科学探究中搭建数字化学习支架的实践

最近发展区的理论指出，教师可以通过搭建适当的支架为学生学习新知识提供支撑，引导他们“跳一跳摘到果子”，帮助他们有效地突破学习障碍。数字化学习支架是融合信息技术设计的“脚手架”，它借助数字化工具、资源与平台（具有互动性强、反馈及时、资讯丰富和内容呈现多样等优点），可以更好地满足学生的个性化学习需求，协助他们完成科学探究任务，提升他们的科学素养和创新能力。如何发挥数字技术的优势，为学生搭建合适的数字化学习支架，促进他们的探究性学习？这是一个值得探讨的问题。

一、导向型数字化学习支架

科学课强调以探究为核心。传统教学在教师的全程主导下，内容统一、形式单一，是流水线式的，学生活动有余而探究自主性不足。而数字化背景下的科学探究学习并不完全依赖于教师的讲授，是开放的、个性化的和非线性的，因此，学习的需求、遇到的困难、指导的时机等都是动态的，教师逐一亲自指导已不可能实现。

导向型数字化学习支架的作用就在于发挥数字技术的音、形、视频、动画、网络交互等优势，为学生明确学习方向，并提供必要及时的指导。教师主要可以提供两种学习支架：一是“主动提示”，即根据学生在具体的科学探究过程中的表现，给予主动的提示和帮助；二是“提供建议”，即学生在探究学习遇到困难时，能根据自我需求，选择性地获得相应建议或指导，以明确进一步研究的目标和方法。

例如，教学四年级“消化器官位置”内容时，教师通过提供基于Authorware软件制作的互动学习课件的方式，让学生结合自己的身体，自主探究“消化器官有哪些”“各种消化器官的具体位置分别在哪儿”等问题。软件根据学生的学习表现，主动给予提示和帮助，并呈现相应的提示信息，即时给予反馈，使他们第一时间意识到错误，并进行改正。具体操作为：学生将相应的消化器官图片拖动到正确的位置，图片即固定，并显示“正确”，反之则显示“错误”；当鼠标移动至消化器官图片的上方时，会弹出信息框，提示该消化器官的相应信息；如果学生把所有的消化器官图片都拖动到正确的位置，完成消化器官拼图的全部任务，则会显示信息“恭喜你，学习成功！”同时播放一段消化器官的视频。

又如《热水变凉》一课的“连续测量一杯热水温度”探究实验中，学生既要组装新工具数字温度计来连续测量水温，又要操作平板电脑上传数据，难度相对较大，若教师直接介绍使用方法与操作要点，又不利于学生自主性的发挥。因此，教师可以将这些操作要点分成两种：平面版“图片+文字提示”，类似于“实验说明书”；动态演示版“微视频”，详细展示实验操作过程。学生根据学习任务单，可以选择阅读“实验说明书”，掌握方法后开始实验，也可以选择跟着微视频循序渐进地完成操作，还可以看一遍或几遍微视频，确认无误后才开始实验等。

类似于互动学习课件、微视频、图片等构成的导向型数字化学习支架，为学生提供了及时的帮助和指导，引领着他们持续、有效地完成科学探究活动。

二、任务型数字化学习支架

任务型数字化学习支架，既是任务也是挑战，让学生在任务驱动下，在想方设法为完成任务而努力的过程中，逐渐丰富探究经历，不断品尝成功的喜悦，进一步增强自信心，激发学习动机。任务型数字化学习支架可以从两个维度进行设计。

一是“架设台阶”，即将该课学习总目标分解成为一个个小目标，并蕴含到逐层深入的各项小任务中，让学生循序渐进地开展科学探究活动。例如，在《地球的内部》一课中，教师利用“中科雷慕”开发的虚拟现实软件，结合VR眼镜和平板电脑构建探究式虚拟数字学习环境，支持学生展开探究地球内部物质结构及运动变化的活动。教师围绕“地球内部的情形可能是怎样的”这一核心问题，将学习内容分解为若干具体的任务。①探究火山和地震是什么原因导致的，调用学生原有认知，交流分享对地球内部的初步认识。②探究火山喷发和地震时有什么现象，通过VR技术，让学生漫步在虚拟的世界里，近距离“观察”火山和地震，收集信息，如高温的岩浆、喷出的火山灰、巨大的声响、地面的震动和开裂等，感受地球内部那股推动板块运动的原始动力。③画一画地球的内部结构，根据收集到的信息，对地球内部的情况作出推测，用图形和文字初步建构地球内部结构的模型。④探讨地球的内部结构及运动还会引起哪些变化，引导学生逆向思考，反证地球内部结构，建立科学观念。

二是“提供任务菜单”，针对学习能力、学习方式等不同特点设计任务支架，即让任务在难易程度、呈现形式、完成要求等方面体现不同，可以是个体完成的任务，也可以是小组合作完成的任务，让任务具有丰富性和层次性，给学生更多的选择机会，以满足不同学生的学习需求。例如，在《心脏和血液循环》一课中，教师可以设置难易不同的任务：①心脏的位置和结构是怎样的？②心脏为什么不停地跳动？③血液循环有什么意义？④人在运动后为什么呼吸和心跳都会加快？其中前三个为基本任务，第四个为拓展任务。教师为学生提供二氧化碳数字传感器，支持他们对人吸入和呼出气体中的二氧化碳含量进行检测，展开依据数据的定量研究；提供包含心脏和血液循环数字资源的专题网站，支持学生针对问题检索资料，并依托网站平台进行互动交流，让他们在线选择学习任务和任务顺序，利用数字工具和资源，灵活地完成学习任务，有更多时间可以挑战拓展任务。

三、情境型数字化学习支架

建构主义认为，情境、会话、协作、意义建构是学习环境中的四大要素。建构主义强调学习者在真实或者趋于真实的学习情境中学习，可以增强对学习内容的理解，并促进学习的进一步迁移。情境创设也是科学课堂中常用的教学方式，其目的是让学习内容更具吸引力，激发学生的学习兴趣和参与欲望，同时利用新旧知识的同化与顺应机制，激发思维，帮助他们获得真实的感受。

数字技术在搭建情境型学习支架方面有其独特的优势，它可以通过音、形、视频、动画、网络等方式，再现真实的生活情境或近似真实的情境，将当前的探究性学习与实际生活相联系。逼真的虚拟情境型数字化学习支架，能让学生突破时空限制，获得比传统方式更为丰富的体验，激发他们的学习兴趣和动机，使他们有效建构新知，提升科学素养。

例如，六年级《观察星空》一课中，通过运用传统的星空图片卡进行学习，缺乏立体感、互动性，学生参与愿望不强，对星座实际位置较难把握，不利于知识的迁移。“星空漫步”是一款天文应用程序，可以提供模拟真实的星空场景，它利用平板电脑内置的陀螺仪感知平板电脑的旋转和方向，学生只需将平板电脑对准天空，即可通过屏幕上的星空图像观测到与实际天空相符的星体位置和高度。教师可以组织学生围绕“你认识星座吗？你的星座在天空中哪个位置？”等研究问题，进入程序所创设的星空探究情境，突破时空限制，开展自主探究活动。活动一：学生在虚拟星空中找到自己的星座，包括：指一指，具体在什么方位；画一画，是什么形状。活动二：让相同星座的学生组成一组，分工合作，利用iPad查找自己星座的资料，并在线上线下交流分享，丰富对星座的认识。活动三：通过自带的全球定位系统，直接输入想要去的观察位置，点击“搜索”或者“从地图中选择”选项，定位世界上任何地点作为观察点，实现全球虚拟漫游，查阅不同地区、不同季节的星空星座，并通过图形功能（“连点成形”或“星座绘图”），更形象逼真地了解星座。有了这样近乎现场的观察，就有了更真实的体验，有利于学生构建对星空的认知。

科学课中有关昼夜交替、月相成因、月食和日食等方面的教学内容，教师同样可以把它们整合到一起，利用可操作的太阳系三维动画游戏“太空梭”，模拟太空情境，学生自主控制“太空飞船”，浏览、研究发生在太阳系里的各种天文现象，亲历传统教学无法完成的科学探究活动，获得超越现实环境的体验。

四、资源型数字化学习支架

数字化学习时代的特征之一就是资源的丰富性。资源不再局限于课堂、学校等范围内，而是无处不在。资源型数字化学习支架设计的目的就在于，通过数字技术让学生随时能获得与当前学习相关的资源，与此同时，在丰富的信息面前，学生还要学会分析、判断、选择有效的信息来解决问题。

具体途径主要有两个方面：一是通过动态生成的实时信息获取学习资源，即将云平台、电脑、iPad无线终端等，通过网络组成学生学习数据采集链，将探究性学习过程中产生的各种原始客观数据采集和呈现，供学生自主分析和判断。二是通过数字化资源库获取学习资源，即教师围绕学习主题收集数字化资源，并对学习资源进行分析、过滤等，形成数字资源库，如专题学习网站、数字化学习资源包等。学生通过网址链接、扫描二维码、检索资源包等方式，获得学习支持。

例如，在《刺激与反应》一课中，教师利用测试反应速度App和自主开发的网络实验数据收集平台，让学生利用平板电脑测试自己的反应速度（测试5次，软件自动计算平均值），每组将获得的数据上传至实验数据收集平台，平台自动统计汇总数据，生成全班实验数据表呈现给学生，学生根据实验数据，分析、寻找数据背后的规律，即“每个人对刺激作出的反应速度是不一样的”“反应速度可以通过训练得到提高”“人的反应速度一般在200～400毫秒”等。这样，通过软件工具快速收集实时数据、互联网快速传输数据、互动一体机快速汇总呈现数据等，实现课堂生成性资源的搜索，有效支持学生后续的实证研究。

又如，“看月亮”“养蚕”等内容，学生对相关学习主题的原有认识较少，且学习的周期较长，容易造成学习活动的中断。教师可以利用专题学习网站、QQ群等平台，一方面，围绕学习主题为学生提供相关视频、图片、数据、动画等数字资源，方便他们依据学情自主快速获得所需的学习资源，另一方面，方便学生在网络平台提出问题，获得及时的建议与帮助，促进探究活动的深入开展，或上传、分享过程性学习资料，自主丰富生成性资源，为学习提供支持，获得成就感。

小结

数字化学习支架为学生的科学探究活动提供更为方便、快捷、有效的支撑，使他们顺利穿越最近发展区，以获得进一步的发展。当然，其方式、类型也不限于以上提及的四种。教师也应该认识到，当管理学习的任务逐渐由教师转移给学生，即学习过程被内化之后，相应的学习支架也应该撤除，使学生成为主动的学习者。

（作者单位：江苏省溧阳市泓口小学）

参考文献

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