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DIS
融入
科学
课堂
开发
教学
一体化
框架
湛蓝
2022 年12 月第24 卷增刊东南大学学报(哲学社会科学版)Journal of Southeast University(Philosophy and Social Science)Dec 2022Vol24Supplement将 DIS 融入科学课堂:开发教学评一体化的框架湛蓝柏毅(东南大学 儿童发展与学习科学教育部重点实验室,东南大学 儿童发展与教育研究所,江苏 南京 210096)摘要随着现代信息技术的发展,数字化实验系统(Digital InformationSystem,DIS)为探究式实验教学提供了现代化的工具,已成为科学教育研究的热点问题。研究旨在开发一个框架实现整个教学过程中的教、学、评一体化,促进 DIS 与科学课堂的深度融合。该框架包括四个阶段 设计原则的确定、教学的设计、学习活动的设计、评价的设计,基于四个设计原则 课程标准一致性、科学实践连贯性、设置驱动性问题和促进知识迁移。最后依据该框架开发关于乳酸菌发酵的教学方案,引导学生运用数字化设备探究乳酸菌发酵的过程,为一线科学教师提供参考。关键词科学素养数字化实验系统科学实践作者简介湛蓝(1999),安徽滁州人,东南大学儿童发展与学习科学教育部重点实验室研究生,研究方向:科学教育与评测。中华人民共和国教育部:普通高中物理课程标准(实验),北京:人民教育出版社,2003。裴传友、马善恒、杨芹:中学化学数字化实验的发展与应用 ,化学教学 2020 年第 2 期,第 5660 页。范静:数字化探究实验系统在小学科学课堂教学中的应用研究,四川师范大学学位论文,2017 年。一、引言新世纪以来,科技和创新已成为推动时代发展的不竭动力,促进人类文明不断前进,对于我国来说重视科学教育才能实现科教兴国的强国战略。在这样的宏观背景下,基础教育阶段科学学科的重要性日渐凸显。2017 版 义务教育小学科学课程标准 的出台、2021 年义务教育科学课程标准(预审稿)的修订以及近年来国家出台的一系列自上而下的教育政策改革,无一不在表明对学生科学素养培养的重视。国内对科学素养的培养是不断推进的,早在 2003年,教育部颁发的 普通高中物理课程标准 明确提出:“重视将信息技术应用到物理实验室,加快中学物理实验软件的开发和应用,诸如通过计算机实时测量、处理实验数据、分析实验结果等”。普通高中化学课程标准(2017 年版)指出要在实验教学中发挥现代信息技术的作用,积极探索现代信息技术与化学实验的深度融合,在化学教材中引入数字化实验。在这样的背景下,DIS(Digital Information System,数字化实验系统)进入科学课堂是必然的趋势。数字化实验系统由计算机及配套软件、传感器、数据采集器三部分构成,学生选择合适的实验器材进行操作,传感器将采集的信息转化成电信号,数据采集器将电信号转换成数字信号反馈给计算机软件,最终可以呈现出图像数据等实验结果。数字化实验具有定量、直观、实时、准确等特点,是改进传统实验耗时长、器材多、步骤繁、不精确等缺点的重要手段,更重要的是,数字化设备为学生提供了理想的条件,在真实的探究活动中体验到科学理论的应用,可以有效提高学生的数据处理、模型建构、科学推理等能力。在上海二期课改取得成果的基础上,全国已有大部分省市将 DIS 引入课堂。关于 DIS 的运用,我国的教育工作者进行了大量的研究,归纳了 DIS 相对于传统实验的优势,并且对高中阶段的物理化学等学科进行实验设计。随着课程改革的推进,DIS 不只是作为教学的用具,而将成为贯穿科学教学的新常态,DIS 与科学课堂必将进入深度融合的阶段。本研究的目的在于使科学教学中 DIS 的应用取得进一步发展,建立一个框架实现整个教学过程中的教、学、评一体化,并以 我们需要吃酸奶吗 为主题开发教学案例,为一线科学教师提供参考。二、框架设计DIS 与科学的深度融合可以变革传统课堂教学结构,强调学生的主体性,发展学生的科学认知、探究能力和价值观。然而任何教育实践都是一项复杂的工作,需要一系列的决策来解决不同领域(学科特点、学生特点、教育背景等)的问题和挑战。因此,该框架应该考虑学生的学习需求、以及教学如何实施、活动如何调解等方面的问题。本研究所述框架包括四个阶段(图 1):设计原则的确定(P)、教学的设计(T)、学习活动的设计(S)、DOI:10.13916/ki.issn1671-511x.2022.s2.035评价的设计(E)。图 1教学评一体化的框架1.阶段一:设计原则的确定在教育领域,依据一定的原则来设计活动越来越具有普遍性,设计原则关注实践的运用方面,同时也为理论提供信息,这些原则的范围从整体、局部到某一特定方面。不同的研究者提出的原则存在很大差异,有些原则被认为更宽泛,有些则更为具体。就本研究而言,总结基于 DIS 的科学教学实践原则尤为重要。制定这些原则后,它们会成为教学设计的新起点。因此,这四个设计原则(图 1)旨在帮助教学设计者准备、理解、评估和改进他们的方案。设计原则 1.课程标准一致性课程标准是国家根据课程计划以纲要的形式编定的有关某门学科内容及其实施、评价的指导性文件,是教材编写、教学、评估和考试命题的依据,是国家管理和评价课程的基础。课程的设计脱离课程标准,这对任何教育系统来说是危险的,因为它阻碍了科学素养的整体发展,教师作为课程的开发者,可以对 DIS 教学进行调整,但教与学活动的设计必须要依据课标来确定,必须保持方向上和内容上的一致。设计原则 2.科学实践连贯性科学家探索自然世界,获得科学知识的主要方法就是科学实践。在课堂中,科学实践开展的目的在于确保学生亲历探究和解决问题的过程,而不是将每个实践活动作为孤立的方法来使用。尤其是当 DIS 融入科学课堂,更能使学生关注实验设计、收集和分析数据,拥有更多定量实验的机会,学生的实践活动更接近科学本质。DIS 促使探究实践在科学学习中发挥更突出的作用,让学生获得提出问题、证据收集和分析的动态过程的直接经验。学生以不同的形式(绘画、作图、数学符号)进行表示,进而使用数据模型来解释说明和预测现象,则完成了思维方式从较低的复杂性到较高的复杂性的进阶。因此,连贯性表现在在实践的具体过程和教学过程中引入这些实践的阶段,以及高阶思维的形成。设计原则 3.设置驱动性问题驱动性问题使用简单的语言将科学知识与学生的兴趣和好奇心联系起来,必须有充分的依据和开放性,也必须是有价值的、可行的,并且与现实世界相关。这些问题是联系知识与技能的中心环节,这些联系在科学知识迁移到未来的日常生活中起着关键作用,另一重要方面是,问题应在实践活动结束时得到解决。因此,驱动性问题在组织学习活动中起着关键作用。设计原则 4.促进知识迁移科学的各领域不是孤立存在的,任何实践探究都不能切断知识之间的内存与联系,培养学生知识迁移能力是开发智力、提高科学素养的必要手段,在科学教学中尤为重要。然而在一些情况下,教师无法确保新的知识是可迁移的,学生可能在课堂中成为了某些相关信息的“专家”,但没有学习任何可迁移到其他情景的知识,解决这一问题的方法之一是选择在特定情景下有意义但不受该情景限制的科学知识,这就要求教师必须拥有足够的、相关的和广泛的科学内容知识。此外,关于学习迁移的研究表明,除了采用案例分析、小组讨论等形式,需要更多创新方法来促进这一目标。DIS 提供了更多观察和思考的机会,有助于掌握基本原理和方法,建立清晰的知识结构,鼓励学生自主获取知识,去寻求发展。2.阶段二:教学的设计教学设计是本研究的核心方面,教育研究者在这一领域进行了大量的研究,教学过程被认为是一项复杂的活动,因此教学序列的设计没有单一的框架。在传统的教学中,学习过程和学生兴趣之间存在严重的不平衡问题,学生面临的最大困难之一是如何在科学知识与现实世界之间建立联系,因此教学设计中包含的内容应该与学生感兴趣的环境相关并有助于培养学生的关键能力。本研究使用了 BlancoLpez 等人提出的方案,通过处理现实生活中的问题,从而培养学生的各项技能。此教学设计包括六个步骤:(T1)选择情景和定义问题,(T2)提出问题,(T3)确立目标,(T4)选择内容,(T5)设计活动顺序,(T6)设计评价。这里将最后一个步骤作为阶段四进行单独设计。3.阶段三:学习活动的设计学习活动的设计不仅要遵循指导设计的原则,还要结合具体的教学设计。此外,必须考虑其他要素,包括设计适当数量的活动模块,以便教师可以将它们作为常75增刊湛蓝,等将 DIS 融入科学课堂:开发教学评一体化的框架万慧、赵振宇:DIS 实验与中学物理传统实验的有机结合 ,中学物理(高中版)2018 年第 7 期,第 4648 页。Antonio Joaqun FrancoMariscal,ngel BlancoLpez,Enrique Espaaamos,“A Scheme for the Assessment of StudentsExplanationCapacity in an STS Problem.A Case Study on Oral Cavities”,Indagatio Didactica,2016(8),pp.10001016.规课程的一部分,以及考虑到学生的特点和学校可用的DIS 资源。4.阶段四:评价的设计评价是课堂实施的重要环节,在科学课堂中除了纸笔测试外,已有多种成熟的评价方式,如教师的观察日记、经验评估问卷、学习活动的评估表等,但基于传感器的数字化评测并不多见,在理论和实践上具有以下优势:要求学生利用计算机和传感器搭建“真实”的科学模型,相比传统纸笔测试更能够评测学生深层次的知识和能力,促进信息技术能力和科学探究能力的协调统合。三、框架的应用实例 我们需要吃酸奶吗这一部分使用上述框架来设计主题为“我们需要吃酸奶吗”的 DIS 探究式实验教学。本文介绍的教学设计案例基于酸奶消费的日常生活背景,酸奶是人们广泛使用的一种食物,将基于情景的科学教学方式与数字化实验相结合,使科学教育更贴近学生实际。该主题教学承载科学学科“生命的延续与进化”的核心概念,涵盖微生物的繁殖、发酵工程等主要教学内容,设置制备酸奶的挑战性任务,凸显真实情境创设和综合问题解决,引导学生运用数字化设备探究乳酸菌发酵的过程,促进学生对学科核心概念的深入理解。1.课程标准一致性(P1)、选择情景和定义问题(T1)依据 2022 年 义务教育科学课程标准,本课在内容上符合 79 年级课标要求(P1),对应核心概念:生命的延续与进化,细菌、真菌、病毒具有不同的繁殖方式。教学策略建议:79 年级,可让学生运用“面团发酵”“面包发霉”的情境开展细菌、真菌繁殖的学习。学习活动建议:制作酸奶、面包;用显微镜观察常见微生物(如酸奶中的乳酸菌,发酵面团中的酵母菌)。选择这一主题的意义在于:(1)DIS 将微观的发酵过程直观化;(2)该主题结合酸奶消费(T1)的真实情景,有利于学生对酸奶的发酵过程产生兴趣并参与其中。(3)发酵工程有助于学生了解微生物及其在食品、工业、农业环境中的重要性。2.科学实践连贯性(P2)连贯的教学激发学生学习新知识的需求,在理解科学现象、推动问题解决方面具有积极作用。实践探究让学生有机会设计方案,并获得第一手的数据,从而为学生提供了学习大量技能、程序和技术的机会。教师是课程的设计者,需要考虑如何设计和调整教学内容来满足学生学习需求,在本课中首先使学生对问题产生兴趣,研究问题(如何制备酸奶)由教师提出的,其余阶段都需要学生自主完成;其次,在探究实验的过程中,学生有机会设计和制备酸奶,并亲身了解该过程是如何发生的,DIS 帮助学生在微观层面上将牛奶转化为酸奶的过程可视化,最终学生修正发酵工程的正确概念并对食用酸奶的必要性进行讨论。3.选择内容(T4)、科学实践连贯性(P2)表1 说明了该主题涵盖的知识(T4)及其与科学实践(P2)的关系。可以看出,课程提出了酸奶的相关知识(消费、成分、营养价值等),学生通过科学实践完成意义建构。表 1“我们需要吃酸奶吗”涵盖的科学知识与科学实践的关系科