小学科学教学数字化：基本特征与实践推进

◎ 赵伟新

教学数字化转型，是基础教育现代化与高质量发展的大势所趋。从2014年起，上海市小学科学在学科教学中积极探索“科学课程与信息技术的深度融合”，倡导上海数字化实验系统（Digital Information System，以下简称“DIS”）的应用，技术赋能小学科学教学与评价。2016年开始，上海市中小学数字化实验系统研发中心与小学科学共同开发“赛·课堂”教学系统（以下简称“赛·课堂”），支持小学科学教学数字化转型工作。

一、小学科学数字化转型研究回望

借助DIS和“赛·课堂”这两个数字化信息控制系统，基于高速数模转换、蓝牙数据传输、双向数据传输和教学资源解析等技术，在历时8年的实践推进中，上海市小学科学实现了从数字化实验到实验数字化，再到流程数字化和教学数字化的“跃迁”，如图1所示。

图1 上海市小学科学教学数字化转型概述

（一）引进数字化实验

数字化实验系统是指利用传感器、数据采集器等自动采集实验数据，用计算机软件分析实验数据，进而得出实验结果的现代化实验系统。［1］

数字化实验，就是利用数字化实验系统替代传统测量工具开展的实验。利用DIS，可以使很多难以测量或难以控制的实验能够顺利进行，也使很多实验的测量精度得以大大提升。

由此可知，利用DIS，应用高速数模转换技术，实现实验测量数据的自动采集，达成了把信息化工具作为学生学习的伙伴，促进学生对科学概念深入理解的研发初心。

基于DIS，上海市小学科学开发了100多个涉及物质科学、生命科学、地球与宇宙、技术与工程以及综合实践活动等领域的数字化实验。DIS用小学生易于理解的数字，清晰显示实验证据，突出教学重点，突破教学难点和形成科学概念。数字化实验成为小学科学实验的重要组成部分之一，成为上海市小学科学教学数字化转型的起始点。

（二）促进实验数字化

实验数字化是指通过专用的数字化信息控制系统，将学生实验各个过程信息数字化转换后输入系统，再通过软件处理，输出为课堂教学师生所需的信息。

“赛·课堂”是具有创见性的数字课堂，这个课堂有支持师生共同完成课堂教学任务、开展即时交流互动和评价反思，以及留存教学档案的数字化信息控制系统。初成的1.0版本，主要功能是将学生的猜想假设、方案设计、分析归纳、解释问题和学习评价等探究实验过程的信息，转换成数字形式回收输入系统，然后以数字或教师预设图表等方式即时输出，反馈呈现在“教师端”电脑、“学生端”电脑和“教室端”电子大屏幕上，成为师生课堂互动交流生成性的资源。

“赛·课堂”1.0版本，应用蓝牙数据传输等技术，达成了将学生实验全过程数字化转换的革新需求。

基于“赛·课堂”的1.0版本，教师可以围绕科学探究实验中涉及的问题、证据、解释和交流等要素，有序开展数字化教学实践。这样，可使实验数据的形式、深广度，得以进一步丰富和拓展。教学从数字化实验走向实验数字化，实验数字化成为上海市小学科学教学数字化转型的切入点。

（三）跨进流程数字化

流程数字化是指通过专用的数字化信息控制系统，将课堂教学中情境创设及各种新知形成和应用活动，包括实验、观察、模拟、体验、阅读、制作等探究实践活动的信息，通过数字化升级手段输入系统，再通过系统的处理后即时输出，反馈呈现在“教师端”电脑、“学生端”电脑和“教室端”电子大屏幕上，成为师生课堂互动交流生成性的资源。

为满足从“支持实验教学”演变为“助力教师调控课堂教学全过程”的发展需求，“赛·课堂”升级形成了2.0版本。其主要功能是为教师定制数字课堂，将课堂教学所有流程生成数据包括师生评价数据信息数字化，并进行集成处理和反馈，为师生开展课堂教学提供支架与工具。教师可以“一台贯通，一键到底”实施课堂教学，可以不再有与其他系统或软件切换的过程，可以更加有效地调控课堂教学。

“赛·课堂”2.0版本，应用实时双向数据传输等技术，实现课堂教学全流程信息的回收与反馈，提高了师生课堂互动的成效和课堂教学的效益。

基于“赛·课堂”2.0版本，可以将课堂教学全流程纳入数字化信息控制系统，突出“做”“想”“讲”相融合，保证了教学信息传递的全面性和准确性。教学从实验数字化走向流程数字化，流程数字化成为上海市小学科学教学数字化转型的着力点。

（四）推进教学数字化

教学数字化是指通过专用的数字化信息控制系统，数字化处理学科教学中一切可数字化的信息，重构课堂教学样态和运作模式，彰显科学教育的核心价值。实现教学数字化，是小学科学教学数字化转型的必经之路。

为满足从“定制数字课堂”推展为“形成通用系统”的变革需求，迭代形成了“赛·课堂”3.0版本。其主要功能有：设置教师备课支架，设立学生个体账号，留存教学过程资料和提供单元评价反馈等。“赛·课堂”3.0版本既支持教师自主创建数字课堂，又支持师生共同完成课堂教学任务、开展即时交流互动和评价反思，还支持师生查阅档案资料改进教与学，成为教师教学、学生学习和环境支持共融共生的数字教学系统。

“赛·课堂”3.0版本，应用教学资源解析等技术，实现教师备课和课堂教学的数字化，为教师常态化实施教学数字化提供了精明强干的备课与教学助手，可以更好地促进教师、学生和环境的共融共生。

基于“赛·课堂”3.0版本，可以引导教师突出单元视角，将教师教学、学生学习和环境支持的信息数字化。教师可以在“教师端”电脑中实施备课、授课和查阅档案三项工作；学生可以在“学生端”电脑中展开学习活动和查阅档案两大任务；“教室端”电子大屏幕实时呈现教学过程、学生活动中的过程数据与各类统计图表，成为教学互动的通道。教学从流程数字化走向教学数字化，教学数字化成为上海市小学科学教学数字化转型的发力点。

二、小学科学教学数字化基本特征

基于上海市小学科学教学数字化转型的实践，学习借鉴其他学科数字化转型的经验和其他行业数字化转型的成果，兹将小学科学教学数字化的基本特征概括为：相互连接，教学在线，资源共享和反馈智能［2］。这四个基本特征，是在上海市小学科学教学数字化转型不同阶段中形成的。在“跃迁”的过程中，每个阶段都会有新的基本特征，也就是“增量特征”，且原有特征的内涵也会随着“跃迁”而不断丰富，如图2所示。

图2 小学科学教学数字化基本特征

（一）相互连接

教学数字化首先需要教师、学生和环境等层面的互联互通，也就是实现“相互连接”，主要表现为课堂内的互联互通和课堂内外的互联互通。课堂内的互联互通，是指教师、学生、环境之间的人与人、人与物、物与物之间的全连接；课堂内外的互联互通，是指课堂内使用的数字化信息控制系统与云端数据空间的即时连接。“相互连接”是教学数字化的基础之一。

无论是数字化实验、实验数字化，还是流程数字化和教学数字化，都需要信息的交互，都需要稳定、可靠、集成和高效的全连接网络。在教学数字化转型的过程中，上海市小学科学教研与实践始终坚持先进性和前瞻性，伴随信息技术的发展，“赛·课堂”支持下的教学逐步走向泛在互联，即“相互连接”无处不在。

（二）教学在线

在“相互连接”的基础上，通过流程数字化实现“教学在线”，主要表现为教学流程在线和教学组织在线。教学流程在线是指着眼于流程视角，重新梳理教学流程，在数字化信息控制系统支持下，保证教学流程与数据流的同步和共生，以获得高效、高质量的课堂教学；教学组织在线是指教学组织中教师、学生和环境之间的组织在线，保持人与人、人与物、物与物之间的无缝连接，从而保证协同更加流畅、沟通更加有效。“教学在线”是教学数字化的另一个基础。

无论是实验数字化，还是流程数字化或教学数字化，都需要数字化信息控制系统支持下的教学流程在线和教学组织在线。“赛·课堂”2.0版本中的“系统时间轴”，将上海市小学科学“四线并进”教学流程，即活动线、资源线、问题线和小结线，转化为具有“整体化”与“进程性”特质的数字课堂构架。在备课时，教师可以在“系统时间轴”中，横向将课堂学习活动作为数字课堂的各个进程，纵向将各个活动的环节作为子进程，架构具有纵横双向的数字课堂教学流程。

（三）资源共享

在“相互连接”和“教学在线”的基础上，把具有共性特点的、能够集中的数据提供给教师和学生，就是通过信息数字化和数据资源化等可视化的方式实现“资源共享”，主要表现为资源即时共享和数据留档分享。资源即时共享是指将课堂中教师、学生和环境共融共生过程中生成的信息数字化，通过数字化信息控制系统分享给教师和学生，促进课堂的生成与互动；数据留档分享是指将教学中形成的数据档案留存在教师数字社区和学生个人数字档案袋中实施分享，通过数据资源化，为教师间的专业交流和学生的单元学习提供支持。“资源共享”是教学数字化的关键。

“资源共享”的目的，是通过数据驱动的方式推进教学数字化。“赛·课堂”在共享广度和深度上有着精心的谋划，通过“赛·课堂”3.0版本中的“赋值功能菜单”，教师在备课时可以为各个子进程作出学习内容、过程和评价的设计与安排，并提前预设课堂学习活动的互动点和生成点，也就是为共享“埋点”。其中，埋点的数量呈现的是广度，点的挖掘呈现的是深度。在“系统时间轴”“赋值功能菜单”两个模块助力下，教师自主创建的数字课堂可以具有清晰的教学结构和科学的教学逻辑。

（四）反馈智能

“反馈智能”是教学具有“相互连接”“教学在线”和“资源共享”特征之后的升华，是教学数字化的高阶特征。“反馈智能”的重要功用是促进个性化教学，主要表现为有效调控教学和促进自主学习。有效调控教学，就是聚焦提升教师课堂教学效率，基于数字化信息控制系统对教学过程数据的回收与反馈，为教师调控教学服务；促进自主学习，就是聚焦提升学生学习自我监控能力，基于数字化信息控制系统对学习过程数据的回收与反馈，为学生自主学习服务。

伴随新技术、新方法和新模式的持续创新，物理空间与数字孪生的交互将不断演进［3］，课堂教学可以同时存在“物理课堂”和“数字课堂”两种形式。“数字课堂”是把现实世界中的课堂教学，通过数字化信息控制系统映射到虚拟空间而形成的，可以实现一些更高要求的目的，比如为单元视角下的教学与评价服务，或者搜集师生课堂行为数据为教学智能推送服务等。在教学数字化转型过程中，“物理空间+数字孪生”资源优化配置体系，将成为教育信息化发展的升级模式。“赛·课堂”支持下的教学，也正在进入以“数字孪生”为目标的教学数据感知阶段。

三、小学科学教学数字化实践推进

在核心素养导向的教育改革背景下，小学科学亟待解决的问题是“如何在科学教学中落实核心素养的培育”。小学科学课堂教学应以科学探究为核心，依据探究要素展开，突出概念建构。但已有课程资源、技术和评价支持力度，不能满足小学科学育人方式和教学方式变革的需要，不能满足落实学生核心素养培育的需要。鉴于此，上海市小学科学教研将数字化实验研发作为起点，积极推进课程建设和教学改革。通过在数字化实验、实验数字化、流程数字化和教学数字化等不同阶段的实践探索，形成了图3所示的教学数字化“情境—活动”课堂实践模式。

图3 上海市小学科学教学数字化“情境—活动”课堂实践模式

在“情境—活动”课堂实践模式中，起始的引进数字化实验阶段主要在“搜集证据”“处理信息”两个探究要素上实现数字化，突出学生的“做”；在此基础上进入实验数字化阶段，着重将“提出问题与作出假设”“解释问题”两个要素实施数字化，突出学生的“想”和“讲”；在流程数字化阶段，主要是将课堂教学全流程数字化，包括“表达交流”和“过程评价”的数字化，全面突出情境的创设、科学认知的形成和所学知识的应用；而在教学数字化阶段，则是引领教师从课程走向教学，在教学设计、课堂教学和学生学习的过程中，突出单元视角，强化教学的整体性和结构化，通过“做”“想”“讲”的结合，进一步提高学科教学质量。

（一）发展学生科学证据意识

“赛·课堂”可以提供学生分析更为精准、全面的科学证据，学生基于证据的分析归纳开展讨论交流，不仅得出实验结论并形成对问题的解释，其科学证据意识也得以进一步发展。

如在沪科教版《自然》三年级“小磁针的奥秘”一课中，需要通过实验，检验并分析磁化后的小磁针是否具有磁性及其磁性强弱的分布。以往教学中，一般是通过吸引大头针及比较其吸引数量多少来展开的。但由于磁化后小磁针的磁性弱，依传统实验的精度很难形成有效证据，不利于学生证据意识的培养。现在利用磁感应强度传感器开展数字化实验，学生可以测得小磁针上不同部位磁性强弱的精准数据；而通过“赛·课堂”形成的小组及全班数据表和雷达图，用作分析归纳形成正确结论的证据，可使学生的“做”“想”“讲”更科学。数字化实验将原本不精准的实验转变为精准的定量实验，通过精准实验数据形成可靠的实验结论，提升了学生讲求科学证据的意识。

（二）提升学生科学探究能力

在学生开展科学探究的过程中，可以通过“赛·课堂”和DIS将学习全过程中的信息数字化，带来更多用于解决问题的科学证据，促进学生科学探究能力的持续提升。

如在沪远东版《自然》三年级“池塘——一个特殊的栖息地”一课中，以往因缺少相关探究实验的条件，本节课的两个学习内容通常由教师提供图文或视频资料，学生通过阅读、观察等活动方法以及交流、讨论等活动形式理解知识。而在“赛·课堂”的支持下，学生首先利用“赛·课堂”提供的课前调查汇总和阅读资料，形成池塘概念并提出如何验证池塘水温变化比周围气温变化小的问题；然后利用DIS搜集证据，上传系统，分析小组数据和系统汇总的全班实验数据图表，学生从小组结论过渡到普遍结论，再到解释问题，经历了一个较为完整的科学认知形成过程。运用“赛·课堂”和DIS，解决了以往只能通过分析图片形成新知和解释问题的困难，课堂上“做”“想”“讲”的时空更为开阔、活动更加丰富，学生的科学探究能力进一步提升。

（三）提高学生科学思维水平

课堂教学始于情境，情境可激发探究的愿望、引发探究的问题和引导后续的学习；学生通过探究学习，在解决问题的过程中形成科学认知，并应用新知识解释生产和生活中的简单问题，促进学生科学思维的发展。“情境—活动”全流程数字化，带来了课堂教与学方式的转变。

如在沪科教版《自然》二年级“物体的沉和浮”一课中，需要创设情境引发探究的问题，再组织学生作出猜想，通过实验验证猜想并应用所学解决简单问题。以往教学中，因为将所有小组数据汇总较为繁难，而学生分析归纳、解释问题一般以小组数据为主，可见其中有科学思维培养的提升空间。教师利用“赛·课堂”，首先提供适合二年级学生认知特点的“小兔过河”情境，引导学生产生解决问题的迫切愿望；然后由系统即时统计反馈全班学生对于不同物体沉和浮的猜想，呈现在“教室端”电子大屏上，让学生思维可视化，并形成思维的冲突，引发学生验证自己猜想的愿望；接着在教师引导下，学生利用系统搜集实验证据，基于所有小组实验证据，开展小组分析归纳、大组表达交流活动，形成“物体有沉有浮”的科学认知；最后在应用新知的活动中，学生依据所学知识选择合适工具，以拍摄短视频方式记录小组帮助“小兔过河”的过程，并上传系统，分享探究成果同时作为大组交流的资料。“赛·课堂”同步进行的数据记录和统计，使得数据交互更便捷，克服了以往统计全班所有小组数据时出现的繁难问题，而且学生的“做”“想”“讲”更充分，科学思维更深入。“赛·课堂”已成为教师解决课堂“重流程轻思维”现象的良好载体。

（四）促进学生核心素养培育

教学数字化，为落实核心素养提供了切实有效的帮助。教学数字化“情境—活动”课堂实践模式，引导教师突出单元视角，从教学情境的创设、概念形成和应用活动的设计到过程评价的设计等方面，建构具有整体性和结构化的教学，为学生的“做”“想”“讲”提供更为丰富多彩的时空，促进了学科教与学方式的进一步转变。

如沪科教版《自然》四年级第一学期第八单元“声音与振动”，以往教师总是按照教材顺序开展教学，逐个完成关于声音与振动中相应知识点的教学。在 “赛·课堂”的支持下，教师就能重组教材“声音与振动”单元。针对重组后的单元，以“问题—任务”形态为特征开展单元教学，可实现教与学方式的变革。这时，教师创设“探秘乐器发声的原理”单元大任务，把单元教学放在一个更大、更连贯、更结构化的课程框架中，落实学生核心素养的培育。在“赛·课堂”和DIS支持下，学生通过六个课时的学习，有了更多体验、实验、专题研究、汇报展示等探究与实践的时空，学生以留存在个人数字档案袋中的过程数据作为解释问题的证据，结合单元所学知识和技能完成单元学习大任务，在过程中理解声音与振动的关系，提升了科学思维，发展了态度责任，其核心素养得到培育。

通过DIS的应用与“赛·课堂”的研发，上海市小学科学在数字化转型方面取得了一定的成果与实效，课堂教学效益有了显著的提升。作为教学数字化转型主要使用的“赛·课堂”教学系统，已成为“上海市中小学教学数字化系统”的一个组成部分，也将为中学的科学学科教学数字化转型服务。上海市小学科学将以迭代推进“赛·课堂”为研发目标，对系统“备课助手”“教学助手”“作业辅导助手”做功能的优化和拓展，以便更好地支持学科教学实践。同时，继续以构建教学“新样态”为主攻方向，对“情境—活动”课堂实践模式进行拓展和深化，以更好地促进学科教与学方式变革。