院）大數(shù)據(jù)平臺，可在手機端、PC端、多媒體設(shè)備中查看實時數(shù)據(jù)，了解植物生長中氮、磷、鉀，溫濕度以及酸堿度等對植物生長的影響。同時配置土壤檢測套裝，學(xué)生可以分組開展人工檢測分析土壤的性質(zhì)變化。智能化與人工化的整合，更好的輔助學(xué)生進行土質(zhì)探究，分析不同農(nóng)作物生長所需的不同土壤條件，實施合理施肥，科學(xué)種田。

（5）天文觀測系統(tǒng)

配置尋星望遠鏡（見圖3），定位一個星星的動態(tài)位置，也可以用手控觀看某個星體，加裝尋星裝置，實現(xiàn)精準定位星體等功能。

（6）空間監(jiān)控系統(tǒng)

數(shù)智化田園實驗空間在室內(nèi)外不同分區(qū)部署8個高清攝像頭（見圖4），可在手機端、PC端、多媒體設(shè)備中查看實時畫面，觀察農(nóng)作物生長過程，也便于在曝曬、暴雨、狂風等異常氣象情況下及時搶救作物，遠程操控數(shù)字化設(shè)備與數(shù)據(jù)隔空采集等功能。

（7）數(shù)字直播系統(tǒng)

移動錄播設(shè)備依托小魚易連APP，提供課堂教學(xué)的實時錄制與網(wǎng)絡(luò)直播，通過室內(nèi)外教學(xué)的實時跟蹤直播，在手機端、PC端以及多媒體設(shè)備實現(xiàn)家、校、社以及校級間的教學(xué)信息共享（見圖5）。

（8）成果展示系統(tǒng)

利用多媒體設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)平臺，將實驗室研究的階段性成果實時發(fā)布學(xué)校電子班牌和手機端、PC端、多媒體設(shè)備端，實現(xiàn)實驗室成果信息家校社全覆蓋播報等功能。

數(shù)智化田園實驗空間還配置數(shù)字化顯微鏡和數(shù)碼體視顯微鏡（見圖6）。數(shù)字化顯微鏡能夠觀察微型細胞結(jié)構(gòu)配合實驗探究，數(shù)字化顯微鏡并帶高清成像，方便數(shù)碼記錄觀察到的現(xiàn)象，同時配備自帶光源的光學(xué)顯微鏡11臺，滿足整班學(xué)生的常態(tài)化教學(xué)與科探活動。數(shù)碼體視顯微鏡用于觀察動植物體表面紋路等微觀特征，數(shù)字化表面成像放大顯微鏡，并能將觀察到的物體特征進行數(shù)碼成像記錄。微觀數(shù)碼儀器的配置，為學(xué)生深入觀察動植物的體內(nèi)外細微特征帶來極大方便，也方便及時通過互聯(lián)網(wǎng)進行全校學(xué)生的信息互通分享。

（二）數(shù)智化田園實驗空間的管理合作化建制

學(xué)校以校長為負責人，組建由科學(xué)組、家長志工、鄉(xiāng)村技工共同參與的數(shù)智化田園實驗空間創(chuàng)建與應(yīng)用課題組，設(shè)計“科研、師訓(xùn)、教學(xué)、推廣、保障”六個數(shù)智化田園實驗空間管理運作機制；在“學(xué)科教師研究指導(dǎo)、家長志工安全防護、社區(qū)技工資源保障”的三者協(xié)同下，實施學(xué)生項目化學(xué)習的“項目研發(fā)、實施預(yù)備、項目實施、成果展評、學(xué)教支持”等環(huán)節(jié)，開展常態(tài)化、制度化的項目化學(xué)習活動，促進科學(xué)課程的拓展教學(xué)以及與其他學(xué)科的融合與互補。

（三）數(shù)智化田園實驗空間的項目地域化建構(gòu)

數(shù)智化田園實驗空間的應(yīng)用項目設(shè)計以“雙新”課改為理念導(dǎo)向，以“雙減”新政為時空保障，以“項目化”學(xué)習為基本方式，以家校社一體化協(xié)同管理為運作機制，圍繞科學(xué)新課標“生命、物質(zhì)、地球與宇宙以及技術(shù)與工程”四大領(lǐng)域，13個核心概念，立足鄉(xiāng)村自然資源，建構(gòu)“鄉(xiāng)村植物搜索、鄉(xiāng)村動物尋訪，鄉(xiāng)村田園趣探，鄉(xiāng)村田園氣象與天文，鄉(xiāng)村田園科創(chuàng)”等內(nèi)容模塊（見表1至表4），實施單學(xué)科和跨學(xué)科項目化學(xué)習。

（四）數(shù)智化田園實驗空間的教學(xué)項目化建模

數(shù)智化田園實驗空間教學(xué)應(yīng)用充分利用學(xué)生的課余時間和學(xué)校雙減托管服務(wù)時間，通過學(xué)生親歷見證的一個個自然真實問題，經(jīng)歷“走進情境，提出問題，選定項目；分析問題，制定方案，合作探究；成果梳理，展示總結(jié)，綜合評價”的項目化學(xué)習，實現(xiàn)學(xué)生經(jīng)歷聚焦真實問題的系統(tǒng)性、真實性、拓展性學(xué)習，創(chuàng)新學(xué)生傳統(tǒng)課堂無法經(jīng)歷體驗的學(xué)習過程，促進學(xué)生會質(zhì)疑、會批判、會交流、會合作、會創(chuàng)新、會分享等綜合素養(yǎng)發(fā)展。如科學(xué)學(xué)科項目組研究“水稻的一生”等（見圖7）。

四、小學(xué)科學(xué)數(shù)智化田園實驗室的應(yīng)用成效

（一）數(shù)智化田園實驗空間，開放了科學(xué)課程實施的教學(xué)空間

數(shù)智化田園實驗室打破了教育的時空限制，形成了時時、處處、人人可學(xué)的泛在學(xué)習新形態(tài)，是基于傳統(tǒng)校園實驗室的功能基礎(chǔ)上，依據(jù)項目化學(xué)習的空間需求，創(chuàng)設(shè)真實、自然、動態(tài)、智能的真實學(xué)習環(huán)境，其中“生命延續(xù)、物質(zhì)變化、氣象變遷、技術(shù)革新”與科學(xué)研究的四大領(lǐng)域一一匹配。學(xué)生或?qū)嵖栈蜻h程觀察，或?qū)嵖鼗蜻h程監(jiān)測，或?qū)嵮谢蚓€上分析，或即時或長時研究，實現(xiàn)科學(xué)探究學(xué)習在“時間、空間、過程、交流、分享”等環(huán)節(jié)無邊界學(xué)習，讓新型教學(xué)空間助力學(xué)生的真實學(xué)習與素養(yǎng)發(fā)展。

（二）數(shù)智化田園實驗空間，創(chuàng)新了科學(xué)課程實施的學(xué)教方式

基于PBL教育理念的項目化學(xué)習，是面向所有學(xué)生培養(yǎng)學(xué)科綜合素養(yǎng)的有效途徑，是一種以真實生活、社會情境為背景，通過自主或合作的方式去主動發(fā)現(xiàn)問題，觀察現(xiàn)象，分析原因，設(shè)計方案，真實研究，成果迭代，經(jīng)驗分享的新學(xué)習方式。它打破了一門課、一本書的局限，極大地豐富了教育內(nèi)容，為學(xué)習者廣泛汲取和選擇學(xué)習內(nèi)容提供了無限廣闊的天地。學(xué)生走進數(shù)智化田園實驗空間，帶著傳統(tǒng)課堂中習得的基礎(chǔ)知識與經(jīng)驗，在項目化任務(wù)或問題的驅(qū)動下，讓課程因項目實施而融合在一起，讓學(xué)生因項目需求而主動探究，讓教師因項目推進而跨學(xué)科合作，讓空間因項目實施而多元變化，逐步建構(gòu)教學(xué)一體的新型學(xué)習空間。這種過程是因信息技術(shù)的融合而使教學(xué)中的人、物、環(huán)境的高度統(tǒng)一過程。聚焦學(xué)生的“學(xué)習與需求”，讓學(xué)習空間與教育模式都具有“變”的能力，與生活在其中的師生一起無邊界地互動，從而實現(xiàn)不斷的自我生長，打破了傳統(tǒng)標準化、統(tǒng)一化的教學(xué)模式，為真正實現(xiàn)因材施教提供了可能。

（三）數(shù)智化田園實驗空間，變革了科學(xué)課程實施的管理模式

數(shù)字化田園實驗室的管理，改變傳統(tǒng)實驗室管理的對象、人員、要求與樣態(tài)。首先是管理人員重構(gòu)，改變傳統(tǒng)教師為主，部分學(xué)生協(xié)助式參與，實現(xiàn)“學(xué)科教師、家長志工、社區(qū)技工”的三方能力互補、項目合作、運行協(xié)同。管理過程重構(gòu)，改變傳統(tǒng)面對面純?nèi)斯す芾砟Ｊ?，實現(xiàn)“遠程智能灌溉、實時智能監(jiān)測、一屏智能共享”的超人工管理。管理對象重構(gòu)，改變傳統(tǒng)即時、點狀、碎片實驗研究，實現(xiàn)“生命研究對象的循環(huán)性，物質(zhì)研究對象的周期性，氣象研究對象的季節(jié)性以及工程研究對象的物化性”。

五、結(jié)語

數(shù)智賦能下的鄉(xiāng)村無邊界學(xué)習新學(xué)堂暨數(shù)智化田園實驗空間，打破了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的生態(tài)，創(chuàng)新了基于互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)支撐下的信息化教學(xué)新樣態(tài)，從而讓學(xué)習更加趨向真實，讓課堂更加接軌生活，讓學(xué)校更加富有“智”味！

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（責任編輯：加順花）