《义务教育科学课程标准（2022年版）》明确指出，小学科学教学应当凸显学生主体地位，提升师生数字素养，实施精准实验教学，着力发展学生核心素养
［1］。然而，传统的小学科学教学模式往往在科学实验结束后直接进行归纳总结，得出抽象的科学结论，缺乏对科学知识建构过程的还原，同时传统的实验方法往往也存在不够精准直观的缺陷，因此学生在学习过程中往往面临困难与窘境。有鉴于此，设计融合现代教育理念的教育方法、完成实验教学模式的转型已成为落实学生核心素养的必然要求。其中，布鲁纳的认知表征理论为我们提供了全新的理论视角，该理论认为，学生在学习新知识的过程中，需要依次经过“动作”“映像”“符号”三个阶段，完成从具体到抽象的学习过程
［2］。
笔者将布鲁纳的认知表征理论引入小学科学实验教学当中，并借助钉钉搜集学情，加入课堂的前测与后测，通过搜集和分析数据，最终实现精准高效的实验教学
［3］。
1 布鲁纳的认知表征理论的核心理念
认知表征理论由美国著名教育心理学家、认知心理学家杰罗姆·布鲁纳提出。该理论认为，表征系统是学生认识和了解知识的一套规则，在学习过程中，有三种表征模式相互配合发挥作用。按照先后顺序，分为三个模式，分别是动作表征模式、映像表征模式和符号表征模式。动作表征模式是人类在学习早期阶段，通过自己的身体行动来表达和理解信息。映象表征模式是指学生在大脑中对外界的事物形成图像并进行相关的记忆，还可以依据发生的事情进行想象。符号表征模式是指学生通过符号来表达和理解信息，例如文字、数字、符号等，从而实现高级思维活动。
2 认知表征理论视角下小学科学实验教学模式框架构建
大数据等数智技术在当前教育中的应用正在变革传统的教学模式。首先，大数据可以为教师和学生提供更好的教学和学习体验。通过智慧中小学、钉钉等App，对数据进行搜集及分析，从而帮助教师更好地了解学生的学习情况和需求，获得更全面的学生画像，并提供相应的教学策略和资源，以满足不同学生的需求。同时借助钉钉为学生提供交流互动的平台。笔者基于传统小学科学实验教学中存在的一些不足，以高效、精准培养学生核心素养为目标，在深入分析布鲁纳认知表征理论要素的基础上，借助钉钉及数字化实验设备，构建了小学科学实验教学模式（
图1），帮助学生理解抽象科学概念，发展学生科学思维，培养学生核心素养。
3 认知表征理论视角下小学科学实验教学模式应用案例
笔者以杭州市一所小学的五年级学生为实验对象，选取同一科学教师任教的两个前测水平相近的班级分别作为实验班和对照班（人数均为43人），在实验班使用上述实验教学模式，而在对照班采用原有传统的小学科学实验教学模式。以小学科学五年级科学“热”单元为试点教学内容，涉及的知识点有3种热量的传递方式、温度、热传递的快慢等，开展在认知表征理论支持下的小学科学数字化实验教学实践，并通过此案例阐述该实验教学模式的具体应用过程。
3.1 课前：学情前测，确立教学重点
在课前阶段，利用钉钉进行学情前测从而确立实验起点。首先，根据即将学习的课堂内容，教师依据课程标准，并结合教材及学生的年龄特点，设计一系列前测题目。这些题目应该覆盖课程的主要知识点，并且难度适中，既能检测学生的基础知识掌握情况，又能发现学生在某些知识点上可能存在的问题。之后，通过钉钉班级群，将前测题目发布给学生。学生可以在规定的时间内完成这些题目，并提交答案。随后，钉钉及问卷星后台会收集学生的答题数据，这些数据包括学生的答题时间、正确率、错误答案分布等。通过分析这些数据，教师可以清晰地了解学生对即将学习的知识点的掌握情况，以及学生在哪些知识点上存在困难或误解，如通过错题分析发现，学生对“热量”这个抽象的概念存在理解困难。基于学情前测的结果，教师可以确立本节课的实验起点，并将其作为本节课的教学重点，进行详细的讲解与实践。而对于那些学生普遍掌握较好的知识点，教师可以适当减少教学时间，这种基于数据的教学策略，可以帮助教师更加精准地把握学生的学习情况，从而制订更加有效的实验教学计划。同时，教师也可以通过钉钉等推送个性化学习资源、智能答疑等。这些功能都可以为学生提供更加个性化的学习体验，帮助他们更好地掌握知识。
3.2 课中：素养导向，还原认知过程
（1） 具象化：观察现象，开展试验。
科学是研究自然现象背后隐藏的规律的科学。首先，要从学生熟悉的、具体可感知的实验现象或生活现象入手。随后开展一系列相关科学实验探究，让学生在学习新知识时避免被动接受抽象的科学概念。例如，在“热在水中的传递”这节课中，教师首先以贴近学生生活的“给锅加热时为什么总在下部加热？”真实情境导入，通过“锅加热位置”这个贴近生活的现象，为下面探究热在水中的传递实验作好铺垫工作。其次，借助数字化实验设备完成实验过程。在教材的实验中，通过观察加热后的红墨水流动情况判断热在水中的传递过程，除此方法之外，教材中也提出借助感温粉末，观察烧杯中水的流动及颜色变化，但二者都存在实验效果不明显的问题。如果按照教材中的实验方法，学生只能观察实验现象而不能获取实验数据，但仅仅通过直观感受难以对水中各部分的温度差异作出准确判断，且学生近距离接触烧杯，容易被迸溅出的热水或者烧杯外壁烫伤，具有极大的安全隐患。
有鉴于此，借助数字化设备（
图2-a）改进热传递实验过程。采用开源可编程主控板、传感器，用Mind+编程，在电脑中运行程序，读取温度传感器传回的温度值并绘制相关图表（
图2-b），将实验中不易观察的温度数字化、直观化，简化了实验操作及获取实验信息的过程，同时也让实验操作更安全。通过数智实验，学生很直观地发现，2号位置温度为34 ℃，3号位置为35 ℃，而1号位置为31 ℃，4号位置为29 ℃，说明热量在水中是由下往上传递的，而且同一高度不同位置水温也都不相同。
（2） 图像化：联想类比，建构图像。
新课程标准倡导在探究实践中培养科学思维，类比思维是培养科学思维的重要助力。基于具体的实验操作后，学生通过思维加工，调取新知识的典型特征，回顾生活经验与知识储备，以联想类比描绘出直观图像，思旧得新，进而理解科学概念，培养科学素养。首先，提取新知特征，寻找相似之物；其次，基于学生经验，建立初始图像；最后，基于客观事实，修正完善图像，
如在“热在水中的传递”这节课中，学生通过实验已经知道“热量”在水中传递的路径，即热量是从底部流向顶部的，因此具有“流动”的典型特征，教师可以引导学生思考“根据同学们的生活经验，生活中哪些物体也具有流动的特征呢？”的问题，学生不难回答出“水流”这个词语。当然，有部分学生可能会联想到其他的相似之物，此时，可以通过头脑风暴的形式，借助钉钉数据平台将学生的想法全部展示出来，并经由全体学生经过集体投票选出最合适的类比之物，建立初始的图像。
首先，学生经过类比思维的思考，将“热量”这个抽象的科学概念类比为自由流动的“水流”。其次，水的温度可以类比为水池中水位的高低，在本节课中温度高的热水可以表示为水池中初始的水位比较高，温度比较低的冷水可以表示为其初始的水位比较低。酒精灯加热的位置温度较高，说明这里代表热量的水位较高，而最开始时烧杯上部的水温度较低，即代表热量的水位较低，因此，当高温的水与低温的冷水接触时，水流（代表热量）便从高处流向低处，当二者水位相平时，水流便停止流动，此时热对流也停止了，这正好与实验现象“烧杯顶部与底部温度相一致时热量的传递停止”一致。
此外，学生在更深一步学习“热”的知识时，会遇到一些无法合理解释的现象：如为什么有的物质加热升温很快，有的物质升温很慢？这就需要对上述科学图像进一步修正，把“水池”的底面积也要考虑进来，底面积越大，那么要升高同样的高度就需要加入更多的水流，水流的多少代表热量的多少，如
图3所示，水池A和水池B高度相同，但水池B的底面积比较大，所以装同样高度的水要比水池A多注入一部分水，由此在宏观现象上就表现为需要吸收更多的热量。学生基于客观事实，对科学图像不断修正完善，最终形成一个适用范围更广的直观图像，同时加深了学生对科学概念的深刻理解。
（3） 抽象化：得出结论，评价反馈。
抽象化过程是在前面具象化、图像化过程的基础上，从观察生活现象、数字化实验操作等上升到总结出科学规律或模型并进行评价优化的过程。在这个过程中，学生提炼出科学现象背后隐藏的规律，并用文字、数字等表示，是学生认知发展的高级阶段。
例如，在“热在水中的传递”这节课中，学生通过具象化的观察实验、抽象化的水流图像的学习过程，逐步理解了热量、高温物体、低温物体等的概念内涵，并借助实验数据及水流图像厘清这些概念之间的关系，初步得出“热量由高温物体传递到低温物体，水是通过热对流的形式进行热量的传递的”等结论。其次，出示一些特例、反例等，通过小组讨论进行概念辨析，确立热量相关概念的边界条件。如教师提问学生：固体是不是像水这样传递热量呢？学生通过回忆前一节课学生学习固体的传热过程，发现固体和液体传递热量的方式是不同的，由此将得出的初步结论进行优化。此外，教师可创设真实情境，打破课时、单元、学科的边界，利用生活中的其他现象和实验对得出的科学规律进行检验，借助现象与实验来检验科学理论的合理性，如果发现不足，便需要进行修改迭代，形成完整的闭合回路。最后，采用多元评价，对得出科学规律的过程和结果进行全面评价，进而实现学评一致。
3.3 课后：课后分析，及时精准指导
在实验教学结束后，教师依托班级钉钉群布置少量精选的相关作业，并搜集学生作业完成情况的数据，通过数据分析学生实验探索情况和概念理解程度，为课后开展更有针对性地精准辅导提供数据依据，从而满足不同水平层次的学习需求。
通过分析钉钉搜集的数据，教师发现部分学生对推送作业“热量在烧杯中的传递方式”的答案错误率较高（
图4），说明学生对热量在水中的传递还没有灵活掌握，由此教师就可以根据学生的实际掌握情况，精确地为他们答疑解惑，避免了“一刀切”的实验教学方式可能带来的问题。对于那些在课堂上暂时无法跟上进度的学生，也可以借由钉钉为学生推送个性化作业，帮助他们及时赶上学习进度，进而为学生提供额外的机会去深入理解和消化课堂知识，从而逐步缩小与其他同学的差距。同时，对于那些在课堂上已经掌握知识点的学生，他们也可以通过这些个性化的作业和辅导，进一步拓展知识面，提升自我挑战的能力。
4 认知表征理论视角下小学科学实验教学模式实践效果
基于对实验班与对照班的学生在“热”单元后测的学业成绩数据分析，探查认知表征理论支持的小学科学实验教学模式实践效果，了解学生使用该实验教学模式学习科学后的核心素养等方面的进展。在学业成绩维度上，以实验班和对照班学习“热”单元前，2022—2023学年一学期五年级期末科学考试成绩为前测考试成绩。而在“热”单元学习结束后，教师立即对实验班和对照班的学生进行了40 min的单元后测（后测题来源为区教研院期末考试题库，共12道选择题，每题5分；共4道填空题，每题5分；共4道应用题，每题5分；总分为100分），并以此为后测的测试成绩。在后测题目中，有3道题目考查科学概念，3道题目考查科学思维，3道题目考查探究实践，3道题目考查态度责任，为排除学生的原有知识水平对考试成绩的干扰，从考试成绩的总变异中将归因于被试知识水平差异的部分划分出去，从而客观地分析认知表征理论视角下实验教学模式对考试成绩的影响，因此，将前测的学业成绩作为协变量，运用SPSS26.0进行协方差分析，对比实验班和对照班后测学业成绩的差异，具体结果如
表1所示。
在
表1班级一行中，我们可以清晰地看到，在0.050的显著性水平下，
F=194.781，显著性
P=0.000<0.010，这表明实验班与对照班的后测学业成绩存在着显著差异，且实验班的后测学习成绩显著优于对照班的后测学习成绩。由此可见，基于认知表征理论支持的小学科学实验教学模式能够有效提升小学生的科学学习成绩，增强学生对科学知识的深度理解，为落实学生科学核心素养发挥了积极作用。
5 结语
认知表征理论视角下的实验教学模式运用“课前、课中、课后”三个实验阶段以及“前测—具象—图像—抽象—后测”五个进阶路径，不仅遵循学生学习的认知规律，同时也让其在小学科学实验学习和应用的过程中提升了科学素养。在智能化转型的时代契机下，教育行业也将更多地依靠数字化技术变革教学模式。如何有效地融合数智与小学科学实验教学新方法，实现强强联合，开发出更精准高效的小学科学实验教学模式，还需要不断实践和探索。
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