科学可视化学习的设计与实施*

单道华

近年来，随着科学课程的重视程度越来越高，科学课的师资力量、课时得到了有效保障，做中学、探究教学、合作教学、项目化教学等教学方法让科学教学走向综合化、结构化，提升了小学科学教学的整体水平。然而，在繁荣景象的背后也折射出一些隐忧：科学学习的有效因子没有得到揭示，拿来主义、形式主义备课大量存在，过程性评价不足，终结性评价失范，学习设计须考虑的学情、资源、工具、策略缺乏可靠来源等。因此，我们需要揭示隐藏在学习行为背后的设计思维和决策依据，构建可操作的思维模型，从而提高科学教师的教学设计、实施、评价能力。

一、科学可视化学习设计的基础

学习科学认为，学习是大脑神经网络的改组，导致改组的两个重要因素是有意义的实践和不间断且持续的评价、反馈、改进。有意义的实践意味着学习必须变成学生自己的事情，学习必须发生在学生身上，学习必须按照学生的方式进行，且学习结果不是内隐的、虚无缥缈的，而是可见的、能表现出来的。相应地，评价活动应以学习成果为导向，伴随学习过程即时进行，即通过不间断且持续的评价反馈改进学习行为，以期最终实现预期学习结果。因此，教师应该以学习成果为导向，设计中间的路径和体验活动，帮助学生达成学习目标。这就是学习设计的基本思路。

1.理解科学学习的结果类型和发生过程

实施科学可视化学习设计需要对科学学习进行重新理解，尤其是理解科学学习的结果类型和发生过程。就前者而言，基于心智过程（人的行为过程），美国学者马扎诺把学习分为6 大层次21种（见表1），从回想到动机检查，涉及认知系统、元认知系统和自我系统。这种分类能照顾核心素养的方方面面，是比较理想的学习结果划分方式。就后者而言，科学可视化学习要以核心素养发展为导向，以一个或数个表现型任务贯通学习全过程，强调在真实复杂的任务中综合运用知识技能解决问题。从接触到完成表现型任务，学生一般会经历以下过程：一是理解表现型学习任务，二是开展背景学习与调查，三是设计和确定问题解决方案，四是测试和验证解决方案，五是评价和改进解决方案，六是展示学习成果以及反思。

表1 马扎诺分类学加工层级分类

2.开发刻画关键行为或特征的学习表现评价工具

学习表现评价工具包括表现标准和量规。表现标准不同于内容标准，其界定了学生对学习内容要掌握的程度或成就水平。量规旨在消除教师对学生学习表现评分时的主观因素，帮助学生明确他们的学习表现将如何被评分以及高质量表现的应然样态。表现标准和量规通过描述关键行为或特征，能快速帮助教师找到学生的优势和短板，助力学生核心素养发展。

3.揭示研读过程方法，读懂教材和学生

读懂教材和学生是进行学习设计的基本要求。教材是教师进一步认识学生、领悟教学的钥匙。但教材只呈现了学习活动及序列，其压缩了概念诞生和应用的信息，隐含了学习价值和困难。因此，教师应深入研读教材，把握学情，借助观察、已有教学经验、角色体验推测学生参与的表现，整体推断吸引学生的学习元素，学生完成学习任务的主要困难，并以此来摸清教学难点，明晰育人目标。对此，教师可以借助教材研读流程图（见图1）进行教材研读。

图1 教材研读过程

二、科学可视化学习设计的操作模型

科学学习的过程表明，学习成果的好坏取决于学习过程中学生实际做了什么。据此，学习设计的过程包含4 个阶段，构成一个闭环（见下页图2）。每个阶段都有相应的关键行为和实施要求。

图2 科学可视化学习的设计过程

1.分析阶段

全面分析学情、解读教材是此阶段的核心任务。此阶段，教师要通过阅读教材文本，分析涉及的学习内容和基本要求，确定学生需求和教师需求；分析学生的学习基础，预设学生初始行为及特征，如经验基础、能力基础、工具基础和态度基础，并综合师生需求和当前学情两方面的分析结果，确定育人目标，界定学习结果与证据。

2.设计阶段

科学可视化学习设计涵盖6 个主体环节。第一，基于学情和“学用结合、理趣相融”的原则创设学习环境，设置表现型学习任务。第二，围绕表现型任务识别学习障碍，为规划学习过程奠定基础。思考内容包括“在规定的时间内，学习活动是否能得到充分开展？”“解决问题的过程中他们会遇到哪些困难？可能需要哪些支持？”“怎样的学习环境能激发学生的主动性和创新精神？”。第三，适应科学学习活动的特点，将“做思共生、协同工作、评价增能”等教学策略具体化。思考内容诸如“如何顺应？如何推动？”“会产生何种认知冲突”“任务可以分解成哪些更小的工作？需要几人完成？”“是否需要向学生提供详细的学习评价工具，比如量规或测量工具？”等。第四，本着“抱诚守真、去伪存真、不断优化”的精神，利用来自学生、学校、生活、区域的教学资源（个人见闻、新闻、实物操作等）补充有关信息，搭建适合的学习支架（思考清单、学习单、评价量规、阅读资料等）。第五，按照完成表现型任务的过程，统整教师的教和学生的学，形成一个有结构、有组织的活动序列。第六，按任务完成的过程，运用科学课教学细节矩阵（见图3）评估教学，从12 个方面对每个教学模块进行自评或他评。

图3 科学课教学细节矩阵

3.实施阶段

实施阶段即落实预设的教学方案，主要包含准备学习活动和执行教学方案两项任务。准备学习活动主要指教师根据教学方案逐一确定每个教与学环节所需要的材料、工具以及教学所需要的特殊环境。其中，科学课堂教学所需要的材料包括活动手册、学习单、实践工具（含观察、实验、制作、研讨工具）、实践材料等建构型材料，科普读物、图片、视频、模型、实物等知识提取型材料。执行教学方案时，教师应引导学生完成表现型任务，主动获取信息，主动寻求问题解决方案，主动反思评价改进，主动合作；应采用多样化教学手段支持学生学习，在课堂上着力创造让学生主动学习、勇于负责的氛围，在学生研究遇阻时适时给予点拨引导，并根据学习证据、量规实施形成性评价。

4.完善阶段

教学方案总会存在瑕疵，因此，基于表现型学习成果和证据进行适当的调适和改进是必须的。教师要评估学生在多大程度上达到了要求，思考是否需要调整任务要求和评价量表，活动计划的调整需要哪些支持条件，学生是否有信心完成调整后的活动计划等一系列问题，以期为下一次学习目标的达成提供保障。

三、科学可视化学习操作体系的合理性

对教师而言，知道“为什么”比知道“是什么”更具意义。我们不仅要向教师提供科学可视化学习设计的程序性知识，还要阐述其背后的道理和思考。

1.核心主张——教与学的过程及结果清晰可见

研究表明，教师或学生若在学习活动之初就收到评价量表，并用它对自己的教与学进行持续性的自我评价，就能获得更为显著的教学成果，对自己和他人的学习成果也会形成更加深入的评价。因此，对教师和学生来说，基于评价量表的清晰可见的教与学过程与结果至关重要。

2.核心策略——指向学习者的自我驱动

我们不能逼迫学习者学习，而应当让学习者自己驱动他们的学习历程，为此，科学可视化学习采用逆向设计，让所有学习活动“始于目标”“终于成果”；倡导“以用促学”，通过输出型的表现型任务倒逼输入型学习，促进学习者理顺知识脉络，让学习过程更连贯，学习成效更高；主张“以评导学”，通过持续的展示、基于证据的评价、自我评估和反思，帮助教师和学生自我反思，查漏补缺，进而采取更好的行动不断向目标和结果靠近。

“以教助学”也是科学可视化学习的核心策略之一，其对教师的教提出了更具针对性、适应性与应用性的要求。从认知负荷理论角度看，学习者在面对复杂的表现型学习任务时会产生较高的认知负荷，这不利于有效学习的发生。鉴于此，教师可以给学习者提供一份任务清单，也可以根据学习情境为学生提供学习资源。除此之外，科学课程学习支架还有很多，如操作步骤、思考清单、关键问题、结构性材料、关键信息、学习伙伴、作品量规、关键人物等。

3.应用成效——学习质量和专业能力的双重提升

科学可视化学习的设计与实施对学生学习质量的提升和教师专业能力的提升具有重要意义。对于学生而言，科学可视化学习可以使他们在质量更高的学习任务中获得更充分的学习体验，更精准的教师指导以及更及时的学习反馈，从而使学生的学习兴趣、参与度、自主性、自信心不断提升，理解能力、思维能力、问题解决能力显著提高。对于教师而言，可视化学习的设计与实施打开了科学学习的暗箱，其视教学为工程活动，通过建构学生科学学习的过程模型，指向素养的学习结果模型，研读科学教材的过程模型与工作清单以及可视化学习的设计模型与工作清单，使教师进一步增进对课程目标、教学过程及学习过程的理解，积累丰富的以学习为中心的教学实践性知识。