小学科学融合数字技术教学提升学生科学观察能力与思维发展水平

随着智能时代的到来，数字技术在教育领域的应用日益广泛，成为推动教育变革的重要力量。胡卫平等学者在《智能时代的教育变革：思维型教学理论引领“技术赋能教学”》中指出，技术赋能教学要直面实践困境，思维型教学理论可通过学科整合促进学生思维发展。本研究结合虚拟实验技术，探索其在小学科学教学中的实践路径，旨在解决传统教学中观察深度不足、思维训练薄弱的问题。通过实证研究，提出更具针对性和有效性的教学建议，为小学科学教学提供有力支持。

一、数字技术在小学科学教学中的应用现状

1.教学资源的丰富化与生动化。数字技术的融入为小学科学教学带来了丰富的资源和生动的表现形式，通过多媒体教学、虚拟现实(VR）、增强现实（AR）等技术的应用，改变记录方式、提供科学思维的有效材料以及促进学科整合等，有效促进学生思维发展，极大地提升了学生的学习兴趣和理解能力。这种多样化的资源展示不仅有助于学生深入理解科学知识，而且为学生批判性思维的培养奠定了坚实的基础。

2.教学模式的创新与多样化。数字技术正在改变我们学习的方式，让课堂变得更加灵活，如翻转课堂和项目式学习。这些方法主要是为了让学生自己动手学习，和别人一起合作，以提高他们设计实验、分析数据和推理结论的能力。数字技术跟各种学习方法结合起来，能让学习变得更深入，观察事物更准确，知识也更容易整合在一起。技术还提供了很多探索学习的工具，如虚拟实验，让学生可以在安全的环境下尝试各种实验，培养科学探索能力。

3.个性化学习与思维培养。智能教学系统能够根据学生的学习风格动态调整教学内容，而AI助手则实时提供学习进度的反馈。这种个性化的学习方法显著增强了学生的批判性思维和问题解决能力。以“模拟安装照明电路”课程为例，学生利用虚拟仿真软件绘制电路图并检验其可行性，发现并分析问题，总结经验，调整设计图，反复测试，能有效地促进学生思维能力发展。

二、案例分析：数字技术对学生科学观察能力与思维发展的影响

（一）案例一：“古代生物多样性”教学案例分析

1.教学挑战

“古代生物多样性”主要借助化石资料揭示已绝种生物的样貌，并与现存生物进行比较分析。学生对恐龙等生物有所了解，但对古代生物所处的时代背景知之甚少。如何引导学生深入理解主题并进行论证式学习，构成了本课程的一项挑战。

2.教学效果对比

对比传统文本阅读论证教学与结合虚拟实验技术的论证教学发现，常规班级学生主要通过阅读来搜集证据，受探究时间限制，交流和分析环节较为短暂，学生的参与度和思维能力的发展受限。而实验班级的学生利用3D跟踪眼镜和触控笔等虚拟实验技术，进行多维度的操作和深入的探究，显著提升了论证学习的效率。该技术不仅丰富了学习资源，还激发了学生的学习兴趣，提高了学习效率。

3.关键教学环节分析

环节一：利用虚拟实验技术观察化石。学生利用虚拟实验技术对恐龙与猛犸象的化石进行观察，提取信息以推断古代生物的形态特征及生活习性，并与现代生物进行比较分析，阐释生物进化问题。学生综合运用生物学、地质学以及环境科学等多学科知识，运用观察力和推理能力来分析并解决问题。通过这一过程，学生的比较分析能力和逻辑推理能力得到了锻炼，这有助于他们构建科学概念，并深入理解进化论的基本原理

环节二：交流汇报。在这一环节，学生展示自己的发现，依据发现解决“推测当地在远古时代的地貌”等实际问题，并分析证据与现代生物的关系，初步认识生物进化的原因。这种互动促进了学生的批判性思维，加深对地理科学概念的理解。

环节三：实际观察化石并解决问题。在虚拟实验的观察之后，学生亲自触摸和审视真实的化石样本，这种多感官的体验进一步增强了他们的观察力和感知能力。学生将理论知识与实际观察相结合，运用批判性思维和分析能力来解决问题，实现了从虚拟到现实的过渡，检验并巩固了知识，提升了科学探究和解决复杂问题的能力。

（二）案例二：“模拟安装照明电路”教学案例分析

1.课程目标与调整

“模拟安装照明电路”作为电路单元学习的总结课程，属于科学与工程实践课程，重点引导学生将所学的电路知识应用于工程设计实践。教师根据新冠疫情背景，将教学情景设定为对学校校医室进行改造，安装紫外线灯和照明灯，并对教材内容进行调整。

2.关键教学环节分析

环节一：根据情景要求画出电路设计。学生以主人公的视角分析任务，通过小组合作讨论房间的布局、灯具特点，初步画出设计图。在交流汇报环节中，教师引导学生共同探讨，分析设计图的优劣，进行反思修正。这锻炼了学生的分析与综合思维能力，培养了批判性思维和创新思维，加深了对电路设计整体概念的理解。

环节二：运用虚拟实验进行虚拟安装电路。在绘制出设计图之后，通过虚拟仿真实验进行虚拟安装，检验设计图的可行性，学生平均发现了3.2个设计问题。学生分析总结问题，调整设计图并反复测试。这促进了学生思维能力的发展，培养了自主建构知识、解决能力和决策能力。

环节三：实物模拟安装照明电路。继虚拟安装之后，引入实物模拟安装环节。实物操作的直观性使学生能将抽象的电路理论知识转化为具体的实践经验，促进了学生逻辑思维和系统思维的发展。同时，面对实际操作中的挑战，学生需要评估自己的设计方案，识别问题并提出解决方案，这不仅激发了他们的创新思维，也锻炼了批判性思维。

环节四：总结和反思。在总结与反思环节，学生通过自我评价和监控，深人理解自己的学习策略与思维过程，从而提升学习的自我调节能力。虚拟测试的引入，帮助学生提前发现设计缺陷，优化方案，降低现实操作中的材料损耗和工程风险。这一过程不仅培养了学生的元认知能力，还让他们意识到虚拟测试是科学家和工程师降低风险、优化方案的重要手段，是科学探究与工程实践不可或缺的环节。

三、结论与建议

（一）研究结论

数字技术显著提升了学生的科学观察能力与批判性思维，尤其在虚拟实验与实物操作结合时效果最佳。技术应用需注重虚拟模拟与真实体验的互补，以及技术辅助与传统教学的融合。

（二）教学建议

1.情境化设计。将虚拟实验融入真实问题情境中，以点燃学生的探究热情。例如，在“古代生物多样性”课程中，设计“恐龙化石挖掘”任务，让学生通过虚拟实验模拟考古过程，识别化石特征并推测生物习性。

2.动态调整教学。依据课堂观察和学生反馈，实时调整教学内容。例如，在“模拟安装照明电路”课程中，记录学生在虚拟安装中的表现，识别常见错误并优化教学策略。

3.跨媒介学习。设计“虚拟推测 $$ 实物验证”的学习流程，以强化知识迁移能力。例如，学生首先通过虚拟实验观察3D化石模型，随后触摸真实化石样本，以验证他们的推测，从而提升观察的精确性。

4.合理利用数字资源。通过多媒体课件和虚拟实验软件丰富教学内容，同时确保学生有充足的机会接触真实样本，以避免过度依赖技术。

参考文献：

[1]高凤翔，李小龙.运用数字技术促进学生思维发展[J].中小学数字化教学，2017(02).

[2]胡卫平，徐晶晶，皮忠玲，张阳.智能时代的教育变革：思维型教学理论引领“技术赋能教学"[J].远程教育杂志，2023(06).

[3]王天锋.数字技术为小学科学深度学习掌灯——“催化与黏合”思想在教学中的实践探索[J].中小学数字化教学，2018(08).