小學(xué)科學(xué)長(zhǎng)周期活動(dòng)精準(zhǔn)建模教學(xué)實(shí)踐

摘要：在小學(xué)科學(xué)教育領(lǐng)域，長(zhǎng)周期探究活動(dòng)因其復(fù)雜性和持續(xù)性而構(gòu)成教學(xué)挑戰(zhàn)。教師以“蠶的一生”為例，采用精準(zhǔn)建模教學(xué)方法，基于兒童立場(chǎng)，運(yùn)用數(shù)字技術(shù)，借助圖像建模、實(shí)物建模和思維建模，有效解決了教學(xué)難題。該方法的創(chuàng)新之處在于逆向設(shè)計(jì)和數(shù)智支架的運(yùn)用，促進(jìn)了學(xué)生科學(xué)思維和核心素養(yǎng)的發(fā)展。實(shí)踐表明，精準(zhǔn)建模教學(xué)能顯著提升學(xué)生的有意義學(xué)習(xí)，提高學(xué)生科學(xué)思維能力和學(xué)科素養(yǎng)。關(guān)鍵詞：數(shù)字化教學(xué)；小學(xué)科學(xué)；長(zhǎng)周期活動(dòng)；精準(zhǔn)建模教學(xué)成尚榮先生提出“兒童立場(chǎng)”的教育理念，即教育應(yīng)將兒童放在最重要的位置，兒童不僅是教育對(duì)象，更是教育主體?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡(jiǎn)稱“課標(biāo)”）亦突出了育人導(dǎo)向，強(qiáng)調(diào)對(duì)學(xué)生科學(xué)思維和核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。在小學(xué)科學(xué)教育領(lǐng)域，長(zhǎng)周期探究活動(dòng)常成為教學(xué)難題?！靶Q的一生”作為典型案例，其教學(xué)時(shí)長(zhǎng)近兩月，學(xué)生易出現(xiàn)學(xué)習(xí)興趣下降、記錄中斷等問(wèn)題。筆者提出逆向設(shè)計(jì)和精準(zhǔn)建模的教學(xué)方法（如圖1），旨在有效運(yùn)用模型解決長(zhǎng)周期科學(xué)探究活動(dòng)中的難題，促進(jìn)學(xué)生的有意義學(xué)習(xí)和科學(xué)思維的發(fā)展。一、基于兒童：設(shè)立目標(biāo)，找準(zhǔn)教學(xué)起點(diǎn)精準(zhǔn)建模教學(xué)的核心在于堅(jiān)持兒童立場(chǎng)導(dǎo)向，即教學(xué)目標(biāo)的設(shè)定需遵循兒童的認(rèn)知規(guī)律。課標(biāo)為教學(xué)提供了核心概念和跨學(xué)科概念的指導(dǎo)，而“蠶的一生”單元?jiǎng)t基于對(duì)蠶生長(zhǎng)變化情況的觀察，幫助學(xué)生建立生命周期模型。（一）依據(jù)課標(biāo)明確教學(xué)目標(biāo)“蠶的一生”單元的教學(xué)目標(biāo)需基于課標(biāo)，明確教材編寫意圖和目標(biāo)定位。該單元涉及的核心概念為“生命的延續(xù)與進(jìn)化”，跨學(xué)科概念為“系統(tǒng)與模型”。教材以大單元理念設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與內(nèi)容。筆者根據(jù)課標(biāo)梳理出兩條主線：第一條主線以觀察“蠶的一生”為研究載體，親歷蠶的生長(zhǎng)變化和生命周期現(xiàn)象；第二條主線延伸到對(duì)其他動(dòng)物的認(rèn)識(shí)，遵循“從個(gè)別到一般，從個(gè)性到共性”的認(rèn)知規(guī)律，最終幫助兒童建立生命周期模型。（二）考慮典型困難調(diào)整目標(biāo)長(zhǎng)周期探究活動(dòng)中存在有效探究難、學(xué)生堅(jiān)持難等問(wèn)題。因此，教學(xué)目標(biāo)需根據(jù)實(shí)際困難調(diào)整，側(cè)重于激發(fā)學(xué)生對(duì)長(zhǎng)期觀察的興趣，培養(yǎng)學(xué)生細(xì)致探究和量化觀察的能力。對(duì)“蠶的一生”單元而言，飼養(yǎng)小動(dòng)物是學(xué)生興趣度極高的科學(xué)實(shí)踐活動(dòng)，且早在一年級(jí)學(xué)習(xí)“動(dòng)物”單元知識(shí)時(shí)就有過(guò)觀察蝸牛、魚等常見動(dòng)物的經(jīng)驗(yàn)。但均僅涉及1課時(shí)的短期觀察。參與像“蠶的一生”這樣貫穿整個(gè)單元的觀察活動(dòng)，尚屬首次。這對(duì)于三年級(jí)學(xué)生來(lái)說(shuō)，在耐心、毅力與科學(xué)綜合素養(yǎng)方面都存在很大的挑戰(zhàn)。因此，開展長(zhǎng)周期系統(tǒng)觀察活動(dòng)需根據(jù)實(shí)際情況再度調(diào)整教學(xué)目標(biāo)，應(yīng)側(cè)重“對(duì)長(zhǎng)期觀察興趣的激發(fā)，細(xì)致探究、量化觀察、連貫記錄能力的培養(yǎng)”。（三）結(jié)合學(xué)情基礎(chǔ)優(yōu)化目標(biāo)科學(xué)教學(xué)應(yīng)針對(duì)學(xué)生的不懂、模糊和易出錯(cuò)之處進(jìn)行教學(xué)[1]。教師基于前測(cè)問(wèn)卷和調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析情況，優(yōu)化教學(xué)目標(biāo)，引導(dǎo)學(xué)生將生活經(jīng)驗(yàn)與科學(xué)知識(shí)關(guān)聯(lián)，自主歸納、整理、內(nèi)化，成為方法的構(gòu)建者和規(guī)律的發(fā)現(xiàn)者。例如，利用釘釘前測(cè)問(wèn)卷、調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，摸清學(xué)情。筆者發(fā)現(xiàn)所調(diào)研的浙江地區(qū)幾乎所有學(xué)生都有過(guò)養(yǎng)蠶或見過(guò)別人養(yǎng)蠶。鑒于此，筆者優(yōu)化修正教學(xué)目標(biāo)，使其側(cè)重于“引導(dǎo)學(xué)生將生活經(jīng)驗(yàn)與科學(xué)知識(shí)關(guān)聯(lián)，親歷思維過(guò)程，自主歸納、整理、內(nèi)化，成為方法和規(guī)律的發(fā)現(xiàn)者”。二、逆向設(shè)計(jì)：精準(zhǔn)建模，突破教學(xué)難點(diǎn)筆者開展精準(zhǔn)建模教學(xué)設(shè)計(jì)，堅(jiān)持?jǐn)?shù)智導(dǎo)向，即在教學(xué)過(guò)程中深度融合信息技術(shù)，準(zhǔn)確把握教學(xué)目標(biāo)、內(nèi)容；科學(xué)選擇教學(xué)方法、支架；輔以數(shù)智精準(zhǔn)評(píng)價(jià)，最終使課堂“典型困難”問(wèn)題得以完美解決。（一）圖像建模：利用信息技術(shù)助力思維發(fā)展圖像建模，即借助圖片或立體繪圖、視頻呈現(xiàn)科學(xué)現(xiàn)象、探尋規(guī)律，搭建概念轉(zhuǎn)化的“腳手架”。圖像建模也是最生動(dòng)、直觀的建模方式，在聯(lián)想與具象之間，訓(xùn)練學(xué)生的抽象思維[2]。1.以終為始，轉(zhuǎn)換教學(xué)理念第一，預(yù)期結(jié)果。以“蠶的一生”單元為例，筆者在單元第一課“迎接蠶寶寶的到來(lái)”實(shí)驗(yàn)教學(xué)中就提出了驅(qū)動(dòng)任務(wù)：為蠶寶寶建個(gè)家。第二，結(jié)果導(dǎo)向。精準(zhǔn)提問(wèn)：在這個(gè)“家”里貫穿單元始終的有哪些學(xué)習(xí)活動(dòng)？要完成哪些學(xué)習(xí)任務(wù)？學(xué)生研讀教材發(fā)現(xiàn)，需要飼養(yǎng)蠶、觀察蠶、記錄變化。第三，以終為始。精準(zhǔn)重構(gòu)任務(wù)：如何為蠶建一個(gè)適合生存、便于觀察的“家”？2.關(guān)注需求，優(yōu)化實(shí)踐路徑經(jīng)過(guò)學(xué)生審辯思考，引發(fā)矛盾：現(xiàn)有的蠶盒（家）功能單一、糞便清理不便、觀察工具無(wú)處收納、觀察角度局限、飼養(yǎng)環(huán)境無(wú)法監(jiān)測(cè)、溫濕度不能調(diào)節(jié)……不能滿足精準(zhǔn)探究需求。于是，“搭建一個(gè)智能蠶盒”的想法應(yīng)運(yùn)而生。筆者順勢(shì)關(guān)注學(xué)生需求，提供豐富材料支架和軟件支架，利用學(xué)生自驅(qū)力，精準(zhǔn)激發(fā)探究興趣。3.繪制草圖，軟件精準(zhǔn)建模課標(biāo)建議，教師應(yīng)利用信息技術(shù)這一輔助手段，幫助學(xué)生直觀便捷地習(xí)得知識(shí)。筆者讓學(xué)生手繪草圖，交流討論，尋求解決方案。在此基礎(chǔ)上，引入Soliderworks軟件，指導(dǎo)學(xué)生精準(zhǔn)建模，優(yōu)化設(shè)計(jì)圖。（二）實(shí)物建模：利用技術(shù)支架突破教學(xué)局限實(shí)物建模是常用的建模方法。教師引領(lǐng)學(xué)生按照設(shè)計(jì)圖紙，利用實(shí)物搭建可視化的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停芨咝?shí)現(xiàn)知識(shí)可視化、突破教學(xué)難點(diǎn)。利用“技術(shù)支架”賦能實(shí)物建模，能有效解決教學(xué)痛點(diǎn)。以“蠶的一生”單元實(shí)物建模為例，該“長(zhǎng)周期科學(xué)探究活動(dòng)”中，普遍存在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不夠精準(zhǔn)、實(shí)驗(yàn)記錄容易缺失、長(zhǎng)期觀察缺乏吸引力造成熱情逐漸消減等諸多問(wèn)題，影響學(xué)生思維發(fā)展。1.用“智能模塊”精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)基于“長(zhǎng)周期實(shí)驗(yàn)教學(xué)”的真實(shí)需求，筆者讓學(xué)生在實(shí)物建模過(guò)程中將蠶盒融合“環(huán)境監(jiān)測(cè)智能模塊”的精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)（見表1）與傳統(tǒng)塑料蠶盒相比，利用單片機(jī)編程達(dá)成精準(zhǔn)采集實(shí)驗(yàn)環(huán)境數(shù)據(jù)的目標(biāo)。同時(shí)，為學(xué)生提供數(shù)字化支架，解決蠶飼養(yǎng)環(huán)境難以精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)的問(wèn)題。2.用“觀察模塊”精準(zhǔn)探究筆者利用實(shí)物模型的“觀察模塊”將實(shí)證意識(shí)貫穿科學(xué)教學(xué)中，尊重事實(shí)，捕捉關(guān)鍵信息（見表2）。倉(cāng)體明確分區(qū)，包含飼養(yǎng)區(qū)、結(jié)繭區(qū)、儲(chǔ)藏區(qū)、觀察盒、智控室、記錄室6大功能區(qū)域，并配有攝像頭等配件。一方面，用全天候可夜視攝像頭精準(zhǔn)聚焦蠶的成長(zhǎng)全歷程，做好影像、圖像數(shù)據(jù)處理，培養(yǎng)學(xué)生的理性思維；另一方面，將創(chuàng)新觀察盒與多面放大鏡高效組合，并配以測(cè)量標(biāo)尺，多維合一解決觀察困難典型問(wèn)題，彌補(bǔ)長(zhǎng)期記錄缺失、觀察角度單一等不足。利用其儲(chǔ)存功能還能隨時(shí)回看、調(diào)取查看錯(cuò)過(guò)的蠶的生命周期特點(diǎn)，助力學(xué)生全程可視化精準(zhǔn)探究。3.用“自主模塊”精準(zhǔn)記錄在長(zhǎng)周期探究活動(dòng)中，學(xué)生需要做近2個(gè)月的觀察記錄，極易半途而廢。實(shí)物模型中配備的“自主記錄模塊（迷你打印機(jī)、電子攝像頭等）”具有極強(qiáng)時(shí)代性和吸引力。一方面，學(xué)生用攝像頭實(shí)時(shí)拍照、打印，并將其及時(shí)貼至觀察手賬，激發(fā)了興趣，增強(qiáng)了耐心與毅力，獲得關(guān)于蠶的連續(xù)而豐富的成長(zhǎng)數(shù)據(jù)。另一方面，與“紙質(zhì)記錄手賬”不同，“電子記錄手賬”更為形象，且電子設(shè)備存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)記錄不易缺失。在研究具體問(wèn)題時(shí)，學(xué)生能精準(zhǔn)記錄并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，抓住科學(xué)探究的本質(zhì)。（三）思維建模：關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)知識(shí)內(nèi)化與遷移圖像建模和實(shí)物建模都是依托外部資源建構(gòu)的學(xué)習(xí)方式，若要真正實(shí)現(xiàn)自我認(rèn)知的建構(gòu)和知識(shí)的可視化，應(yīng)逐步內(nèi)化為思維建模。實(shí)物建模和圖像建模主要是對(duì)知識(shí)進(jìn)行獲取和記憶。那么，思維建模便指向?qū)χR(shí)的理解、應(yīng)用及遷移。1.歸納概括，引導(dǎo)思維進(jìn)階筆者幫助學(xué)生建構(gòu)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)、整合知識(shí)結(jié)構(gòu)，并熟練應(yīng)用知識(shí)，進(jìn)而提高學(xué)生從整體上理解和應(yīng)用知識(shí)的能力。筆者讓學(xué)生親歷養(yǎng)蠶活動(dòng)始終，以多種方法觀察記錄，以多種方式參與活動(dòng)，對(duì)單元知識(shí)進(jìn)行歸類、整理，使之系統(tǒng)化。筆者引導(dǎo)學(xué)生持續(xù)記錄形成數(shù)據(jù)脈絡(luò)，順勢(shì)厘清“蠶的一生”生命周期，進(jìn)而過(guò)渡到其他“動(dòng)物的一生”，全面達(dá)成教學(xué)目標(biāo)，幫助學(xué)生實(shí)現(xiàn)思維進(jìn)階。2.深化建模，促進(jìn)思維遷移筆者借助思維模型，引導(dǎo)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，從不同角度思考、分析問(wèn)題，提出新穎而有價(jià)值的觀點(diǎn)和解決問(wèn)題的有效方法。例如，在執(zhí)教“蠶的一生”單元時(shí)，筆者引導(dǎo)學(xué)生對(duì)知識(shí)（體系）進(jìn)行遷移：菜粉蝶也有與蠶類似的生命周期、不同的動(dòng)物有不同的生命周期等。同時(shí)，促進(jìn)建模能力的遷移（學(xué)生對(duì)核心實(shí)物模型“蠶的一生”智能觀察倉(cāng)有新的思考與迭代）：用量筒和濕度控制模塊自制“霧化器”代替原有的桌面加濕器，制作不同孔徑的除沙板，這樣更顯智能，使得除沙更便捷。三、精準(zhǔn)布點(diǎn)：大數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，建立評(píng)價(jià)體系教師開展基于長(zhǎng)周期活動(dòng)的精準(zhǔn)建模教學(xué)評(píng)價(jià)，應(yīng)精準(zhǔn)布點(diǎn)，服務(wù)每個(gè)學(xué)生的可持續(xù)發(fā)展。隨著教育現(xiàn)代化的推進(jìn)，“數(shù)據(jù)”開啟了精準(zhǔn)建模教學(xué)評(píng)價(jià)的全新探索路徑。教師應(yīng)利用數(shù)據(jù)分析的優(yōu)勢(shì)，讓評(píng)價(jià)關(guān)注每個(gè)學(xué)生、促進(jìn)每個(gè)學(xué)生、與每個(gè)學(xué)生對(duì)話，保障評(píng)價(jià)的科學(xué)性、全面性、精準(zhǔn)性，開辟更廣闊的空間。（一）布點(diǎn)成鏈：日常記錄，精準(zhǔn)增強(qiáng)評(píng)價(jià)信度教師可布點(diǎn)成鏈提高評(píng)價(jià)信度。教師日常記錄（學(xué)習(xí)式評(píng)價(jià)）信息應(yīng)注重對(duì)學(xué)生學(xué)科關(guān)鍵知識(shí)和關(guān)鍵能力的監(jiān)測(cè)，提高信度?？梢劳小皢?wèn)卷星”進(jìn)行當(dāng)日學(xué)科情況及時(shí)反饋，實(shí)行一生一檔、一日一記。教師記錄每天的數(shù)據(jù)，布點(diǎn)成線，堅(jiān)持興趣導(dǎo)向，凸顯智力價(jià)值，以“人”為本，支持學(xué)生自主探索，追尋從不會(huì)到會(huì)的意義。（二）梯式拔節(jié)：沉淀數(shù)據(jù)，精準(zhǔn)增加評(píng)價(jià)效度教師可梯式拔節(jié)提高評(píng)價(jià)效度。階段監(jiān)測(cè)（增值式評(píng)價(jià)）應(yīng)注重對(duì)學(xué)生學(xué)科綜合能力的監(jiān)測(cè)。一是基于紙筆練習(xí)進(jìn)行檢測(cè)，開展數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、水平分析，關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)背后的相關(guān)因子，這種監(jiān)測(cè)辦法和機(jī)制已相當(dāng)完善。二是沉淀數(shù)據(jù)實(shí)施檢測(cè)，即引入“雷達(dá)圖”將學(xué)生長(zhǎng)周期活動(dòng)學(xué)習(xí)過(guò)程中的學(xué)習(xí)及表現(xiàn)情況以細(xì)化的評(píng)價(jià)指標(biāo)給出不同等級(jí)，確立“五邊形”（科學(xué)素養(yǎng)、藝術(shù)生活、工程技術(shù)、社會(huì)交往、人文素養(yǎng)）綜合雷達(dá)圖，“五邊形”綜合雷達(dá)圖的5個(gè)分支（科學(xué)方法、科學(xué)思維、表達(dá)交流、創(chuàng)新思維、科學(xué)知識(shí)）又可形成新的“細(xì)化雷達(dá)圖”。雷達(dá)圖的形成以過(guò)程評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的錄入為基礎(chǔ)，基于“校訊通”平臺(tái)的信息化評(píng)價(jià)體系自動(dòng)生成，是對(duì)國(guó)家綜合評(píng)價(jià)改革的有效落實(shí)。學(xué)生利用雷達(dá)圖可以剖析短板，這也體現(xiàn)了精準(zhǔn)建模的階段性效能。（三）互動(dòng)成長(zhǎng)：實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)，精準(zhǔn)彰顯評(píng)價(jià)廣度互動(dòng)成長(zhǎng)彰顯評(píng)價(jià)廣度。實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)（競(jìng)技式評(píng)價(jià)）應(yīng)注重學(xué)生對(duì)學(xué)科知識(shí)的靈活應(yīng)用和素養(yǎng)的提升。筆者以“標(biāo)準(zhǔn)+挑戰(zhàn)”方式激發(fā)學(xué)生參與“長(zhǎng)周期活動(dòng)”的內(nèi)驅(qū)力，設(shè)立獎(jiǎng)項(xiàng)或者晉級(jí)制度，讓每個(gè)學(xué)生不斷進(jìn)階，觸及自己思維、能力的“天花板”。教師可結(jié)合全國(guó)、省、市、區(qū)、校各級(jí)競(jìng)賽，以賽促評(píng)，以評(píng)促學(xué)。教師可以采用該種方式，根據(jù)學(xué)生的能力實(shí)施“分層性、選擇性、自主性”評(píng)價(jià)。采取這些措施能給學(xué)生更大的發(fā)展空間，對(duì)培育和挖掘未來(lái)高素質(zhì)人才具有積極意義。四、精準(zhǔn)建模教學(xué)反思筆者開展小學(xué)科學(xué)長(zhǎng)周期活動(dòng)和精準(zhǔn)建模教學(xué)，雖取得一定成果，但也存在不足。在數(shù)字化監(jiān)測(cè)養(yǎng)蠶活動(dòng)等過(guò)程中，學(xué)生可能過(guò)度關(guān)注數(shù)據(jù)，而忽視對(duì)動(dòng)物狀態(tài)的觀察。教師在教學(xué)中應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生平衡數(shù)據(jù)收集與對(duì)生物本身的觀察，促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展，提升科學(xué)素養(yǎng)。精準(zhǔn)建