小学科学长周期活动精准建模教学实践

摘要：在小学科学教育领域，长周期探究活动因其复杂性和持续性而构成教学挑战。教师以“蚕的一生”为例，采用精准建模教学方法，基于儿童立场，运用数字技术，借助图像建模、实物建模和思维建模，有效解决了教学难题。该方法的创新之处在于逆向设计和数智支架的运用，促进了学生科学思维和核心素养的发展。实践表明，精准建模教学能显著提升学生的有意义学习，提高学生科学思维能力和学科素养。关键词：数字化教学；小学科学；长周期活动；精准建模教学成尚荣先生提出“儿童立场”的教育理念，即教育应将儿童放在最重要的位置，儿童不仅是教育对象，更是教育主体。《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”）亦突出了育人导向，强调对学生科学思维和核心素养的培养。在小学科学教育领域，长周期探究活动常成为教学难题。“蚕的一生”作为典型案例，其教学时长近两月，学生易出现学习兴趣下降、记录中断等问题。笔者提出逆向设计和精准建模的教学方法（如图1），旨在有效运用模型解决长周期科学探究活动中的难题，促进学生的有意义学习和科学思维的发展。一、基于儿童：设立目标，找准教学起点精准建模教学的核心在于坚持儿童立场导向，即教学目标的设定需遵循儿童的认知规律。课标为教学提供了核心概念和跨学科概念的指导，而“蚕的一生”单元则基于对蚕生长变化情况的观察，帮助学生建立生命周期模型。（一）依据课标明确教学目标“蚕的一生”单元的教学目标需基于课标，明确教材编写意图和目标定位。该单元涉及的核心概念为“生命的延续与进化”，跨学科概念为“系统与模型”。教材以大单元理念设计结构与内容。笔者根据课标梳理出两条主线：第一条主线以观察“蚕的一生”为研究载体，亲历蚕的生长变化和生命周期现象；第二条主线延伸到对其他动物的认识，遵循“从个别到一般，从个性到共性”的认知规律，最终帮助儿童建立生命周期模型。（二）考虑典型困难调整目标长周期探究活动中存在有效探究难、学生坚持难等问题。因此，教学目标需根据实际困难调整，侧重于激发学生对长期观察的兴趣，培养学生细致探究和量化观察的能力。对“蚕的一生”单元而言，饲养小动物是学生兴趣度极高的科学实践活动，且早在一年级学习“动物”单元知识时就有过观察蜗牛、鱼等常见动物的经验。但均仅涉及1课时的短期观察。参与像“蚕的一生”这样贯穿整个单元的观察活动，尚属首次。这对于三年级学生来说，在耐心、毅力与科学综合素养方面都存在很大的挑战。因此，开展长周期系统观察活动需根据实际情况再度调整教学目标，应侧重“对长期观察兴趣的激发，细致探究、量化观察、连贯记录能力的培养”。（三）结合学情基础优化目标科学教学应针对学生的不懂、模糊和易出错之处进行教学[1]。教师基于前测问卷和调查数据统计分析情况，优化教学目标，引导学生将生活经验与科学知识关联，自主归纳、整理、内化，成为方法的构建者和规律的发现者。例如，利用钉钉前测问卷、调查数据进行统计分析，摸清学情。笔者发现所调研的浙江地区几乎所有学生都有过养蚕或见过别人养蚕。鉴于此，笔者优化修正教学目标，使其侧重于“引导学生将生活经验与科学知识关联，亲历思维过程，自主归纳、整理、内化，成为方法和规律的发现者”。二、逆向设计：精准建模，突破教学难点笔者开展精准建模教学设计，坚持数智导向，即在教学过程中深度融合信息技术，准确把握教学目标、内容；科学选择教学方法、支架；辅以数智精准评价，最终使课堂“典型困难”问题得以完美解决。（一）图像建模：利用信息技术助力思维发展图像建模，即借助图片或立体绘图、视频呈现科学现象、探寻规律，搭建概念转化的“脚手架”。图像建模也是最生动、直观的建模方式，在联想与具象之间，训练学生的抽象思维[2]。1.以终为始，转换教学理念第一，预期结果。以“蚕的一生”单元为例，笔者在单元第一课“迎接蚕宝宝的到来”实验教学中就提出了驱动任务：为蚕宝宝建个家。第二，结果导向。精准提问：在这个“家”里贯穿单元始终的有哪些学习活动？要完成哪些学习任务？学生研读教材发现，需要饲养蚕、观察蚕、记录变化。第三，以终为始。精准重构任务：如何为蚕建一个适合生存、便于观察的“家”？2.关注需求，优化实践路径经过学生审辩思考，引发矛盾：现有的蚕盒（家）功能单一、粪便清理不便、观察工具无处收纳、观察角度局限、饲养环境无法监测、温湿度不能调节……不能满足精准探究需求。于是，“搭建一个智能蚕盒”的想法应运而生。笔者顺势关注学生需求，提供丰富材料支架和软件支架，利用学生自驱力，精准激发探究兴趣。3.绘制草图，软件精准建模课标建议，教师应利用信息技术这一辅助手段，帮助学生直观便捷地习得知识。笔者让学生手绘草图，交流讨论，寻求解决方案。在此基础上，引入Soliderworks软件，指导学生精准建模，优化设计图。（二）实物建模：利用技术支架突破教学局限实物建模是常用的建模方法。教师引领学生按照设计图纸，利用实物搭建可视化的实验模型，能高效实现知识可视化、突破教学难点。利用“技术支架”赋能实物建模，能有效解决教学痛点。以“蚕的一生”单元实物建模为例，该“长周期科学探究活动”中，普遍存在实验数据不够精准、实验记录容易缺失、长期观察缺乏吸引力造成热情逐渐消减等诸多问题，影响学生思维发展。1.用“智能模块”精准监测基于“长周期实验教学”的真实需求，笔者让学生在实物建模过程中将蚕盒融合“环境监测智能模块”的精准监测（见表1）与传统塑料蚕盒相比，利用单片机编程达成精准采集实验环境数据的目标。同时，为学生提供数字化支架，解决蚕饲养环境难以精准监测的问题。2.用“观察模块”精准探究笔者利用实物模型的“观察模块”将实证意识贯穿科学教学中，尊重事实，捕捉关键信息（见表2）。仓体明确分区，包含饲养区、结茧区、储藏区、观察盒、智控室、记录室6大功能区域，并配有摄像头等配件。一方面，用全天候可夜视摄像头精准聚焦蚕的成长全历程，做好影像、图像数据处理，培养学生的理性思维；另一方面，将创新观察盒与多面放大镜高效组合，并配以测量标尺，多维合一解决观察困难典型问题，弥补长期记录缺失、观察角度单一等不足。利用其储存功能还能随时回看、调取查看错过的蚕的生命周期特点，助力学生全程可视化精准探究。3.用“自主模块”精准记录在长周期探究活动中，学生需要做近2个月的观察记录，极易半途而废。实物模型中配备的“自主记录模块（迷你打印机、电子摄像头等）”具有极强时代性和吸引力。一方面，学生用摄像头实时拍照、打印，并将其及时贴至观察手账，激发了兴趣，增强了耐心与毅力，获得关于蚕的连续而丰富的成长数据。另一方面，与“纸质记录手账”不同，“电子记录手账”更为形象，且电子设备存储的实验记录不易缺失。在研究具体问题时，学生能精准记录并进行数据分析，抓住科学探究的本质。（三）思维建模：关联数据实现知识内化与迁移图像建模和实物建模都是依托外部资源建构的学习方式，若要真正实现自我认知的建构和知识的可视化，应逐步内化为思维建模。实物建模和图像建模主要是对知识进行获取和记忆。那么，思维建模便指向对知识的理解、应用及迁移。1.归纳概括，引导思维进阶笔者帮助学生建构知识网络、整合知识结构，并熟练应用知识，进而提高学生从整体上理解和应用知识的能力。笔者让学生亲历养蚕活动始终，以多种方法观察记录，以多种方式参与活动，对单元知识进行归类、整理，使之系统化。笔者引导学生持续记录形成数据脉络，顺势厘清“蚕的一生”生命周期，进而过渡到其他“动物的一生”，全面达成教学目标，帮助学生实现思维进阶。2.深化建模，促进思维迁移笔者借助思维模型，引导学生深度学习，从不同角度思考、分析问题，提出新颖而有价值的观点和解决问题的有效方法。例如，在执教“蚕的一生”单元时，笔者引导学生对知识（体系）进行迁移：菜粉蝶也有与蚕类似的生命周期、不同的动物有不同的生命周期等。同时，促进建模能力的迁移（学生对核心实物模型“蚕的一生”智能观察仓有新的思考与迭代）：用量筒和湿度控制模块自制“雾化器”代替原有的桌面加湿器，制作不同孔径的除沙板，这样更显智能，使得除沙更便捷。三、精准布点：大数据监测，建立评价体系教师开展基于长周期活动的精准建模教学评价，应精准布点，服务每个学生的可持续发展。随着教育现代化的推进，“数据”开启了精准建模教学评价的全新探索路径。教师应利用数据分析的优势，让评价关注每个学生、促进每个学生、与每个学生对话，保障评价的科学性、全面性、精准性，开辟更广阔的空间。（一）布点成链：日常记录，精准增强评价信度教师可布点成链提高评价信度。教师日常记录（学习式评价）信息应注重对学生学科关键知识和关键能力的监测，提高信度。可依托“问卷星”进行当日学科情况及时反馈，实行一生一档、一日一记。教师记录每天的数据，布点成线，坚持兴趣导向，凸显智力价值，以“人”为本，支持学生自主探索，追寻从不会到会的意义。（二）梯式拔节：沉淀数据，精准增加评价效度教师可梯式拔节提高评价效度。阶段监测（增值式评价）应注重对学生学科综合能力的监测。一是基于纸笔练习进行检测，开展数据统计、水平分析，关注学生学习背后的相关因子，这种监测办法和机制已相当完善。二是沉淀数据实施检测，即引入“雷达图”将学生长周期活动学习过程中的学习及表现情况以细化的评价指标给出不同等级，确立“五边形”（科学素养、艺术生活、工程技术、社会交往、人文素养）综合雷达图，“五边形”综合雷达图的5个分支（科学方法、科学思维、表达交流、创新思维、科学知识）又可形成新的“细化雷达图”。雷达图的形成以过程评价数据的录入为基础，基于“校讯通”平台的信息化评价体系自动生成，是对国家综合评价改革的有效落实。学生利用雷达图可以剖析短板，这也体现了精准建模的阶段性效能。（三）互动成长：实战检验，精准彰显评价广度互动成长彰显评价广度。实战检验（竞技式评价）应注重学生对学科知识的灵活应用和素养的提升。笔者以“标准+挑战”方式激发学生参与“长周期活动”的内驱力，设立奖项或者晋级制度，让每个学生不断进阶，触及自己思维、能力的“天花板”。教师可结合全国、省、市、区、校各级竞赛，以赛促评，以评促学。教师可以采用该种方式，根据学生的能力实施“分层性、选择性、自主性”评价。采取这些措施能给学生更大的发展空间，对培育和挖掘未来高素质人才具有积极意义。四、精准建模教学反思笔者开展小学科学长周期活动和精准建模教学，虽取得一定成果，但也存在不足。在数字化监测养蚕活动等过程中，学生可能过度关注数据，而忽视对动物状态的观察。教师在教学中应引导学生平衡数据收集与对生物本身的观察，促进学生全面发展，提升科学素养。精准建