技術(shù)助力小學科學可視化實驗的支架式教學策略

技術(shù)助力小學科學可視化實驗的支架式教學策略《義務(wù)教育科學課程標準（2022年版）》在"課程開發(fā)與利用"中指出：力爭做到課程資源與科學教學有機結(jié)合，信息技術(shù)與科學教學深度融合。教師利用信息技術(shù)將科學問題置于現(xiàn)實生活中，引導學生觀察科學現(xiàn)象，探尋科學知識，激發(fā)學生的好奇心和求知欲，有利于提高學生的創(chuàng)新能力和動手能力。教師要積極參與網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，運用在線學習、微課自學、智能檢索等方式，促進信息技術(shù)與科學學習深度融合，為教學服務(wù)。教師可以利用科學教學網(wǎng)站或資源庫，以及各種網(wǎng)絡(luò)平臺或工具，開展網(wǎng)絡(luò)研修或科學教學信息交流活動，提高專業(yè)水平。教師應(yīng)利用信息技術(shù)手段，如虛擬仿真實驗、數(shù)字化實驗等，讓學生比較直觀便捷地學習相關(guān)知識。學校與教師還應(yīng)關(guān)注數(shù)字化教材、音像資料、多媒體軟件等資源的開發(fā)與使用。如何科學運用支架式教學策略，提高小學生參與科學探究實驗的積極性和課堂教學效率？教師需要引入新穎的教學方法：植入信息技術(shù)使小學科學課堂教學更加生動、形象、有趣，化繁為簡、變靜為動、顯微闡幽，搭建立體式支架使學生思維螺旋形升級。為此，筆者針對小學科學探究實驗構(gòu)建了話題型支架、素材型支架、方法型支架、操作型支架、技術(shù)型支架，提供多樣化的觀察素材，開展數(shù)字化教學，激發(fā)學生觀察興趣，培養(yǎng)科學思維盡可能實現(xiàn)實驗過程和思維過程可視化提高教學實效。引入話題型支架，激發(fā)觀察興趣話題型支架指在導入或過渡教學時，教師根據(jù)自己對文本內(nèi)容的理解和對學生的生活經(jīng)驗、學習起點的了解，提出恰當?shù)脑掝}，以幫助學生搭建承啟學習的橋梁，使他們能夠盡快投入科學探究學習之中，促進學生深度學習，在收集證據(jù)的過程中構(gòu)建科學概念.筆者構(gòu)建的話題型支架結(jié)構(gòu)如圖1所示。對于每次實驗探究活動，教師需要聚焦相應(yīng)的問題，對學生的生活經(jīng)驗或?qū)W習起點要有明確的認識。教師要以生為本設(shè)置話題，選擇學生感興趣且符合其成長規(guī)律、地域特征的具有研究價值的問題開展探究活動。教師在問題評估環(huán)節(jié)起重要作用。評估精準得當是活動順利開展的關(guān)鍵。學生在活動過程中針對問題收集數(shù)據(jù)分組對數(shù)據(jù)進行分析達成共識，構(gòu)建相應(yīng)的科學概念，用以解釋現(xiàn)象、解決問題。學生科學觀念的形成是建立在理解科學概念、規(guī)律、原理的基礎(chǔ)上的。教師讓學生在整個過程中以自主合作、分析討論的方式形成科學觀念，有利于學生在今后的生活中有意識地借助已有科學觀念來解決問題。圖1話題型支架結(jié)構(gòu)學生對學習的主題感興趣就會產(chǎn)生好奇心，且能持久。要激發(fā)學生觀察的興趣，教師應(yīng)精心設(shè)計目標和任務(wù)。教師可以在課堂教學中使用三維動感等相關(guān)課件，變抽象為形象.例如，研究"不同形狀的車輪在斜面上滑下的距離"時，筆者用大屏展示變形金剛引出話題，吸引學生的注意力，激發(fā)學習興趣.學生分組比賽，制作變形金剛（小車），在此過程中研究不同形狀的車輪在斜面上的運動情況。筆者引導學生研究圓形車輪的滑行距離，將前后兩次實驗進行對比，借助三維動畫模擬各種形態(tài)、質(zhì)量的小車在不同斜坡路面環(huán)境下的滑動過程，引發(fā)學生思考影響小車滑行距離的因素還有哪些。興趣是最好的老師。對于低年級學生來說，普遍存在注意力不集中、容易被新鮮事物吸引、對晦澀抽象的知識接受能力差等不足。整節(jié)課，筆者從問題出發(fā)，始終圍繞學生感興趣的話題創(chuàng)設(shè)情境.學生制作變形金剛小車參與比賽是教學明線，學生在比拼的過程中潛移默化地研究了不同形狀的車輪及不同高度的斜面對比賽結(jié)果的影響是教學暗線，雙線完美契合。最后，筆者借助三維動畫對現(xiàn)實環(huán)境難以模擬的實驗進行重現(xiàn)，進一步讓學生在探索中思考影響物體在斜面上運動的因素有哪些。學生在玩樂中學習，更加高效地理解并掌握了相關(guān)知識，也有效拓寬了知識面.提供素材型支架，建構(gòu)立體思維素材型支架指教師讓學生在生活中學會觀察，從中尋找和收集有用的素材，引導學生記錄相關(guān)素材，并對其進行梳理和拓展，提升學生的探究能力。筆者構(gòu)建的素材型支架結(jié)構(gòu)如圖2所示?？茖W探究實踐往往少不了實驗材料的支撐。教師應(yīng)從"學”的角度思考如何讓材料為探究實踐服務(wù)。筆者在課前、課中、課后時刻關(guān)注材料發(fā)揮的作用對學生實踐探索的助益。對于某項活動，課前需要進行下水實驗。筆者分析教材列出的材料能否達成教學目標，如果能夠達成，思考是否有更有效的材料可用，為此開展多材料實驗。如果無法達成，那么需要如何改進實驗材料？課前完成下水實驗并不意味教師在課堂上就可以松懈，還需要關(guān)注學生在課堂上分組合作情況，關(guān)注學生借助教師提供的材料是否能夠解決問題，以及學生在使用材料的過程中有無發(fā)現(xiàn)新問題或有研究意義的發(fā)現(xiàn)。課后，筆者根據(jù)課上學生分組合作的結(jié)果及時總結(jié)反思，能夠順利解決問題,就形成典型材料進行推廣應(yīng)用；如果有新問題或者新發(fā)現(xiàn)，就進一步對材料進行改進，以便幫助學生解決問題.圖2索材型支架結(jié)構(gòu)對于實驗觀察活動，教師準備材料要做到豐富且典型。材料多種多樣，便于學生感性認知，也有利于學生剖析和比對。材料典型，才有利于揭示科學本質(zhì)，方便學生概括。例如，對水進行觀察時，教師要求學生通過多種感官對水的各個方面加以觀察，了解水的物理性質(zhì).為了深化學生的理解，教師往往還讓學生將水與醋、牛奶等進行對比。為了讓學生更好地構(gòu)建"無固定形態(tài)”的概念，筆者準備水、木塊、氣球等不同狀態(tài)的物品，將水注入不同容器，控制氣球容積，讓學生以目視、觸摸等方式對其進行探究，引導學生了解不同狀態(tài)下物體的區(qū)別，以此了解水是"無固定形狀”的液體等特點。此外，筆者還播放相關(guān)視頻讓學生觀看自然界水的存在形式、水與其他物質(zhì)的區(qū)別，認識水對生命維系的意義。整節(jié)課，筆者在技術(shù)支持下，循序漸進開展觀察和探究活動,使學生在無形中提升了認知。實驗、觀察是科學學習中非?；A(chǔ)且極其重要的環(huán)節(jié)，并非所有方面都需要全面精細觀察，應(yīng)結(jié)合實際具體安排，引導學生在觀察與親身體驗中形成相關(guān)的情感、態(tài)度和價值觀。運用方法型支架，訓練觀察技能方法型支架指教師為促進驅(qū)動任務(wù)能動且高效開展，為學生提供有結(jié)構(gòu)材料、思維導圖、方案、評價量表等元素的過程性指導和幫助，便于學生理解概念，承擔并完成角色任務(wù)，開展多元化研究。筆者設(shè)計的方法型支架結(jié)構(gòu)如圖3所示?；顒右潦?，筆者確定任務(wù)目標，明確整個活動需要研究什么問題，選擇合適的方法及角度，對比研究結(jié)果，分析獲取的數(shù)據(jù)，從而獲得證據(jù)，解釋現(xiàn)象。如研究結(jié)果達成了相應(yīng)的任務(wù)目標即研究結(jié)束；如研究結(jié)果未達成相應(yīng)目標，分析原因，再次確認研究問題，以多種方法、多個角度再研究。以此培養(yǎng)學生多角度分析、多方法探究，以及用迭代思維分析問題的能力。圖3方法型支架結(jié)構(gòu)科學課堂上的實驗和科學家操作的實驗存在一定的差別。課堂實驗多是簡化的科學探究，且學生需要在教師的引導下操作。為了提高教學效率，教師要不失時機地合理引導。低年級和中年級的學生還不具備實驗操作技能，教師需要設(shè)計好操作步驟，并了解學生的具體狀況，對可能出現(xiàn)的問題及時幫助解決。筆者在教學"磁鐵能吸引什么"時，從學生原有的認知"磁鐵能吸引鐵"出發(fā)，引出問題：除了吸引鐵制物品以外，磁鐵能吸引其他金屬嗎？它們彼此可以吸引嗎？磁鐵到底可以吸引什么？以此開啟探究。對于三年級學生來說，還缺乏自主探究能力，因此在實驗過程中需要教師在方法上給予指導。筆者組織學生就"磁鐵到底可以吸引什么”等問題進行討論，并對學生的討論結(jié)果進行收集、匯總，利用電子表格制作"討論結(jié)果表”。同時，為學生提供磁鐵、鐵品、鋁品、銅品、電池、玻璃、紙、橡膠、塑料、木塊等材料并對其編號，讓學生使用磁鐵對其逐一吸引，收集實驗結(jié)果，并用電子表格制作"實驗結(jié)果表筆者展示“討論結(jié)果表"和"實驗結(jié)果表"，通過肢體、語言等吸引學生關(guān)注表格信息，引導學生對'討論結(jié)果表"及"實驗結(jié)果表"進行比較分析，判斷正誤。在筆者的引導下，學生自然而然學會了研究方法。最后，筆者讓學生在教室內(nèi)尋找能被磁鐵吸引的物品，讓他們學以致用，對研究方法進行鞏固和提升。"磁鐵能吸引什么"整個探究過程，以教師為主導，學生為主體，合理利用了辦公軟件提煉實驗內(nèi)容，使得教學過程雜而不亂、思路清晰。在科學研究中，成年人運用提出問題、分析問題、問題探究、問題總結(jié)的學習方法，能夠迅速整理研究思路，在探究過程中迅速接近問題及答案的本質(zhì)。但學生年紀較小，問題總結(jié)、探究能力較為薄弱，教師在教學過程中，應(yīng)該引導學生合理利用數(shù)字技術(shù)，并且承擔好思路整理者及節(jié)奏把控者的角色，循序漸進地探究問題。搭建操作型支架，增強觀察效果操作型支架指教師在指導學生修正課堂實驗或課后拓學時，引導學生比較分析，自己嘗試將思維導圖按圖索驥或表達方式，修正原有的方法，反復進行實驗對比，進而學會如何分析修正實驗并總結(jié)經(jīng)驗。筆者設(shè)計的操作型支架結(jié)構(gòu)如圖4所示。一堂課需要教師與學生在活動中扮演重要的角色。教師需要為學生設(shè)定符合其認知水平的目標，并選擇合適的資源，為學生建立科學觀念提供助力；根據(jù)學生能力水平設(shè)計問題和任務(wù)。學生作為教學的主體，其活動過程是課堂的重中之重。學生在活動前討論需要解決的問題，根據(jù)已有認知經(jīng)驗提出自己的猜想，借助教師提供的資源在實踐過程中以多種學習方式獲取證據(jù)提出見解，總結(jié)經(jīng)驗，內(nèi)化知識，提升學習能力，在課后能夠解決生活中的實際問題。這是科學教學提高學生科學素養(yǎng)的重要方式。圖4操作型支架結(jié)構(gòu)實驗教學中，受時間和空間以及環(huán)境所限，部分實驗無法在實驗室中完成.教師需要搭建實驗?zāi)Ｐ陀妙惐鹊姆椒ㄍ扑阆嚓P(guān)數(shù)據(jù)，用于科學實驗。教師在搭建模型中，需要抓住實驗的主要達成目標和類比模型所應(yīng)具備的特征，讓學生在實驗操作過程中盡可能減少其他要點對實驗現(xiàn)象的影響，以達成實驗?zāi)康摹９P者在教學"用沉的材料造船"時，播放視頻"木頭能浮在水面上可以造船"引出話題，讓學生產(chǎn)生認知沖突"為什么沉入水里的鋼鐵做成船卻能浮在水面上”.學生有了認知沖突，就會有研究的興趣，進而提出自己的觀點。受鋼鐵的鍛造工藝限制，借助在水中同樣會沉的橡皮泥來代替鋼鐵進行研究，學生也能夠自然而然接受這樣的模型建構(gòu)。學生完成"不同形狀橡皮泥在水中的沉浮狀態(tài)”的實驗，借此探究鋼鐵大船能在水中航行的秘密.學生將相同體積的橡皮泥捏成實心球、實心立方體、條形、餅形、空心球、船形等形狀，觀察其在水中的沉浮狀態(tài)，并借助電子表格對實驗結(jié)果進行收集整理.在整理表格信息的過程中（見表1）,學生對排開的水量這個概念進行了建構(gòu)，并根據(jù)結(jié)果探討不同形狀橡皮泥在水中呈現(xiàn)不同沉浮狀態(tài)的原因。筆者組織學生觀看不同規(guī)模船舶入水及其排水量介紹的視頻，并引導學生分析橡皮泥排水量實驗結(jié)果，了解巨輪在水中航行的科學原理。表1橡皮泥排開的水量科學實驗是追求真理道路上必不可少的一環(huán)。然而，因?qū)嶋H條件限制，很多時候?qū)W生無法模擬真實環(huán)境求證獲得答案，教師搭建模型，引導學生推算真實數(shù)據(jù)為科學實驗提供了重要支架。結(jié)合實際，利用傳統(tǒng)與數(shù)字手段建模并進行數(shù)據(jù)分析，既可以提高學生的動手能力及探究興趣，又便于學生將理論聯(lián)系實際，學以致用。巧用技術(shù)型支架，提高教學效率技術(shù)型支架指教師在教學過程中，將抽象難懂的理論知識與學生實際經(jīng)驗聯(lián)系起來，引導學生借助技術(shù)手段獲取信息，主動建構(gòu)知識體系，并將其內(nèi)化，在日后的學習生活中加以運用。筆者設(shè)計的技術(shù)型支架結(jié)構(gòu)如圖5所示。在教學過程中，有些問題教師無法借助已有的材料或者語言清晰地向?qū)W生表述，而借助技術(shù)手段可以有效解決這個難題。學生運用數(shù)字技術(shù)發(fā)現(xiàn)科學規(guī)律或?qū)W會學習方法，也是學習能力的提升.圖5技術(shù)型支架結(jié)構(gòu)以往教師采用傳統(tǒng)方式開展實驗教學，沒有辦法讓所有學生清晰觀察到實驗操作的全部過程以及實驗的具體狀況。教師利用多媒體等數(shù)字技術(shù)可以將演示過程清晰地展現(xiàn)在學生面前，激發(fā)學生學習興趣，有利于突破教學重點和難點。例如，"晝夜和生物"教學重點在于促使學生掌握動植物和晝夜的關(guān)系，了解晝夜對動植物的影響難點是針對夜行動物進行觀察。筆者借助多媒體顯示出多種夜間動物活動的情況，讓學生不會再因為時間和空間的約束而無法觀察，且便于學生思索和互動，探究出動物夜間活動規(guī)律，突破重點和難點。又如，對于與發(fā)霉、生銹、種子相關(guān)的實瞼，學生不可能在短時間內(nèi)看到特定現(xiàn)象，筆者利用視頻、虛擬實驗讓學生在短短幾分鐘里就直觀了解現(xiàn)象形成的過程。再如，研究"我們是怎樣聽到聲音"時，需要讓學生了解耳的結(jié)構(gòu)和功能，但實驗器材室的耳模型并沒有很好地展示出鼓膜、耳蝸、聽小骨等結(jié)構(gòu).筆者借助3D解剖軟件幫助學生了解人耳各部分的結(jié)構(gòu)組成，讓學生根據(jù)各部分結(jié)構(gòu)所處的位置和特點闡述它們發(fā)揮的作用。受制于時間、環(huán)境、經(jīng)濟條件等因素，在日常的實驗教學中，許多實驗還不能按照預(yù)期完美執(zhí)行。教師使用視頻、音頻、課件等多媒體設(shè)備，在短時間內(nèi)為學生演示已有的實驗過程及結(jié)果，是非常必要且合理的.蠶的生長周期較長，且實時觀察難度較高。筆者在教學中利用記錄蠶從出生到死亡整個過程的紀錄片作為教學素材，并依據(jù)視頻為學生講解，引導學生推理，讓學生直觀了解蠶的成長過程。引導學生對菜粉蝶一生進行觀察、推理，讓學生將知識融入日常生活中.教師利用技術(shù)手段能夠進一步完善教學，讓學生能夠在更高層次進行自主探究，促進其全面發(fā)展。值得注意的是，數(shù)字技術(shù)并不能完全取代原有的教學手段，兩者也不是對立的關(guān)系，借助技術(shù)彌補原有教學手段達不到的效果才是核心所在.例