以数字教材为载体的小学生科学素养培养策略

北京教育科学研究院 李 敏

新课改后的新教材要求将新的课程理念转化成可操作的教学活动，以教材推动从上到下的课程理念落地。纸质教材作为课程标准落地与课堂教学间的桥梁，具有系统性、科学性等特点。因此，技术与教育的深度融合需要变革核心的学习载体“教材”，数字教材作为核心的数字资源有助于提升教育公平。数字教材以纸质教材为蓝本，进行学习内容的富媒体化，带来了技术、课程目标、学习内容、学习方式的系统性融合，以数字教材的途径来推动教育的规模化发展与学生的个性化成长，因此在教育数字化转型过程中有着不可替代的价值和作用。数字教材鼓励学习者以不同于印刷书籍的方式探索和关联学习材料，它们激发了学习者挖掘主题并搜索相关信息的愿望，在设计数字教材时重要的是包括有效的多媒体和互动元素，可以为学习者提供脚手架。但是教师如何把数字教材的设计意图融入他们关于教和学的思考中，如何利用数字教材带来教与学的深刻变革，形成数字化学习的规律、方法、途径等的认识，需要实践和研究的持续跟进。

一、数字教材的内涵、特征与功能

（一）数字教材的内涵

本研究所应用的科学数字教材以现行的纸质教材为依托，依据教育教学原理对科学教材进行“以学习者为中心”的重新设计，用信息技术工具进行开发，遵循学生学习规律、符合课程目标要求、通过电子屏幕呈现的数字化资源的集合，集“移动终端+教育内容+服务平台”为一体的学习环境。在本研究中，数字教材提供了一种数字化学习环境。

（二）数字教材的特征

在本研究中，结合小学科学学习的特征和一线实践调研需求，所应用的数字教材具有以下特性：（1）富媒体性：创设科学学习的情境，能集成文字、图片、音视频、动画、3D模型等富媒体内容，使得学生多感官感受科学对象，使得信息加工更全面，学习更加立体，使科学可触及、容易理解。（2）交互性：通过点击、输入、反馈等多种交互的方式来呈现学习资源、学习活动、学习任务、学习评价等，促进学生与教师、学生与学生、学生与机器、教师与机器之间的互动，促进教师和学生观点可视化，鼓励合作和交流。（3）开放性：可以实现内容随时随地使用与更新，内容组织也是开放灵活的。（4）模块化：对每个学习任务打上标签，可以实现学习内容的动态模块化重组，建立个性化的教学逻辑和个性化的、网状的知识体系。（5）个性化：集成多媒体化、交互性、开放性、模块化等功能，最终达成的是学生学习的个性化，学生依赖具体情境的课堂生发，以注释、书签、电子痕迹等方式留存在教材中，促进学习的自主性，进行整合反思，提高科学学习的个人相关性。

（三）科学数字教材的具体功能

1.突出前概念和情境，关注学习的真正起点

每个学生在进入课堂前，针对当下要学习的内容，都已有不同程度的经验，头脑中存在很多相关的原有认识和思维方式，具有很大的个体差异，在很大程度上决定着学生对新知识的理解情况。学生在处理问题，尤其是复杂问题或陌生情境时往往会使用前概念。安德烈·焦尔当认为，“在进行概念和方法学习时，一个新信息很少会插入已掌握知识的行列，已有知识会排斥一切与其不能形成共振的概念”。因此，数字教材开发中基于学生的科学认知路径，通过情境的设计，让学生深刻认识前概念与当下科学情境的相关性，既能激发学生的学习兴趣，又能充分暴露学生原有经验中的不足，积极开展基于学生需求的教学。

例如，在“食物的消化”一课中，教师通过你知道我们吃进去的食物到身体的哪些地方了吗？通过调研了解学生的已有认知，发现学生基本能说出胃、小肠、大肠等基本的消化器官的名称，但是难点在于器官的具体位置以及食物的消化过程，且大部分学生认为消化器官就是消化的时候食物经过的器官，这也是不准确的，这都是错误的前概念。数字教材中提供的问题情境启发教师设计，启发学生，让学生充分表达自己的已有经验，并经由拖拽活动、小组讨论、投影与人体对照等手段产生认知冲突，进而通过同化与顺应，建构新的科学概念。

2.数字教材内容编写体现科学思维的过程与方法，连接情境、问题、方法

学生的思维培养是多样化的，阅读、观察、比较、记录、分析、类比、联想、反思、概括、推理、论证等思维方法，在数字教材中都有所体现，使学生在思维培养上得到全面发展。在数字教材的开篇就对每一种方法进行了介绍，每一页的教材设计中凸显方法，需要学生观察、阅读、实验、分析等，让学生在真实的问题情境中感知和经历科学思维的过程，在生活情境与科学问题、知识及方法之间建立联系以培育科学素养。在各种思维活动任务中，外化思维的可视化过程中，教师和学生的互动中整合形成自己的科学学习所得。

3.数字教材强化反思总结，鼓励质疑创新

科学数字教材在每一节的最后部分，都提供了反思模板，强调学生进行学习反思，教师引导学生自主归纳总结，思考这节课学了什么，有哪些收获，有哪些思维上的改变，还有什么问题要进一步探索等，每个学生养成分析自己科学学习过程的习惯，学会从学科视角观察、理解、分析和解决问题，建构以核心概念为中心的学科知识体系。

二、数字教材促进科学素养培育的内生动力

《义务教育科学课程标准（2022年版）》重新明确和界定了学生应该具备的科学素养，形成了清晰和精确的科学课程目标，包含科学观念、科学思维、探究实践和态度责任四个方面，体现了科学课程的育人价值。但要在教育实践中落实，还面临不少困难。从学生学习的角度，存在以下三个方面的矛盾认识，需要加以解决。

（一）规模化的培养与个性化的素养养成的矛盾

对科学学科来说，整合大量的学科知识，核心概念共有13个，需要学生去掌握和理解，是学生共同的目标。但目前，学校基本还采用规模化、大班授课的方式培养人才。格雷厄姆纳托尔（Graham Nuthall）提出课堂中有三种世界，教师看见和管理的公共世界，同伴看得见的和学生自己看得见的世界，其中70%的学生活动教师都不清楚。每个学生是个性化的，教师如何设计活动让每个学生都达成科学素养呢？如何让学科知识作为客观的数据内化为学生的学科观念，让学科逻辑与每个学生的主观世界建立联系，建构学科知识，理解科学观念，形成科学思维，学科逻辑与学生的学习逻辑需要桥梁进行联通。

（二）浅层学习与深层学习的矛盾

为了培养学生的科学素养，需要学生更多地参与，在学校课堂中看到很多教师采用了所谓的任务驱动、项目学习、合作学习等多样的活动样态去呈现教学，课堂上的时间被这些活动占用，可实际上发生的更多的还是学生外显的身体活动，内在思维的参与很少，学生更多的是浅层的、表层的观念和事实的认识。究其原因，一方面教师依照的学科逻辑与学生的实际生活经验存在差异，学生对课堂所教无真正的兴趣，无法真正理解教师所教，无法展开真正的学习；另一方面知识与活动相分离，浅层学习和深层学习之间并不是非此即彼的关系、孰优孰劣的问题，而是要在两者之间取得平衡。

（三）过程性与结果性的矛盾

科学素养作为学习目标，既是结果又指向过程，素养必须转化为学生具体的学习活动，融合渗透在每一个教学环节中，结果和过程需要内在相统一。每个学生达成目标，需要跟踪学生科学素养发展的过程并适时提供支持。教师需要时刻对学生的学习过程进行干预，基于学生的理解情况不断提供渐进式的有挑战性的经验。但对目前学生学得怎么样，课堂上教师更多关注的是正确与不正确的信息反馈，是否理解了问题，是否按要求完成任务，而对学习进程的深层反馈、学习策略、学生自我评价等方面没有较好嵌入。学生的特质和学习过程中获得的能力、品格等相互作用内化呈现为学生的科学素养，素养目标指向的课堂中的教与学要从任务转向任务过程中学生的发展，转到关注学生如何学，否则新课程改革起不到应有作用。

三、基于数字教材的小学生科学素养培养的策略

科学素养培养中存在的规模化与个性化、浅层学习与深层学习、过程性与结果性的矛盾与分裂，而这些要素之间本应该是充分的相互作用，保持相对的平衡，相互促进。面对这种冲突，需要一种刺激或者外在力量，用一种比较全面的观点，弥合分歧，保持教育实践的一致性和连续性。数字教材的融入最终要落在主体学生身上，和学生的学习产生真正的联系，与学生学什么、如何学、学得怎样发生作用，并在实践推进中加以检验。

（一）利用数字教材设计突出学生的学习目标

教师在课程教学中，对科学学科的学习，数字教材创设了不同的情境，有宏观、微观的情境，有个人、公共、生活、地理、物理空间、生物、天体等不同的情境中的丰富素材，还为学生提供了科学史，帮助学生更深入、全面地了解科学，搭建科学知识与生活的联系。教师在教学设计时要清楚地了解单元目标与课程标准、科学核心素养、学业质量标准之间的关系，教师在制定每节课的教学目标时，应该清晰地阐述学生要理解的科学知识，要应用的科学思维方法，以及达成的科学目标，并标明每一个学习活动的学生具体的行为指标。例如，三年级“鱼”这节的教学目标设置为：知道鱼的共同特征——体表有鳞、用鳃呼吸、用鳍辅助游泳，终生生活在水中，并能用此共同特征对更多动物是否属于鱼类做出正确判断。通过细致观察、记录和描述，运用找共同特征的科学方法，进一步发展归纳概括推理能力。数字教材中对鱼的多种表征方式，以图片、视频、动画、3D模型等具象表征形式呈现，情境不仅仅是激发学生学习的手段，重要的是重建知识的境脉，连接知识与真实生活的重要功能，有情境亦有学科，这更贴合学生的生活经验，便于学生进行知识的迁移应用。在小学阶段学习中，围绕具象知识展开讨论的难度也会降低一些。

（二）支持学生的个性化科学探究学习策略

基于数字教材的科学教学能帮助学生获得及时的学习支持和反馈，促进课堂上学生之间的合作交流等，并在新的学习情境中应用已有的知识解决问题。新的科学课课标强调通过做中学、学中思的方式提升科学探究能力，基于数字教材的教学提高了对学生探究学习策略的支持，以培养学生自己的问题解决能力、批判性思考能力、沟通协作能力等素养。数字教材的使用真正实现了学生学习方式的变革，让学生成为课堂学习的主人。教师在计算机和Pad教室，借助数字教材上的科学课，大大提高了课堂效率，提升了学生自主学习能力。如“动物世界”一课，学生点开资源，眼前具有视觉、听觉刺激的各种动物游戏、捕食的视频，从声音、画面、影像中把学生带入了动物世界，激发了学生了解动物的欲望。学生通过小组合作阅读数字教材中的资源，收集有关动物的资料并在组内交流，对资料进行选择整理后再与其他小组、全班进行交流，整个过程都是学生在为自己的论点“动物很多而且是多种多样的”寻找证据，实时的认知工具支撑和对知识发展的多重情境化感知让学生动脑、动手、动口，数字教材支持了知识的获得、知识的建构、知识的对话，再通过反思模块的学习活动，思考整节课的收获，与自己的已有知识建立联系，学生的主动性、积极性和合作性得到了发挥。

（三）设计学生科学素养学习进阶证据的收集方式

学生的科学概念学习是逐渐深入和持续发展的，需要数据的支持以更好地评估学生的学习进阶。因此学习进阶需要持续性的学习证据，需要教师每节课的系统设计，制定出围绕教学目标能反映学生思维过程的一系列观察点。在利用数字教材进行实验时，数字教材可视化让学生理解科学、为科学学习提供证据，学生的学习过程教师可见。学生与3D模型、视频的交互有助于理解科学重难点，检验个人猜测，语音输入、文字输入、拍照等随时记录学习过程，并保存在教材中，将原本抽象的思维过程可视化，教师可以把握，促进学生的成长。比如让学生写反思笔记，让学生的观点更有规律和更易于理解地呈现。数字教材提供了数字化记录，内嵌的很多科学小活动即时性评价等，收集学生的过程性学习数据。在课堂教与学过程中同时使用教师端和学生端，可以实时收集学生的课堂练习、实验、表单、拍照及答题等学习过程性数据，有效帮助教师随时了解和掌握学生的潜在学习困难和差异，及时调整课堂教学策略，并且在课后为教师提供每个学生的全过程数据的汇总和统计，为教师作出过程性评价提供了准确及有效的数据依据。例如在“在地球观察月球”一课，数字教材中的月相拖拽功能和数据反馈功能检测学生课堂学习效果，同时平板月相模型功能，帮助学生检验自己的想法，使得教师实时了解全班学生对月相的理解。

四、基于数字教材的课堂探究教学模式

探究学习模式是科学学习实践的有效载体，科学探究学习的一般过程归纳为情境导入、概念形成、探索调查、结论形成、交流讨论。在科学学科的学习中，学生的活动包括提出观点、预测、添加观点、听课、阅读、辨分观念、反思、梳理观点、交流、评价、讨论、辩论、质疑、实验、设计、澄清观点，教师的行为包括计划、设计、激发、告知、评价、质疑、回应、指导、反思等，针对不同的教学场景和教学内容主题采用不同的活动序列，在实践中形成了基于数字教材的探究式教学模式。具体流程如图1。

图1 基于数字教材的探究式教学模式流程

（一）学情分析

数字教材比以往更好地实现了对学生的形成性评估与学习诊断。在以学生为中心的课堂中，教师在课前要对学生进行充分的前认知结构分析。尤其科学学科中，学生可能有很多不科学的前概念，有生活中的经验，教师通过资源、设计问题等调研与本课相关的学生的基础知识结构。在“在地球上看月球”这一课中，教师让学生连续观测两个月的月相，了解学生对月相变化的认识，以及分析处理记录的能力。

（二）情境创设

基于数字教材中预设的与每节核心概念相关的情境，可以让学生真实体验科学现象的发展变化，置身于学习场域中，开启学习过程。教师要根据学生的已有知识基础和年龄特征创设情境，情境创设要与学生的生活背景相关联，围绕教学内容贴近学生的最近发展区，感受数字教材支持的知识获得过程，合理安排教学过程，给予及时指导和帮助，并注重个体差异。在“在地球上看月球”这一课中，教师展示了学生观测月相制作的视频，利用数字教材将月球运动及月相形成的宏观世界的事物直观展示出来，帮助学生认知，形成清晰的科学概念，鼓励学生像科学家一样对自然现象进行持续的观察和记录，并通过拖拽的方式推测一月中不同日期的月相变化。

（三）学生探究

在此环节中，探究问题的设定是核心，它要能激发学生的兴趣，同时又能引发学生的认知冲突，学生迫切想要知道的问题。根据相应的核心概念，结合布鲁姆的认知目标体系，从记忆、理解、应用、分析、综合、评价、创造等层面预设不同层次的问题和任务，并激发学生提出自己的探究问题，通过班级投票的方式最终确定探究问题。在传统探究式教学中，学生缺乏合适的学习情境和学习资源，使得探究往往流于形式，或者是按照预设步骤的流程化操作。数字教材中丰富的资源和工具，3D立体资源为学生呈现了自然现象的科学视角，从宏观到微观，这为学生科学探究能力的发展起到了很好的实践引导作用。在“在地球上看月球”这一课中，通过前边的铺垫，学生对月相的成因非常好奇，教师引导学生提出月相变化原因的假说，并利用球、不同大小的圆、电灯等实验材料模拟实验验证假说，借助模拟实验的方法来解释月相成因。

（四）成果分享

课堂上通过不同学生的探究成果的分享，促进学生间的相互学习和观点的激发、碰撞，最终形成正确的认识。数字教材提供了多样化的思维外化表达方式，如通关游戏、拖拽游戏、分类游戏等，学生的过程性思路以手写形式上传，共享观点和思维过程，在共享的基础上促进进一步探讨交流。在“在地球上看月球”这一课中学生通过平板展示交流每个组模拟的探究过程，并分享实验结论，试着解释月相的成因，学生在探究后进行了思考。如有的小组提到，“我们小组的想法是月亮还有地球都会转，当月亮转到地球对面，对着太阳那一面的时候，太阳照到了月球，亮面就刚好在地球上看不见，然后如果转到地球的一半的话，比如说月球就转到地球的上方，然后太阳就会照到月球面对着太阳的那一面，而我们在地球上看到的就是一半一半”。

（五）巩固拓展

通过共享和交流探究成果，如若学生还普遍存在认识上的偏差和迷思，教师可对核心概念进行总结提升，或者下一步继续进行探究，以便学生正确和深层次地理解科学概念。最后指导学生反思本节课所学，数字教材提供反思支架，学生学到了什么新的概念，有哪些新的想法，还有哪些问题有待解决，通过数字教材汇总反思。教师应该为学生创设一个新的相关情境，以便将在探究过程中形成的科学思维、科学概念应用到新的情境中。学生在拓展部分学习不同的资源，开展交流，这主要是支持学生学习领域的拓展和兴趣的激发，关注对学生动态性的需求满足和个性化的学习体验的支持，强调学生对环境的自我控制。在“在地球上看月球”这一课中，教师在课上通过观察自然现象、分析现象、建立假说、验证假说等思维方法的引导，和学生一起探究了下半月的月相变化，鼓励学生继续应用得出的结论去推测上半月月相变化，鼓励学生在实际观测中再次验证自己的推测。

在整个基于数字教材的探究过程中注重学生提出问题、作出假设、制订计划、收集证据、处理信息、得出结论、表达交流、反思评价的科学探究过程，不能将探究仅仅流于形式。在探究过程中，数字教材提供探究的支架和工具，学生能记录探究活动的过程，优质的3D模型资源将知识的内在机理可视化呈现出来，并可通过交互控制各种变量因素，能按照教学和学习需要，便捷选择多个状态进行比较和分析，并可视化呈现出相应的变化样态。

从课堂提问可以看出，基于数字教材的课堂中几乎全部是开放性问题，给出的问题条件是开放的，问题的最终结果是开放的，问题的解决过程是开放的，开放性问题可以让不同的学生在教学开始就能依据他们自己的理解层次作出回应，绝大多数学生能充分参与课堂，注重不同能力、兴趣和风格的学生在课堂中的参与，差异化发展自己的思维。实践探究后发现，数字教材有利于产生概念转变和问题解决的深度学习结果，促进学习者的科学概念知识体系的建立，学习者能运用所学知识解决问题，达到对知识内容的创新应用。教师未来要继续进行基于数字教材的科学素养培养研究，进一步深化对反映学生科学素养的证据性数据进行采集和分析，探讨科学素养形成的过程和机制。