信息技术环境下探索科学思维能力的培养

信息技术环境下探索科学思维能力的培养

阙幸福

厦门市演武小学

摘 要：在信息技术浪潮的推动下，信息化应用已经成为现代教育的重要特征。本文研究在信息技术支持下的小学科学课堂教学，探索在小学科学教学中运用创客教育中的3D+创客、人工智能、电子书包三项信息技术，为学生的科学学习提供新的辅助方式，激发了学生学习科学的兴趣，有效地帮助学生进行模型建构，推理论证，提高创新思维，从而培养学生的科学思维能力。

关键词：小学科学；3D+创客；人工智能；电子书包；科学思维

一、提出问题

义务教育科学课程标准中指出，义务教育阶段应该掌握的科学课程的核心内容有13个科学核心概念，涵盖了化学、物理学、地球科学、天文学等多个领域，涉及范围广，内容抽象[[1]]。皮亚杰指出，小学生的认知发展阶段处于具体运算阶段，小学生能够借助具体事物或者从具体事物中获得表象进行分析，但仍局限于具体事物，缺乏抽象性。因此在小学科学教学中融入信息技术，改变以往传统教学的死记硬背，将教材中的文字融入图片、视频、动画中，学生通过直观地观察，充分地想象，使课堂变得生动有趣，可以更好地理解学习内容，从而有效地促进学生的科学思维能力的发展。

（一）3D+创客

3D+创客是以3D打印等数字制造工具为主要载体，不仅需要运用建模、编程等软件，更需要将设计的创意具化为实物模型或产品，它强调创意，又强调可视化成果，还强调技术应用的教育活动，属于一种新的综合实践活动类型。在科学课程教学过程中，利用3D建模既可以将模拟宏观和微观世界展示在眼前，又可以以动画的形式展现物体变化情况，缩短或延长事物变化的过程，同时使用3D建模软件建模的过程中，可以让学生体会模型形成的过程或者模型的内在联系，培养学生基于信息技术的创意物化能力，有利于学生的科学思维的形成。

（二）人工智能

《新一代人工智能发展规划》指出人工智能的迅速发展将深刻改变人类社会生活、改变世界。因此在小学科学教学中融入人工智能，是人工智能时代所赋予的使命和任务。在小学科学课程教学过程中，利用人工智能的各类传感器采集数据，可以省时省力，而且更准确，在数据分析时，可以借助人工智能技术，快速生成图表，让学生有更多的时间针对现象进行分析原因，得出结论，从而促进学生科学素养的形成。

（三）电子书包

电子书包是以学生为主体、个人电子终端和网络学习资源为载体的，贯穿于预习、上课、作业、辅导、评测各个学习环节，覆盖课前、课中、课后学习环境的数字化教与学的系统平台。将电子书包融入小学科学教学中，可以将课堂延伸至课前和课后，让学生获得更多的学习资源，为学生提供了一个讨论的平台，提出有一定新颖性和合理性的观点，从而提高学生的科学思维能力。

二、信息技术在小学科学教学中的应用

（一）3D+创客构建实物模型

在《点亮小灯泡》一课中，教师给学生一个装修三室两厅的房子的大任务，并给每个小组根据需要提供电池，导线，开关，小灯泡等材料。要求每个小组使用Neobox LogoUp 3D软件建模一个三室两厅房子，并在模型中画出各元器件安装的位置，使用动画的形式将相应开关闭合、断开，电流的流动过程，相应的小灯泡亮与不亮的情况展现出来，学生建模完成后使用3D打印机把自己三室两厅模型打印出来，将电池，导线，开关，小灯泡等实物，安装在模型当中，通过控制开关观察小灯泡亮不亮情况，对比开关闭合或者断开时实物的小灯泡和模型中的小灯泡亮与不亮的情况是否一致，再根据自己实际情况进行改进，达到自己想要的效果。本节课中小学科学课程和3D+创客相融合，利用3D建模软件，帮助学生构建实物模型和数字模型。在建模过程中培养了学生的逻辑思维能力，只有足够强的逻辑思维能力才能使用软件设计出三室一厅的模型，同时也增强了学生的工程设计能力，如果工程设计方面没有做好，在3D打印时模型就会因为结构不稳定或者部分部件没有支撑而无法打印出一个完整的模型。在安装实物时培养了学生的动手实践能力和运用知识解决问题的能力。总之，在小学科学课程中融入3D+创客强调创意、模型的可视化，提高了学生的逻辑思维和科学思维能力。

（二）人工智能采集实验数据

    在《摆》这一课中，以往教学中教师通常采用铁架台、钩码、细线组成摆，使用秒表和人工计数的方式来探究摆运动快慢与摆线长短的关系。这个过程中经常会遇到以下几个问题：一、随着摆重的增加铁架台会不稳定而晃动，二、人工计数摆摆动的次数会产生误差，而影响实验数据的分析，三、因为影响摆快慢的因素有三个，因此学生需要花费大量的时间进行数据分析。为了解决这些问题，在《摆》的教学中融入人工智能，在制作摆的时，让学生运用乐高积木自主搭建一个稳定的支架，将摆挂在支架上，采用光电门感器计算摆动的次数，传感器采集完数据后，系统直接会统计出不同因素和摆动的次数的表格和折线图，这样上述问题就迎刃而解了。在科学课上使用人工智能的各种传感器收集数据，代替了人类的眼睛与耳朵，能更加精确地收集数据，有利于提高实验的准确性与实验成效，在数据分析时借助人工智能技术进行数据整理，使学生有更多的时间进行思考，分析数据，得出结论，促进学生科学思维的发展。

（三）电子书包延伸科学课堂

在《月球》这一课中，因为需要长时间观察，教师通过电子书包提前布置一个月的观察月亮打卡任务，这样可以连续、准确地记录下月亮的各种信息，并且进行分享。在导入时，教师创设了一个“月相变化探迷案”的盗窃案的情境，将整个案情、嫌疑人与侦探的对话等文字信息，酒店的平面图、犯罪嫌疑人的位置等图片信息，采用电子书包推送资源的形式下发给每个小组，每个学生根据信息，找出真凶，这样每个人都会想去挑战，找到真凶，这样使课堂变得有趣，大大激发了学生的探究兴趣。在探究月相变化的规律时，教师借助电子书包采用H5动画，让学生完成一个月的月相拼图任务，采用H5动画的方式，学生修改模型方便，可以在短时间内多次尝试拼图。学生拼完图后使用电子书包的课堂投影功能，将几个同学们的结果统一投到大屏幕上，随机对几个学生的结果进行对比，这种方式比起使用展台或者让学生上台展示更加高效，直观。学生建立一个月月相变化模型后，再次使用电子书包布置观察一个月月相变化的任务，让学生验证自己的模型。小学科学课堂上运用电子书包可以有效地帮助学生建立模型，让学生在课前、课中、课后能够获得更多的学习资源，从而提高学习的积极性和自主性，将整个课堂延伸到课前和课后，真正实现将课堂交给学生。

三、结语

综上所述，随着信息技术的飞速进步，将信息技术融入小学科学课堂中已成为必然趋势，小学科学教学过程中融入3D+创客，人工智能，电子书包等信息技术，可以营造富有生机和时代气息的学习氛围，调动学生学习的积极性，把抽象、复杂的问题变得直观化、简单化，培养学生的科学思维，提高学生的科学核心素养。

参考文献

[1]钟柏昌.创客教育究竟是什么——从政策文本、学术观点到狭义创客教育定义[J].电化教育研究,2019,40(5):5-11.

[2]杨现民,李冀红.创客教育的价值潜能及其争议[J].现代远程教育研究,2015,0(2):23-34.

[3]祝智庭,郁晓华.电子书包系统及其功能建模[J].电化教育研究,2011,32(4):24-27,34.

[4]张立春,焦建利.教师对电子书包的理解及态度研究[J].电化教育研究,2015,36(5):46-52.

[5]史加祥.人工智能时代背景下小学科学教育的变革与坚守[J].课程.教材.教法,2020,40(4):120-125.

[6]牛三波.人工智能:小学科学课实践新资源[J].基础教育论坛,2022(9):106-107.

[7]吴平年.论信息技术在小学科学教学中的应用[J].教师博览：下旬刊,2022(10):67-69.

   课题项目：本文系思明区教育科学“十四五”规划2022年度课题《融合信息技术培养学生科学思维的策略研究》研究成果，课题编号：W2022X0832。