基于伴随式学习支架培养小学生科学探究能力

2023-07-15王玉婷

上海课程教学研究 2023年6期

◎ 王玉婷

2016 年，上海市闸北田家炳小学引入数字化实验系统（Digital Information System，简称“DIS”），经历了从数字化实验到实验数字化的转变。2018 年起，学校开始常态化使用数字化教学系统，顺利进入小学科学教学数字化阶段，构建了由阅读支架、设计支架、数据支架和评价支架组成的伴随式学习支架。随着小学科学教学数字化的深入，“如何充分利用数字化教学平台更好地发展小学生的科学探究能力”成为教学研究的新方向。在学科教学中，针对运用伴随式学习支架培养学生科学探究能力，笔者积累了不少的实践案例，也形成了一定的设计要点。

一、基于伴随式学习支架培养学生科学探究能力的设计

科学探究是小学科学的重点学习内容，也是重要的学习方式。《上海市小学自然学科教学基本要求（试验本）》指出，科学探究包含提出问题与作出假设、搜集证据、处理信息、解释问题和表达交流等要素，中高年段的学生科学探究能力需要达到“中水平”，如表1 所示。

表1 科学探究 “中水平”能力表现

本文以培养中高年段小学生科学探究能力为例，阐述在伴随式学习支架下学生探究能力培养设计的要点，如表2 所示。

表2 伴随式学习支架在科学探究活动中的应用

（一）“提出问题与作出假设”要素的设计

提出问题是学生通过感知情境，触发探究问题的过程；而作出假设，是学生基于生活经验、实验事实和已有科学知识，进行逻辑推理形成问题可能答案的过程，这一阶段是学生科学探究的导入阶段。在这一阶段，教师通过认知冲突引导学生提出问题，并通过文字、符号进行猜想与假设。

教师可以借助阅读支架，通过使用情境化的图片、结合生活实际的文字或视频创设情境，引导学生针对情境提出问题；还可以借助数据支架，收集学生记录的现场实录和根据此实录作出的猜想与假设，以图表形式汇总。学生可以根据汇总横向比较发现自身与其他同学的异同，教师也可以根据汇总来判断学生的完成情况。

如三年级“桥面承重”一课中，学生需要发现“相同形状的桥，桥面材料的不同会影响桥面的承重能力”，引发“桥面承重与材料有关”的猜想。教师搭建阅读支架，为学生提供四张不同的桥的图片，让学生以小组为单位通过仔细观察对比桥的桥面材料、桥的形状和通行对象，并运用圈画、标注等功能记录下来。通过两两比较，学生很容易就能提出猜想，发现影响桥面承重能力的因素。

（二）“搜集证据”要素的设计

搜集证据是计划实施的初始阶段，要求学生基于对问题的假设，在适当的引导下根据实际情况制订简单的探究计划，并根据计划从证据的类型、搜集的方式等角度考虑，使用不同的调查手段和工具搜集证据。

教师可以借助设计支架，通过勾选、拖动和绘画等方式简化学生设计过程；可以借助数据支架，提高实验数据收集的精准度，及时收集学生活动的内容信息，以便对学生活动进行有针对性的指导；可以使用阅读支架，向学生提供制订计划的参考资料和计划中需要搜集的内容；还可以借助评价支架，以自评表的方式引导学生按步骤正确操作完成实验。

如四年级“摩擦生热”一课中，为了引导学生通过实验得出“摩擦可以产生热量”的结论，在实验方案制订时，教师搭建设计支架，用勾选、拖动的方式，帮助学生确定实验的变量，选择合适的实验材料，明确变量之间的关系。在搜集实验证据时，教师搭建数据支架，学生通过使用数字温度计精确地记录摩擦前后的温度变化；同时，小组数据实时汇总到教师端，教师可以随时观察所有小组的数据情况，以便进行有针对性的指导。

（三）“处理信息”要素的设计

在科学探究活动中，信息的处理分析是得出证据的关键。学生需要依据现有的模型和提示，使用统计分析、类比推理等方式处理材料和理解数据，并用简单文字、图表记录过程和结果。

教师可以借助数据支架，根据学生获得的数据制作出图表，并通过统计分析来帮助学生降低分析难度，更好地理解数据；可以借助阅读支架将探究材料以图片、文字、视频等方式提供给学生，通过笔记批注、圈画等形式找到重要信息，帮助学生提高信息获取、分析的能力；还可以借助评价支架，针对学生在活动中的能力表现，及时作出正面反馈以激励学生积极参与讨论分析。

如三年级“回形针的磁化之旅”一课中，学生需要对比回形针磁化前后的磁性，除了可以让每个小组对比自己的实验数据以外，教师还可以在备课时提前“埋点”，搭建数据支架，汇总全班的实验数据并制作成易于学生分析的雷达图。全班的数据组成了磁化前和磁化后两个圈，内圈是磁化前数据，数值小；外圈是磁化后数据，数值大。通过图像可以很显著地发现磁化后的数据大于磁化前的数据。

（四）“解释问题”要素的设计

解释问题主要是为了建立证据和猜想之间的联系，要求学生能用科学方法得出简单结论，并运用证据与结论对猜想与假设作出合理的解释。小学生对于处理数据和得出结论的联系能力较薄弱，往往无法用科学语言得出结论，需要教师的有效引导。

教师可以借助数据支架，将结论以选择填空的形式呈现，简化总结内容，帮助学生初步认识如何用科学的语言完成结论的表达；还可以借助评价支架，以教师评价和学生自评的方式对学生进行正面反馈，帮助学生明确教学目标，促进自主参与，更好地提升核心素养。

如“增大摩擦力”一课中，学生需要通过分析实验数据，发现“压力越大，摩擦力越大”“接触面越粗糙，摩擦力越大”的实验结论。教师在备课时提前“埋点”，搭建数据支架，通过关键词选择填空的方式，帮助学生总结出结论：增大接触面所受压力或增加接触面的粗糙程度可以增大摩擦力。

（五）“表达交流”要素的设计

表达交流是一个体现学生自主、合作学习思维与成果展示的过程，要求学生不仅能在小组内表达自己的思考与成果，倾听同伴的想法，而且能在课堂上代表小组根据现有证据以口头或书面方式交流探究的过程和结果，并能进行简单的评议。

教师可以借助设计支架帮助学生设计完整的科学探究流程活动单，将重点内容以选择、填空等方式呈现，让学生初步认识如何用科学的语言进行汇报，帮助学生规范汇报语言；可以借助数据支架，收集所有学生（小组）的任务单，在大屏幕上展示，当交流时，所有学生可以清晰地看到电子任务单，使得汇报学生的表达有理可依，也提高了其他学生的汇报参与度，给予他们互相交流观点的依据；还可以借助评价支架，以生生评价的方式有效帮助学生完成知识的巩固与迁移运用。

如五年级“利用磁性发电”一课中，学生通过探究发现了线圈与发电之间的关系。教师在备课时借助设计支架设计学生记录实验数据、汇报实验的任务单和以“选择关键词”的形式为主的实验结论表。在小组汇报环节，教师可以调用各小组电子任务单，学生通过将表头、列名等与数据有机结合进行实验数据汇报，再根据所选的关键词交流结论，将汇报过程简单化和流程化。同时，在数据支架帮助下，学生可以从大屏幕中清晰地看到其他小组的任务单，与自己小组的任务单进行比较，从而判断他组的结论是否与自己的一致，接着通过评价支架中的“生生互评”与同伴就探究活动进行良性交流。

应用伴随式学习支架，将探究活动的各个要素用科学的思维方式链接起来，帮助学生达成了活动设计模块化、活动操作规范化、活动数据精准化以及活动汇报科学化，进一步提升了学生活动效率，促进了互动交流。

二、基于伴随式学习支架培养学生科学探究能力的实践

笔者以“力和机械① 滑轮”一课为例，来阐述运用伴随式学习支架开展的探究活动教学。“力和机械① 滑轮”是远东版《自然》三年级第一学期第四单元“身边的力”的第四课时的内容。本节课的教学目标是：①对滑轮作用作出猜想，动手实验并利用实验证据证明观点；②知道使用简单机械可以省力、提供方便，感悟简单机械对人类生产和生活的重要性。本节课的教学重点是知道使用动滑轮能省力，使用定滑轮可以改变力的方向；教学难点是设计简单的对比实验。

本节课在伴随式学习支架支持下，强化了“提出问题与作出假设”“搜集证据”和“处理信息”三个探究要素。为了让学生通过实验体验认识滑轮，根据滑轮体验观察到的现象对滑轮作用作出猜想，并设计实验证明观点，从而知道使用简单机械可以省力或提供方便，感悟简单机械对人类生产和生活的重要性。教师搭建阅读支架，规范实验过程；搭建数据支架，简化数据统计和分析，明确教学重点；搭建设计支架，帮助学生设计对比实验，突破教学难点。

（一）规范实验步骤，制造认知冲突

在“提出问题与作出假设”过程中，为了让学生通过体验观察不同滑轮特点，形成“使用滑轮是否省力”的问题。教师创设“高楼搬冰箱”的生活场景，通过搭建阅读支架和数据支架，帮助学生规范操作步骤，根据体验观察到的现象进行简单推理并提出猜想：定滑轮不能省力，动滑轮能省力。

为了帮助学生提高实验操作规范性，教师先演示如何操作，再搭建阅读支架，在学生活动时提供实验操作手册，详细记录每一步实验步骤，还有操作演示视频。学生可以根据自己的需求选择不同的学习方式。在实验过程中，学生还可以随时调出手册反复查看，形成实验活动中的个性化教学。再搭建数据支架，学生通过对比、记录不同滑轮的运动方向、用力方向和用力大小。教师收集各小组实验记录数据并以表格统计的形式分析归纳不同滑轮的特点，帮助学生认识动滑轮和定滑轮。同时通过数据对比，引起认知冲突，引发对滑轮作用的猜想：定滑轮可能不省力，动滑轮可能会省力。最后搭建评价支架，以“轮流体验并完成表格”为评价点，用任务驱动提高学习效率。与认知不同的实验现象提高了学生探究滑轮作用的兴趣。

使用伴随式学习支架，帮助学生提升了实验操作的规范性，通过体验与分析引起了学生的认知冲突，从而激发学生的好奇心和探究热情，引发学生积极思考并提出问题。

（二）简化实验设计，优化数据分析

在“搜集证据”和“处理信息”过程中，为了让学生能根据猜想设计实验并通过分析实验数据证明观点，教师搭建了设计支架和数据支架，帮助学生降低实验设计难度，提高实验数据精确度，将实验数据的分析过程图像化、可视化，得出结论：使用定滑轮可以提供方便，使用动滑轮可以省力。

为了帮助学生完成实验设计，教师借助设计支架设计实验表格，以勾选和拖动的方式让学生选择探究滑轮的类型，明确两次实验中需要使用的材料，完成对比实验设计。通过简化实验设计，帮助学生初步感受设计对比实验的魅力。

为了提高实验数据的精准度和让学生初步感受实验数据分析的过程，教师搭建数据支架，使用挂在绳端的数字测力计获得精确数据。学生可以通过对比分析归纳小组结论，以勾选关键词的方式完成实验总结。此外教师还汇总所有小组的实验数据，将其转化为适合学生分析的折线图，通过分别比较“直接用手提的力”和“用定（动）滑轮提的力”两条折线的位置高低，最终得出大组结论：使用定滑轮可以提供方便，使用动滑轮可以省力。

使用伴随式学习支架帮助学生初步体验设计对比实验的过程，形成了制订探究计划的概念；以数据支架使实验数据更精确，增加了实验科学性；汇总各小组实验数据并将其将转换成折线统计图，帮助学生优化了分析过程，让学生认识了数据的处理方式，培养了学生的推理和论证能力。

在科学探究活动中，搭建伴随式学习支架，以丰富的互动激发学生对自然现象的探究热情；以简化实验设计，帮助学生学会观察、实验等科学方法；以优化数据分析，帮助学生认识分析与比较等思维方式；用填空式的任务单让学生初步学会用科学语言解释自然现象，初步形成科学思维能力。