伴随式学习支架在小学自然数字化教学中的应用

◎ 鲍晓坚 贺云飞

当今世界科技发展日新月异，学生的生活、学习和成长环境也悄然改变，人才培养面临新挑战，教育教学也必须与时俱进，教育数字化推动教育现代化的浪潮已经来临。［1］为顺应时代浪潮、迎接挑战，上海市闸北田家炳小学吐故纳新、躬行实践，不断探索教育数字化转型。

一、小学自然课堂从数字化实验到教学数字化

自2016年引进易操作、精度高的DIS（Digital Information System，即“数字化信息系统”）传感器以来，我校自然教研组率先在社团活动的15 个力学活动中开发、实践数字化实验，随后逐渐向小学自然学科课堂教学延伸，开发出“摩擦力”“磁”“酸和碱”等多个系列共计11 个数字化实验，初步实现数字化实验常态化使用。

在持续推进的过程中，我校有幸成为上海市第一批数字化实验系统应用基地学校，承担小学科学数字化实验应用项目学校培训工作。在上海市教育委员会教学研究室的指导下，我校积累了100 个实践案例，于2021年出版了《实验教学的新实践——上海市小学数字化实验应用案例100 例》一书，内容分为传感器使用、物质科学、生命科学、地球与宇宙和综合实践活动五大板块，自然课堂初步完成从数字化实验到实验数字化、教学流程数字化的转型。我校的数字化实验应用，开始了从入门到专精的转变。

借助“赛·课堂”数字教学系统（以下简称“赛·课堂”），进一步优化数字化实验，推进向教学数字化的转变。“赛·课堂”将教师的备课、教学的全流程、师生活动的数据囊括在内，师生再也不必切换软件，提高了课堂教学成效。通过“赛·课堂”提供的探究实践任务和即时数据，学生理解科学观念、发展科学思维和形成态度责任；通过即时数据，教师诊断学生行为、评价学生活动和反馈学生表现。教师可在备课、教学时随时查看学生数据、对照调整，使教学得到数据的支撑，以适应学生的学习需求，符合现代教育理念。自然课堂有了“师生终端互联、行为数据驱动”的教学新样态。

自然课堂教学新样态，关键在于伴随式学习支架的支持。这是通过“赛·课堂”将教学中原本的各类学习活动以数字化的形式重构，借助“赛·课堂”使其能够伴随学生科学学习全过程的需要，依次开展更具个性化的自主学习，随时为学生学习提供帮助。自然课堂教学，实现了从数字化实验到教学数字化的“跃迁”。

二、小学自然课堂中伴随式学习支架的内容和作用

通过教学实践和“赛·课堂”现有的功能，目前的伴随式学习支架主要由表1所示的四个部分构成，分别是阅读支架、设计支架、数据支架和评价支架。

表1 伴随式学习支架的基本构成

（一）阅读支架——自主学习，促成科学发现

科学来自人们对生活、自然的思考。学生生活经验有限，如何帮助学生从生活中发现问题，通过科学阅读丰富学生的科学认知，便是阅读支架的作用。

如在三年级“常见的材料”一课的“寻找身边的材料”活动中，需要学生能用文字、图表等形式记录观察结果，知道身边的物品都是由各种材料制成的。教师利用“赛·课堂”搭建阅读支架，将多媒体资料直接推送到学生端，学生有了切实的观察和照片的展示，圈画出家中的物品，并说出它们由哪些材料制成，所描述的物品与材料能更好地一一对应，消除因自身生活经验不足所引起的歧义。

通过阅读支架，学生对多媒体资料有了细致的观察，通过批注功能对资料进行圈画、批注，留下思考痕迹。这既丰富了学生的所见所闻和经验事实，又可以激发学生对自然现象的好奇心和探究热情，使其创造性地提出自己的见解。

（二）设计支架——模型建构，拓展思维时空

科学思维处于启蒙阶段的小学生，尚不足以自主完成科学探究实践的全过程。如何能让学生在探究实践中自主完成活动，更好发展科学思维，便是设计支架的作用。

如在四年级“减小摩擦的方法”一课中，需要学生用文字、图表等形式设计实验方案，确定可以改变和不可改变的影响因素，选择合适的实验材料，设计对比实验方案。教师利用“赛·课堂”搭建设计支架，学生在电子任务单中勾选想要探究的因素，同时锁定其余因素，从而运用控制变量思想设计实验。同时，在对应区域分别拖入两次实验想要使用的材料进行实验设计。过程中即便有误，也仅需重新勾选和拖动，很好地解决了学生实验设计这一教学难点。

借助设计支架，把活动任务单数字化，学生点击、拖动即可完成设计，数字化的形式也给予学生更多试错空间，助力不断完善设计内容。学生在课堂上有了更多讨论、思考、修改的机会，模型建构、推理论证和创新思维等科学思维发展的时空更为丰富。

（三）数据支架——精准采集，提升证据意识

有数据支撑的实验结论，才能帮助学生更好理解科学原理和规律。如何获取更多、更准确的数据，便是数据支架的作用。

如在四年级“增大摩擦的方法”一课中，需要学生认识使表面更粗糙、增大压力可以增大摩擦，感受实验验证是认识事物的重要方法。教师利用“赛·课堂”搭建数据支架，学生使用摩擦力实验套件中的轨道、马达和数字测力计匀速拉动物体，降低实验操作难度。实验过程中通过学生端自动记录精确的数据，以此开展数据分析，得出结论。通过“赛·课堂”和DIS 相结合搭建的数据支架，降低了实验操作和数据处理的难度，学生顺利完成实验、获取精确数据，留出更多时间进行分析与归纳。

借助数据支架，学生能够简易、快速地完成科学实验，获取精确数据，通过精确数据理解科学观念，让实验用数据说话，发展学生的科学实证意识和推理论证水平。

（四）评价支架——体验过程，促进教学相长

评价作为学生探究实践的引导与反馈，可以给予学生引导和指导。伴随学生探究实践的全过程，更好促进学生学习，便是评价支架的作用。随着课堂中学生自主、合作、探究与实践时空的不断丰富，多元评价逐渐替代了原本只有师评的课堂。

如在三年级“力和机械”一课的“认识定滑轮和动滑轮及其作用”活动中，需要学生通过简单推理对定滑轮和动滑轮作用做出猜想，利用数字测力计测量使用定滑轮和动滑轮提起重物时的用力大小，形成对使用它们时是否省力的结论。教师利用“赛·课堂”搭建评价支架，学生实验前先阅读评价表单，明确实验要求；动手实验搜集证据，在分析数据验证猜想后再完成评价，反馈实验情况。过程中教师巡视时随时点评，给予过程性评价，评价内容一并在教室端电子大屏幕上呈现。教学评价在发挥激励、诊断功能的同时，也更好地促进了课堂学习活动的开展。

通过评价支架将师生评价融于课堂活动中，学生有自主进行的评价表，教师评价通过教室端播出，所有评价师生共同参与且实时反馈，课堂评价时空得以丰富。过程性评价与总结性评价的有机结合，最终汇集成学生学习过程数据的数字档案。教师对评价结果的合理使用与反馈，使学科核心素养培育有了更为具体的载体。

伴随式学习支架的出现，将所有课堂学习活动融为一体，随着学生的学习活动自动收集数据、解锁新的内容，在节省了课堂时间的同时，也把更多的课堂时间还给了学生。既辅助教师调控课堂，也保护了学生科学思维的连贯性，有利于学生体验到流畅、完整的科学探究过程，克服了原本课堂活动碎片化的现象。

三、实践中伴随式学习支架对培育学科核心素养的促进

本文以“桥面承重”一课为例，来阐明伴随式学习支架支持下的自然课堂教学。“桥面承重”是上海远东版《自然》三年级第一学期第四单元“身边的力”第六课时。本节课的教学目标是：①通过探究影响桥面承重因素的实验，知道桥面承重能力和桥面形状、材料等有关，感受实验验证是认识事物的重要方法；②通过欣赏中国著名大桥和认识桥梁限重标识的活动，识别桥梁限重的标识牌，感悟桥梁建设需要的精妙设计和创新精神。本节课的教学重点是探究影响桥面承重的因素，教学难点是设计简单的对比实验。

如图1所示，本节课中四个学习支架伴随学生活动依次展开，帮助学生发现问题；以精确的数据得出实验结论，突出了教学重点；通过简单操作设计对比实验，突破了教学难点；评价的无形融入，促进了学生核心素养的发展，同时也为学生活动的顺利进行保驾护航。

图1 伴随式学习支架下的课堂教学

（一）激发兴趣，引出问题

由于缺少相关的经验和认知基础，三年级学生做出“桥面承重本领和哪些因素有关”的猜想有较大的难度。

为此，教师搭建阅读支架，提供四张桥面的材料和形状均不同的照片和相关的思考问题。通过“赛·课堂”将照片和问题推送至学生端，学生小组自主、细致地开展两两观察与比较，对桥面的异同点进行圈画、批注。根据照片，可以依次比较它们的桥面材料、桥面形状和通行对象。在两两比较中，学生不难发现材料相同、形状不同的桥面，承重能力有所区别，而形状相同、材料不同的桥面，亦是如此。依据阅读支架，学生有了猜想的事实依据，通过逻辑推理，提出了“桥面承重本领可能和材料、形状有关”的猜想。

通过阅读支架，有效突出了教学重点，让学生能够在更为细致的对比中，发现自然现象间的区别，引发学生思考，激发学生兴趣，发展学生对比分析的思维能力和大胆质疑的科学态度，也为之后的探究提供了方向。

（二）锻炼思维，规范用语

本节课实验中需要探究两个影响因素，如何设计实验，依次探究每个因素对桥面承重本领的影响对三年级学生来说难度颇高。在以往的教学中，此设计环节多由教师主导完成。

为了让学生亲身体验实验的设计，教师搭建了设计支架。学生在学生端中确定可以改变和不可改变的影响因素，选择合适的实验材料，设计对比实验方案。学生需要在电子任务单中勾选想要探究的因素，同时锁定其余因素，用选择的方式降低难度，每次仅能选择一个因素进行探究，帮助学生设计时只改变一个因素，进行控制变量。采用“拖一拖”选择实验材料，让学生关注到实验材料之间的异同，从而帮助学生依次设计实验中的变量。交流时，借助设计依次表达，帮助学生关注到对比实验中变量之间的区别。学生以严谨、科学的语言进行交流，使科学思维外显。学生科学用语的同时也锻炼了科学思维。

通过设计支架，教师很好地突破了本节课的教学难点，让每位学生都能体验完整的科学探究实践过程，养成科学用语习惯，锻炼科学思维，发展科学探究能力。

（三）精准采集，数据实证

本节课的实验内容是将实验材料与传感器撞针相碰撞直至断裂，而其关键数据是在实验材料断裂的瞬间才产生。实验中，数据转瞬即逝，学生很难以肉眼读取数据。

为此，教师搭建数据支架，帮助学生获取、处理精确数据。学生借助数字测力计和自制教具——材料承重极限测试装置，仅需操作升降台，即可完成实验。过程中，学生端后台自动保存材料承重极限数据，小组分析数据得出结论。交流时，分析集体数据，得出普遍结论。借助“赛·课堂”和数字测力计，学生能够在安全、简易的前提下完成实验，将学生端与传感器相连，实验中使学生端后台高频采集数据同时保留最大值，确保数据是在断裂瞬间采集，采集到的数据也能精确到百分位。如此精确且精准的数据，才能消除误差，确保学生通过分析精确数据，得到科学的实验结论。

一次实验数据可能存在偶然性，多次实验验证才证明结论的必然性。因此在实验教学中，汇总、处理全班数据是非常必要的，这就相当于重复实验以避免误差，提升实验结论的科学性。通过“赛·课堂”，能够自动实时汇总、处理所有数据，学生做完实验即完成汇总数据。学生交流时，不仅能看到自己的数据和结论，更能横向比较其他小组。数据呈现方式多种多样，除了数据外，还能根据教师预设的方式，将数据转变为折线图、雷达图等形式，适应学生的不同思维方式，多样化分析形式发展学生的推理、论证能力。各组结论的相互印证、大数据的集体分析，使得到的实验结论更具科学性、普遍性。以此让学生体会到重复实验对科学实验的必要性和严谨性，帮助学生树立严谨的科学思想。

数据实时上传、汇总和计算，节约了课堂时间。上传的数据，也成为教师指导学生的依据。根据教师端收集的实时数据，教师能够同步观察所有的学生实验，一旦发现误差较大或存在其他问题的小组，也能第一时间给予指导。

通过数据支架，让实验用数据说话，帮助教师通过数据诊断学生行为，为教师指导学生提供了依据；帮助学生采集、分析、处理数据，为学生的学习提供了多样、精确的数据。通过精确的数据得出结论，发展学生数字实证意识。

（四）多维评价，形成档案

课前，教师搭建评价支架预制操作性强的自评表，如“实验前，清零数据”“讨论时，依次交流”等，每做到一条，即可获得一颗星，丰富了学生自评的内容和形式，使得学生自评更具深度。本节课中，学生自评表与活动一并开放。学生活动前研读要求，活动后完成评价，使其既是活动指导，也是活动反馈。

学生活动时，教师要关注多组学生的活动，同时给予过程性评价和针对性指导。借助“赛·课堂”，教师通过教师端和教室端即可同步观察学生活动情况，同时将评价内容播出在教室端上，让更多学生能关注到评价内容获得指导，同时激发学生的学习兴趣。教师评价不再只局限于学生发言，更囊括了学生活动和学习习惯，使得教师评价更具广度。

课后所有评价数据一并上传保存，有了评价数据的积累，组成学生的发展轨迹，以此形成学生的成长数据档案。学生自评、互评和教师评价的各类数据有机结合，评价结果也趋于客观，成长数据档案也愈加真实。教师根据成长数据档案，调整教学策略，从而落实因材施教。

通过评价支架，使得教学评价融入课堂的所有环节，以评价促进学生学科核心素养的发展。

学习支架融合于学习活动中，形成自然教学新样态。新颖的学习方式也激发了学生的学习兴趣，有效提升学生的学科核心素养。通过数字化技术，教师更专注教学本身，进一步提升教学成效。

四、反思与建议

应用“赛·课堂”进行教学，可提高教师教学效率、学生学习质量和环境支持功效，增强教师、学生和环境三者之间的共融共生，赋能学科教学方式的变革。［2］基于“赛·课堂”构筑的伴随式学习支架能够在实验教学中有效培养学生的学科核心素养。但核心素养的培养不是一蹴而就的，教师不光要把握课程标准、教材在全学段纵向、横向的主体脉络，更要了解学生每节课的学习情况，积累学生课堂数据，生成更精确的评价数据算法，以保证学生能够得到连贯、适合的科学教育。

通过“赛·课堂”和DIS，让实验步骤可视化，数据采集精准化，数据处理智能化，教学过程数字化，凭借硬件和软件的强大功能最大限度地提升实验教学的效率和精度，改变了师生对原有实验工具、科学方法和探究过程的认识。虽然数字化实验系统给我们提供了很好的硬件基础，但还是要去推敲、研究教材内容与内容之间的关系、跨领域知识之间的衔接。［3］教学数字化丰富了自然学科的教学手段，但并不否定其他的教学方法。因此，基于“赛·课堂”的伴随式学习支架构建仍需要我们长时间、常态化去使用，不断积累多种多样的数据样本，不断优化伴随式学习支架的构成，以发挥现代化科技在教育领域中更大的作用。

在教育数字化转型的道路上，要基于课标、推陈出新和勇于实践，用数字化技术继续探索教学新样态，以适应学生的学习需求，全面培养学生的学科核心素养。