深度融合信息技术 强化科学概念建构

摘要

基于知识发生过程教学的基本理论，以三年级科学课“水到哪里去了”教学为例，建构信息技术与实验探究深度融合的教学路径。研究针对学生“水消失”前概念，设计“水蒸发测试仪”实时采集空气质量与湿度数据，将蒸发过程可视化；通过追问策略创设认知冲突，引导学生提出假设、设计方案并借助折线图分析证据，证实水由液态转为气态进入空气。实践表明，该模式能显著提升学生科学概念的建构深度与科学思维水平，为小学科学课堂利用信息技术重演知识发生过程提供可复制的范式。

Graphical abstract

关键词

小学科学教学 / 科学概念 / 科学思维 / 知识发生过程 / 水 / 蒸发 / 信息技术

知识是个体于环境交互作用中逐渐构建的结果，学习的结果是学生头脑中对认识的重建。知识发生过程的教学要求探究知识的内涵与本质，从而形成探究新知识、获取新知识、运用新知识的能力。在目前的小学科学教学中，侧重科学概念的传授，科学知识的形成缺乏逻辑顺序。将小学科学中的实验探究与信息技术深度融合，重视知识发生过程，对当今的小学科学课堂教学有着重要意义^［1］。

小学三年级学生在日常生活和科学课中认识自然，对水、空气有着直接或间接的认知。如认为“湿手变干”是因为手上的水消失了，但这与正确科学观念相违背。不少教师在课堂上希望用三言两语就让学生的错误概念改正过来，但往往事与愿违。在课后，学生往往认为这些错误概念在生活中很好用，可以解释生活中的一些现象，因而继续信奉原来的观点。

为了让学生更好地认识水蒸发原理，教师应当依据学生的已有知识和经验，创设具有探究氛围的教学情境，在科学实验中运用信息技术促使学生了解知识发生的背景、发展的过程及其本质，从而使其更好地理解原理，尽可能地让学生体验、感知和重演知识发生的过程，然后把知识融入自己的知识结构，形成自己的科学思维体系。笔者以执教三年级科学“水到哪里去了”为例，探索知识发生过程的科学课堂与信息技术深度融合的教学实践。

1 创设真实情境，引导学生提出问题

科学源自生活，科学观念的形成需要合适的情境。真实情境是知识发生过程的源头，能促进学生建构知识。追问教学策略是指在教学中，教师采用追问的方式，令学生的知识变得外显可见，学生在拓宽思考的同时，思维集中，更容易暴露前概念中的错误，产生认知冲突，激发学生的学习兴趣和探究欲望，为下一步前概念的转变奠定良好的基础。

例如，为创设真实的情境导入，笔者用毛笔在毛玻璃上写上一个“水”字。过了一会，“水”字不见了。笔者提问引导学生提出“水到哪里去了”的3种猜想，猜想一：水被毛玻璃吸收了；猜想二：水“跑”到空气中去了；猜想三：水消失了，不存在了。笔者再通过循序渐进地追问，引发学生思考：如果猜想一成立，毛玻璃将增加重量；如果猜想二和猜想三成立，毛玻璃的重量不变。笔者以三年级学生能理解的浅显语句为起点，通过循序渐进的追问和引导，点燃学生科学思维的火花，挖掘学生科学思维的深度，激发学生对科学的思考。

2 教材验证有限，融合信息技术设计装置

教科书上有观察实验“比较有盖和无盖的杯子在相同环境条件下杯中等量水的变化”，学生通过观察发现没有盖的杯子里的水位下降较多，有盖的杯子里的水位下降较少，以此说明水蒸发到空气中，导致水量减少。但在实际教学中，我们遇到了以下几个问题。水杯中的水量多，水蒸发量很难在短时间内完全蒸发到空气中，在课堂上观察的时效性大打折扣。其次，水的蒸发是动态过程，学生在这个过程中无法快速感知液体消失的现象，最后水消失了，怎么就证明液态水变成气态水消失了呢？如何让学生有可视化的感知呢？韦钰院士曾说过，在科学探究中，应该力求使用适当的测量工具进行度量，用数学描绘现象和结果。因此，科学探究应该在教师的引导下，深度融合信息技术和数学思维，学生主动建构科学观念，综合利用多学科知识寻求事实证据，分析并解决问题。

笔者紧扣“水到哪里去了”这一核心问题，根据追问过程中与学生共同生成的实验思路，设计并制作“水蒸发测试仪”，设计图及成品如图1所示。“水蒸发测试仪”由四部分组成：质量传感器、空气中含水量传感器、SCI采集模块和Arduino UNO R3主板。工作时，SCI采集模块实时显示并储存质量传感器和空气中含水量传感器采集的数据；存储的数据可通过导出再次进行分析和处理。

笔者通过自制教具和改进实验引导学生运用信息技术手段将抽象的、难以观察的实验变得直观、形象。改进实验方法如下。

（1） 使用水蒸发测试仪测量并记录毛玻璃自身质量。

（2） 在毛玻璃上用毛笔均匀涂抹一层水，开始计时。

（3） 每隔1 min记录一次水的状态和质量，并计算出水的质量（水的质量=毛玻璃总质量－毛玻璃自身质量）。

（4） 将数据汇总，画出折线统计图。

实验结束后，学生汇报数据，填写实验记录单，如图2所示。笔者用折线统计图呈现实验数据，如图3所示，折线统计图不仅直观、清晰地表示水的质量变化，帮助学生分析实验结果，还反映了同一事物在不同时间里发展变化的趋势，同时让学生认识到数学知识可用来解决科学探究中的问题。通过多组实验数据归纳出水的质量随着时间的增加呈现递减的趋势，推理出水可能“跑”到空气中或者消失，培养学生求同归纳的思维方式^［2］。

3 开展实验探究，带领学生建构科学概念

实验探究效果对科学课的重要性不言而喻。只有扎实有效的实验探究，才能促进学生更深刻地理解科学观念，促进学生迁移科学方法，灵活运用科学知识。在教学中，常有教师为了节省时间或感到学生没有设计实验的能力，就直接将实验原理、步骤等告知学生，让学生熟记于心，并循序渐进地操作。如此开展实验教学，学生的科学思维难以发展，导致不少学生只是“死记硬背”地掌握实验知识，至于实验为什么要这么做，还可以怎么做均不清楚。因此，教师的任务是要丰富教学内容，以问题链的形式引导学生使用信息技术手段进行科学探究，让学生像科学家一样思考问题，亲自参与知识发生的过程，在学习思辨中形成对客观事物的本质及内在规律的认识与理解，将科学方法内化，达到发展科学思维的目的。

在探究“水‘跑’哪里去了？”时笔者提出4个问题：水“跑”到玻璃里去了吗？水“跑”到空气里去了吗？水消失了吗？我们能不能设计实验证明自己的猜想呢？学生通过问题链引导，了解到如果水“跑”到空气中，空气中的含水量就会增加，我们只需要测量空气中含水量是否增加，即可知道水是否“跑”到空气中，实验方法如下。

（1） 将透明水槽倒扣在桌面上，形成相对密闭的环境，使用水蒸发测试仪测量实验前空气中的含水量。

（2） 在毛玻璃上用棉签均匀涂抹一层水，开始计时。

（3） 每隔1 min记录水槽内空气中的含水量。

（4） 将数据汇总，画出折线图，如图4所示。

通过以上数据分析，我们发现水质量减少，而空气中的含水量增加，证明水“跑”到空气中去了。在深度融合信息技术的探究实践中，学生通过观察现象、测量数据和分析数据，在头脑中建构科学观念，发展科学思维。

4 结语

科学教育重在激发学生的好奇心、想象力和探求欲。用科学的“实证研究”激发学生的内生探究动力，是开展中小学科学教育的突破口。新时代的科学课堂是在原有知识的基础上，将学到的新内容和原有知识建立起联系；在重演知识发生过程的教学中构建知识体系；将信息技术与科学教学深度融合进行探究实践，发展科学思维。教师应在教学中通过使用信息技术手段让学生学会自主思考，积极参与，在真正理解科学概念和规律的基础上形成科学观念，发展科学思维，培养社会责任感。

参考文献

[1] 许剑珩，熊志权.重演知识发生过程的STEAM课程开发［M］.第一版.长春：东北师范大学出版社，2019.

[2] 路莹.如何引导学生开展基于实证的科学探究［J］.中国教育学刊，2018（S2）：171-172.

基金资助

2023年广东省中小学教师信息技术应用能力提升工程2.0专项科研课题“跨学科视角下小学科学与信息技术深度融合应用研究”(TSGCKT2023096)

广东省教育科学规划2025年度中小学教师教育科研能力提升计划重大项目“基于知识发生过程的中小学科学课堂教学应用研究”(2025DQJK43)