技术助力小学科学可视化实验的支架式教学策略

吴韦春： 正高级教师，浙江省庆元县城东小学校长，浙江省教育学会小学科学教学分会常务理事。获评全国优秀科学教师、全国生态劳动教育实践先进个人、浙江省特级教师、浙江省春蚕奖、浙江省教科研先进个人等荣誉称号。发表论文百余篇，出版《田园科学》《拓展性课程开发和实施导引》等著作。他致力于科学课堂教学艺术的不断提升，始终眷注“尊重又不拘泥”的教材观、“理解儿童”的学生观、“关注生成，促进发展”的教学观、“轻负高质”的质量观。秉持“理解儿童，关注成长，促进发展”的教学理念，让学生“做最好的自己”。“材料求精，过程求简，方法求活”，让学生收获成功的喜悦。

《义务教育科学课程标准（2022年版）》在“课程开发与利用”中指出：力争做到课程资源与科学教学有机结合，信息技术与科学教学深度融合。教师利用信息技术将科学问题置于现实生活中，引导学生观察科学现象，探寻科学知识，激发学生的好奇心和求知欲，有利于提高学生的创新能力和动手能力。教师要积极参与网络资源建设，充分利用网络资源，运用在线学习、微课自学、智能检索等方式，促进信息技术与科学学习深度融合，为教学服务。教师可以利用科学教学网站或资源库，以及各种网络平台或工具，开展网络研修或科学教学信息交流活动，提高专业水平。教师应利用信息技术手段，如虚拟仿真实验、数字化实验等，让学生比较直观便捷地学习相关知识。学校与教师还应关注数字化教材、音像资料、多媒体软件等资源的开发与使用。如何科学运用支架式教学策略，提高小学生参与科学探究实验的积极性和课堂教学效率？教师需要引入新颖的教学方法：植入信息技术使小学科学课堂教学更加生动、形象、有趣，化繁为简、变静为动、显微阐幽，搭建立体式支架使学生思维螺旋形升级。为此，笔者针对小学科学探究实验构建了话题型支架、素材型支架、方法型支架、操作型支架、技术型支架，提供多样化的观察素材，开展数字化教学，激发学生观察兴趣，培养科学思维，尽可能实现实验过程和思维过程可视化，提高教学实效。

一、引入话题型支架，激发观察兴趣

话题型支架指在导入或过渡教学时，教师根据自己对文本内容的理解和对学生的生活经验、学习起点的了解，提出恰当的话题，以帮助学生搭建承启学习的桥梁，使他们能够尽快投入科学探究学习之中，促进学生深度学习，在收集证据的过程中构建科学概念。笔者构建的话题型支架结构如图1所示。对于每次实验探究活动，教师需要聚焦相应的问题，对学生的生活经验或学习起点要有明确的认识。教师要以生为本设置话题，选择学生感兴趣且符合其成长规律、地域特征的具有研究价值的问题开展探究活动。教师在问题评估环节起重要作用。评估精准得当是活动顺利开展的关键。学生在活动过程中针对问题收集数据，分组对数据进行分析，达成共识，构建相应的科学概念，用以解释现象、解决问题。学生科学观念的形成是建立在理解科学概念、规律、原理的基础上的。教师让学生在整个过程中以自主合作、分析讨论的方式形成科学观念，有利于学生在今后的生活中有意识地借助已有科学观念来解决问题。

学生对学习的主题感兴趣就会产生好奇心，且能持久。要激发学生观察的兴趣，教师应精心设计目标和任务。教师可以在课堂教学中使用三维动感等相关课件，变抽象为形象。

例如，研究“不同形状的车轮在斜面上滑下的距离”时，笔者用大屏展示变形金刚引出话题，吸引学生的注意力，激发学习兴趣。学生分组比赛，制作变形金刚（小车），在此过程中研究不同形状的车轮在斜面上的运动情况。笔者引导学生研究圆形车轮的滑行距离，将前后两次实验进行对比，借助三维动画模拟各种形态、质量的小车在不同斜坡路面环境下的滑动过程，引发学生思考影响小车滑行距离的因素还有哪些。

兴趣是最好的老师。对于低年级学生来说，普遍存在注意力不集中、容易被新鲜事物吸引、对晦涩抽象的知识接受能力差等不足。整节课，笔者从问题出发，始终围绕学生感兴趣的话题创设情境。学生制作变形金刚小车参与比赛是教学明线，学生在比拼的过程中潜移默化地研究了不同形状的车轮及不同高度的斜面对比赛结果的影响是教学暗线，双线完美契合。最后，笔者借助三维动画对现实环境难以模拟的实验进行重现，进一步让学生在探索中思考影响物体在斜面上运动的因素有哪些。学生在玩乐中学习，更加高效地理解并掌握了相关知识，也有效拓宽了知识面。

二、提供素材型支架，建构立体思维

素材型支架指教师让学生在生活中学会观察，从中寻找和收集有用的素材，引导学生记录相关素材，并对其进行梳理和拓展，提升学生的探究能力。笔者构建的素材型支架结构如图2所示。科学探究实践往往少不了实验材料的支撑。教师应从“学”的角度思考如何让材料为探究实践服务。笔者在课前、课中、课后时刻关注材料发挥的作用对学生实践探索的助益。对于某项活动，课前需要进行下水实验。笔者分析教材列出的材料能否达成教学目标，如果能够达成，思考是否有更有效的材料可用，为此开展多材料实验。如果无法达成，那么需要如何改进实验材料？课前完成下水实验并不意味教师在课堂上就可以松懈，还需要关注学生在课堂上分组合作情况，关注学生借助教师提供的材料是否能够解决问题，以及学生在使用材料的过程中有无发现新问题或有研究意义的发现。课后，笔者根据课上学生分组合作的结果及时总结反思，能够顺利解决问题，就形成典型材料进行推广应用；如果有新问题或者新发现，就进一步对材料进行改进，以便帮助学生解决问题。

对于实验观察活动，教师准备材料要做到丰富且典型。材料多种多样，便于学生感性认知，也有利于学生剖析和比对。材料典型，才有利于揭示科学本质，方便学生概括。

例如，对水进行观察时，教师要求学生通过多种感官对水的各个方面加以观察，了解水的物理性质。为了深化学生的理解，教师往往还让学生将水与醋、牛奶等进行对比。为了让学生更好地构建“无固定形态”的概念，笔者准备水、木块、气球等不同状态的物品，将水注入不同容器，控制气球容积，让学生以目视、触摸等方式对其进行探究，引导学生了解不同状态下物体的区别，以此了解水是“无固定形状”的液体等特点。此外，笔者还播放相关视频让学生观看自然界水的存在形式、水与其他物质的区别，认识水对生命维系的意义。整节课，笔者在技术支持下，循序渐进开展观察和探究活动，使学生在无形中提升了认知。

实验、观察是科学学习中非常基础且极其重要的环节，并非所有方面都需要全面精细观察，应结合实际具体安排，引导学生在观察与亲身体验中形成相关的情感、态度和价值观。

三、运用方法型支架，训练观察技能

方法型支架指教师为促进驱动任务能动且高效开展，为学生提供有结构材料、思维导图、方案、评价量表等元素的过程性指导和帮助，便于学生理解概念，承担并完成角色任务，开展多元化研究。笔者设计的方法型支架结构如图3所示。活动伊始，笔者确定任务目标，明确整个活动需要研究什么问题，选择合适的方法及角度，对比研究结果，分析获取的数据，从而获得证据，解释现象。如研究结果达成了相应的任务目标即研究结束；如研究结果未达成相应目标，分析原因，再次确认研究问题，以多种方法、多个角度再研究。以此培养学生多角度分析、多方法探究，以及用迭代思维分析问题的能力。

科学课堂上的实验和科学家操作的实验存在一定的差别。课堂实验多是简化的科学探究，且学生需要在教师的引导下操作。为了提高教学效率，教师要不失时机地合理引导。低年级和中年级的学生还不具备实验操作技能，教师需要设计好操作步骤，并了解学生的具体状况，对可能出现的问题及时帮助解决。笔者在教学“磁铁能吸引什么”时，从学生原有的认知“磁铁能吸引铁”出发，引出问题：除了吸引铁制物品以外，磁铁能吸引其他金属吗？它们彼此可以吸引吗？磁铁到底可以吸引什么？以此开启探究。对于三年级学生来说，还缺乏自主探究能力，因此在实验过程中需要教师在方法上给予指导。笔者组织学生就“磁铁到底可以吸引什么”等问题进行讨论，并对学生的讨论结果进行收集、汇总，利用电子表格制作“讨论结果表”。同时，为学生提供磁铁、铁品、铝品、铜品、电池、玻璃、纸、橡胶、塑料、木块等材料并对其编号，让学生使用磁铁对其逐一吸引，收集实验结果，并用电子表格制作“实验结果表”。笔者展示“讨论结果表”和“实验结果表”，通过肢体、语言等吸引学生关注表格信息，引导学生对“讨论结果表”及“实验结果表”进行比较分析，判断正误。在笔者的引导下，学生自然而然学会了研究方法。最后，笔者让学生在教室内寻找能被磁铁吸引的物品，让他们学以致用，对研究方法进行巩固和提升。

“磁铁能吸引什么”整个探究过程，以教师为主导，学生为主体，合理利用了办公软件提炼实验内容，使得教学过程杂而不乱、思路清晰。

在科学研究中，成年人运用提出问题、分析问题、问题探究、问题总结的学习方法，能够迅速整理研究思路，在探究过程中迅速接近问题及答案的本质。但学生年纪较小，问题总结、探究能力较为薄弱，教师在教学过程中，应该引导学生合理利用数字技术，并且承担好思路整理者及节奏把控者的角色，循序渐进地探究问题。

四、搭建操作型支架，增强观察效果

操作型支架指教师在指导学生修正课堂实验或课后拓学时，引导学生比较分析，自己尝试将思维导图按图索骥或表达方式，修正原有的方法，反复进行实验对比，进而学会如何分析修正实验并总结经验。笔者设计的操作型支架结构如图4所示。一堂课需要教师与学生在活动中扮演重要的角色。教师需要为学生设定符合其认知水平的目标，并选择合适的资源，为学生建立科学观念提供助力；根据学生能力水平设计问题和任务。学生作为教学的主体，其活动过程是课堂的重中之重。学生在活动前讨论需要解决的问题，根据已有认知经验提出自己的猜想，借助教师提供的资源在实践过程中以多种学习方式获取证据提出见解，总结经验，内化知识，提升学习能力，在课后能够解决生活中的实际问题。这是科学教学提高学生科学素养的重要方式。

实验教学中，受时间和空间以及环境所限，部分实验无法在实验室中完成。教师需要搭建实验模型，用类比的方法推算相关数据，用于科学实验。教师在搭建模型中，需要抓住实验的主要达成目标和类比模型所应具备的特征，让学生在实验操作过程中尽可能减少其他要点对实验现象的影响，以达成实验目的。

笔者在教学“用沉的材料造船”时，播放视频“木头能浮在水面上可以造船”引出话题，让学生产生认知冲突“为什么沉入水里的钢铁做成船却能浮在水面上”。学生有了认知冲突，就会有研究的兴趣，进而提出自己的观点。受钢铁的锻造工艺限制，借助在水中同样会沉的橡皮泥来代替钢铁进行研究，学生也能够自然而然接受这样的模型建构。学生完成“不同形状橡皮泥在水中的沉浮状态”的实验，借此探究钢铁大船能在水中航行的秘密。学生将相同体积的橡皮泥捏成实心球、实心立方体、条形、饼形、空心球、船形等形状，观察其在水中的沉浮状态，并借助电子表格对实验结果进行收集整理。在整理表格信息的过程中（见表1），学生对排开的水量这个概念进行了建构，并根据结果探讨不同形状橡皮泥在水中呈现不同沉浮状态的原因。笔者组织学生观看不同规模船舶入水及其排水量介绍的视频，并引导学生分析橡皮泥排水量实验结果，了解巨轮在水中航行的科学原理。

科学实验是追求真理道路上必不可少的一环。然而，因实际条件限制，很多时候学生无法模拟真实环境求证获得答案，教师搭建模型，引导学生推算真实数据为科学实验提供了重要支架。结合实际，利用传统与数字手段建模并进行数据分析，既可以提高学生的动手能力及探究兴趣，又便于学生将理论联系实际，学以致用。

五、巧用技术型支架，提高教学效率

技术型支架指教师在教学过程中，将抽象难懂的理论知识与学生实际经验联系起来，引导学生借助技术手段获取信息，主动建构知识体系，并将其内化，在日后的学习生活中加以运用。笔者设计的技术型支架结构如图5所示。在教学过程中，有些问题教师无法借助已有的材料或者语言清晰地向学生表述，而借助技术手段可以有效解决这个难题。学生运用数字技术发现科学规律或学会学习方法，也是学习能力的提升。

以往教师采用传统方式开展实验教学，没有办法让所有学生清晰观察到实验操作的全部过程以及实验的具体状况。教师利用多媒体等数字技术可以将演示过程清晰地展现在学生面前，激发学生学习兴趣，有利于突破教学重点和难点。

例如，“昼夜和生物”教学重点在于促使学生掌握动植物和昼夜的关系，了解昼夜对动植物的影响，难点是针对夜行动物进行观察。笔者借助多媒体显示出多种夜间动物活动的情况，让学生不会再因为时间和空间的约束而无法观察，且便于学生思索和互动，探究出动物夜间活动规律，突破重点和难点。又如，对于与发霉、生锈、种子相关的实验，学生不可能在短时间内看到特定现象，笔者利用视频、虚拟实验让学生在短短几分钟里就直观了解现象形成的过程。再如，研究“我们是怎样听到声音”时，需要让学生了解耳的结构和功能，但实验器材室的耳模型并没有很好地展示出鼓膜、耳蜗、听小骨等结构。笔者借助3D解剖软件帮助学生了解人耳各部分的结构组成，让学生根据各部分结构所处的位置和特点阐述它们发挥的作用。

受制于时间、环境、经济条件等因素，在日常的实验教学中，许多实验还不能按照预期完美执行。教师使用视频、音频、课件等多媒体设备，在短时间内为学生演示已有的实验过程及结果，是非常必要且合理的。蚕的生长周期较长，且实时观察难度较高。笔者在教学中利用记录蚕从出生到死亡整个过程的纪录片作为教学素材，并依据视频为学生讲解，引导学生推理，让学生直观了解蚕的成长过程。引导学生对菜粉蝶一生进行观察、推理，让学生将知识融入日常生活中。

教师利用技术手段能够进一步完善教学，让学生能够在更高层次进行自主探究，促进其全面发展。值得注意的是，数字技术并不能完全取代原有的教学手段，两者也不是对立的关系，借助技术弥补原有教学手段达不到的效果才是核心所在。例如：在执教“生命系统的构成”“生物体的稳态与调节”“宇宙中的地球”“人类活动与环境”等科学阅读课时，适宜用数字技术提供支架扩大信息容量，并将直观、立体、形象的立体建模呈现给学生；开展科学游戏、解暗箱、种植饲养、户外考察等教学则一般不需要数字技术支架；开展工程技术、科学讨论、实验探究、过程技能训练课教学，可以叠加使用多种支架；开展科学观察课教学时，可以引导学生开发资源（自主提供支架）。在“互联网＋教育”的大环境下，教师应顺应教育数字化的时代潮流，始于学情，敬于应用，综合运用多种教学手段，更好地为精准教学服务，促进教与学全面互动，真正实现数字技术与教育教学深度融合。

责任编辑：祝元志