注：本文为“北京教育科学研究院基础教育课程教材中心的智慧教材实验研究项目”研究报告。作者简介王澎：北京市东城区和平里第九小学科学教师，东城区兼职

 

注：本文为“北京教育科学研究院基础教育课程教材中心的智慧教材实验研究项目”研究报告作者简介王澎：北京市东城区和平里第九小学科学教师，东城区兼职教研员本研究报告基于北京教育科学研究院基础教育课程教材中心的智慧教材实验研究项目和东城区质量提升项目研究。

1. 研究背景1.1 数字教材，即数字化教材有别于传统教材，利用多媒体技术将传统纸质内容进行数字化处理，转化为适用于各类电子终端的互动性教材1.1.1 数字教材充分发挥信息技术优势，融合了文字和音频、视频、图片及动画等元素，具有表达更加生动形象、有利于互动交流、有利于分层施教、有利于修订完善等优越性。

1.1.2 数字教材分4个层次:纸质教材数字化、多媒体数字教材、互动式数字教材和集聚式数字教材不同层次的数字教材需要不同的课堂教学方式国家的相关文件也支持数字教材的开发和应用促进学习方式的变革《关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》（2014）指出：“充分利用现代信息技术手段，改进教学方式，适应学生个性化学习需求”。

《关于进一步减轻义务教育阶段学生作业负担和校外培训负担的意见》（2021）指出：“12.做强做优免费线上学习服务教育部门要征集、开发丰富优质的线上教育教学资源，利用国家和各地教育教学资源平台以及优质学校网络平台，免费向学生提供高质量专题教育资源和覆盖各年级各学科的学习资源，推动教育资源均衡发展，促进教育公平。

各地要积极创造条件，组织优秀教师开展免费在线互动交流答疑”1.2 科学思维科学思维，也叫科学逻辑，即形成并运用于科学认识活动、对感性认识材料进行加工处理的方式与途径的理论体系;它是真理在认识的统一过程中，对各种科学的思维方法的有机整合，它是人类实践活动的产物。

常用的科学思维方法：比较与分类思维方法、归纳与演绎思维方法、类比转换与外推思维方法、分析与综合思维方法、模型化思维方法……科学概念是骨髓、科学探究的血肉、科学思维是灵魂（贾欣老师）1.3 科学数字教材有利于学生科学素养和核心素养的发展

以“双减”工作为核心推动构建高质量教育体系“双减”是要切实提升学校育人水平，有效减轻义务教育阶段学生过重作业负担和校外培训负担构建教育良好生态，促进学生全面发展、健康成长因此，完成“双减”的任务，关键是看我们学校的教育是不是完成了我们的既定任务。

因此教师在减负增效上下功夫，小学科学数字教材的开发和应用，使得资源系统化，利于概念可视化、交互自然化、教材动态化、学习个性化等优势，有利于激发学生的求知欲，发展学生的科学思维方法、科学态度和精神2. 研究设计。

2.1 目的内容2.1.1 在小学科学学科开展vbook数字教材的实践研究开发典型案例2.1.2 基于“生物与环境的相互适应”这一核心概念，设计并使用vbook数字教材和学生学案，构建完整学习路径，促进学生思维发展。

2.2 总体设计我校共有六位科学教师参与到科学数字教材项目的研究中，由科学区级学科带头人王澎老师任组长，使用的是湖南科学出版社出版的小学科学教材（简称湘科版）首先六位老师研读了科学教材，结合小学科学课标，确定选取生命领域中的内容做数字教材研究，并将一至六年级涉及生命领域中的相关课程进行了梳理。

最终选定六个内容做研究：姓名年级课题苗琪三《鱼》周亚亚四《植物能适应环境》吴潇波四《动物与环境》虎天昳六《我们生活在草原》王澎六《化石带给我们的信息》刘洋六《设计生态瓶》通过研究老师们也意识到：生命科学领域的学习，应致力于理解一些生命科学上有关的大概念。

因为“科学教育的目标不是去获得一堆由事实和理论堆砌的知识，而应是实现一个趋向于核心概念的进展过程，这样做有助于学生理解与他们生活相关事件和现象”而概念的形成也有助于学生形成科学的思想观念、方法和科学的世界观。

这六个内容涉及的大概念主要有：① 地球上生活着不同种类的生物② 植物能适应环境，可制造和获取养分来维持自身的生存③ 动物能适应环境，通过获取植物和其他动物的养分来维持生存④ 植物和动物都能繁殖后代，使它们得以世代相传。

⑤ 动植物之间、动植物与环境之间存在着相互依存的关系。

2.3 推进方式2.3.1 研究学习阶段我校主管教学的武健主任牵头，带领数字教材研究团队老师学习数字教材的特点，以及在科学教材中如何发挥数字教材的优势2.3.2 开发实施阶段研究团队的老师共同备课，结合研究主题，确定教学方案，反复修改，开发适合的数字教材。

2.3.3 成果研讨阶段学校也将本项目纳入到东城区质量提升项目组中，聘请北京市基教中心小学科学教研员贾欣老师和人民教育出版社研究院张军霞老师给予老师们指导3. 实践过程3.1 活用数字教材，促科学思维的发展。

小学生的思维从具体形象思维过渡到理论抽象逻辑思维，但这种抽象逻辑思维在很大程度上仍然与感性经验相联系，具有很大程度的具体形象性具体而言，小学生的思维具有如下五个特点：第一，小学时期是具体形象思维和抽象逻辑思维两种思维形式并存的阶段，小学生的思维由低年级以具体形象思维为主逐步过渡到高年级以抽象逻辑思维为主。

小学生的思维同时具有具体形象的成分和抽象概括的成分，二者间的相互关系随着年级的升高以及学习活动性质的不同而发展变化第二，在小学生的思维由具体形象思维向抽象逻辑思维过渡的过程中，存在着一个转折期，这个转折期就是小学生思维发展的“关键年龄”。

第三，从小学阶段起，儿童逐渐开始具有思维的目的性，表现出完整的思维过程，有较丰富的思维内容、思维材料和思维结果，表现出个体思维品质发展的显著差异性，他们思维的自我监控或自我调节能力也在日益加强第四，尽管小学生的抽象逻辑思维尚处于初步发展阶段，但却具备了逻辑思维的各种形式，辩证思维已经出现萌芽了。

儿童辩证思维的发展水平随年龄的增长而提高:小学一、二、三年级是辩证思维的萌芽期，四年级是辩证思维的转折期，五、六年级为辩证思维的稳步发展期第五，在小学生的思维从具体形象思维向抽象逻辑思维过渡的过程中，存在着不平衡性。

这种不平衡性既表现为个体发展的差异，也表现为思维对象的差异基于以上学生思维特点的分析，我们结合数字教材采取了以下策略研究：① 利用学习单体现动态思维过程有效的学习单能发挥学习支架的作用，促进有效学习，学习单就像一个指路牌，可以提供“做什么”“怎么做”“记什么”“交流什么”等方面的指导，是教师指导学生学习的工具，也是学生进行自主探究的阶梯。

湘科版四年级《动物与环境》一课中，利用预学单、辅学单和拓学单培养学生的高阶思维结合学生认知和思维发展特点，形成一个由“测—学—评”构成的实施策略，有预学单、辅学单和拓学单，尊重学生个体差异，根据及时反馈推送有效教学内容及学习路径。

▲ 创设情境，激发动机 ，即基于生活实际，创设真实的情境，激发学生内在动机在预学单中，学生围绕核心问题开展课前学习，学习的方式有讨论分享和观看视频观察图片等方式，充分暴露学生的前认知，产生认知冲突，始终围绕“动物能适应环境，通过获取植物和其他动物的养分来维持生存。

”这一大概念，开展交流讨论▲ 问题提出，认知冲突 ，即让学生感知情境引发认知冲突，提出预设的核心问题学生在预学基础上进入到“在深水区生活的鸟类，有什么样的身体结构？”这一主要问题利用思维引导语引导学生思考：“我认为能在深水区生活的鸟类有什么样的身体结构，因为什么？”“我同意或不同意他的说法，为什么？另外我还认为什么？”逐步引导学生明确问题，识别、整理、归纳并分析信息，建立联系。

▲ 交流比较，总结反思，要求展示各小组对核心问题的不同结论或过程与方法，引导学生倾听、思考、比较、整理各种不同的结论，展示思维的过程同时通过对错误的辨析和原因分析，总结和反思形成学科结构最终解决问题学生会分析深水和浅水的环境，在不同环境中，鸟的喙和爪为了适应环境，应该是什么样的呢，引发学生深入思考和交流，培养学生的分析和解释，批判性思维，引导学生思维向高阶思维发展。

▲ 拓学单引导学生将所学进行迁移应用，解决实际问题学生在这个环节中，思维引申到更广阔的环境中，动物要适应环境，它们应该有什么样的身体结构，本环节即要引导学生应用所学到的思维方法解决其他问题，在问题解决的实践中，培养创新意识。

② 思维引导语触发学生的发散思维能力《动物与环境》一课中“能在深水区长期生活的鸟，身体结构是什么样的？”面对这个主要问题，学生可能有一些零碎的想法，比如“会游泳”，但是这根本不是身体结构特征，如果用“我认为能长期生活在深水区的鸟有…的结构，因为…”就把学生已经考虑到的鸟类的生存需求和身体结构串联到了一起，并且有助于学生梳理自己的思路。

其他学生再以“我同意他的看法，另外我还认为…”来实现生生评价，以及展现其更多更广阔的思考学生通过深水区的举例学会思维方法后应用到林区，此时教学以“放”的形式进行，学生分小组讨论，提供“结合林区…样的环境特点，鸟类有…样的身体结构，这样有助于…”这样的思维引导语，让学生在讨论和汇报分享时都有框架可依，也能充分应用前面的思维方法。

③ 学生推理能力的训练，促高阶思维的培养科学推理能力作为科学素养的重要内容之一，是公民在面对社会和个人生活中的科学问题时作出明智决策的关键能力应用数字平台学习资源，可以将思考的过程和思考后的结果呈现出来，助力构建思维发展性的科学课堂。

在《化石带给我们的信息》一课中，需要根据挖掘的某一古生物不完整的化石拼出该古生物的骨骼结构；根据挖掘的同时期其他生物的化石，还原该古生物的生活环境然后，结合与现代类似生物的结构与环境进行联想，推理出该古生物为生活在森林中的鸟类。

这是一种建模思维，由于古生物离我们的现实生活比较久远，这样的建模对学生来说难度很大通过数字教材提供的图片、视频的相关资料，学生得以充分展开想象和思考的空间，可视化地展现他们的联想、推理的思维结果学生在尝试找出导致某种现象或某个事件发生的原因，但又不能直接观察到原因时，就要进行推理。

如果推断出来的结论或观点能够合理解释某种现象或某个事件发生的原因，并与证据相符，那么这个结论就是合理的本课教学中，教师要引导学生将古鸟的身体结构与生活环境建立联系进行推理假如它生活在森林环境中，就要综合分析森林环境中古鸟的喙、爪等身体结构的特点。

例如，结合iPad中现实森林环境中的鸟的爪的形态，可以判断生活在森林环境中的古鸟的爪应该无蹼4. 实践效果4.1 利用建模开展教学，利于学生思维可视化4.1.1 借助体验活动建构基于前概念的初始模型在建模教学中，学生在课程的开始阶段，需要根据自己的已有认知，结合体验活动，建构起基于前认知的示意图，后面的学习过程都将以此示意图开展，通过一步一步的探究、获取证据，对模型进行修改以逐渐趋于准确。

如《设计生态瓶》一课，学生的分析如下：第一次分析、修改生态瓶设计① VBOOK活动：学生利用轮播图查看其它同学的生态瓶设计方案，可以用画笔和放大镜功能对设计图进行详看和勾画② 解释：最终挑选其中一位同学的设计，说一说在他的设计中是能否维持生态平衡，你觉得该同学的设计哪里值得推荐，哪里又有待改进，或者你对他设计的某个环节产生了怎样的疑问，为什么。

第二次分析、修改生态瓶设计① VBOOK活动：修改了自己的设计之后，效果会比以前好还是不好呢，我们现在无法得知不过现在我这里有三位同学做好的生态瓶的观察记录，请你利用轮播图看一看，可以用画笔和放大镜功能对案例进行详看和勾画。

② 解释：同学们实际的观察情况，为你的想法能否提供一些参考，请你挑选其中一个例子，进行分析说明。

4.1.2 充分利用模型开展交流与讨论基于体验的前认知的模型建构好以后，需要学生之间展开充分、民主的交流讨论，在交流中，不同的认知发生碰撞，是产生认知冲突，形成问题的关键学生分析、思考，逐渐去除明显错误的认识。

在这样的交流中，学生思维得到发展如《鱼》一课，通过指导学生认识金鱼的身体结构来构建完整的鱼的模型首先观察几名学生画的金鱼，看看有哪些共同特征，请同学们用画笔工具圈出金鱼身体分为了几大部分通过观察，学生发现金鱼的身体分为了头、躯干和尾三部分。

接着请学生观察VBOOK中金鱼的3D模型，明确三大部分中每部分细致的结构，区分不同部位的鱼鳍名称最终用下图VBOOK中的标签练习检测学生的学习成果，实时评价

4.1.3 对模型的评价要在类似情景中的运用中完成模型有一个不容忽视的重要功能，是具有预测的功能能够完成合理的预测，是评价一个模型是否成功的指标因此，在建模教学中，需要在完成建模之后，对模型进行运用和评价，从而判断是否需要对模型进行修正与改进。

如《我们生活在草原》一课，从草原植物作为生产者开始，寻找“吃与被吃”的食物关系中的食草动物、食肉动物等草原生物学生不断思考，丰富认识，同时形成了基本的草原食物网，此时初建草原沙盘引入草原上穴小鸮的机智生活，分析与穴小鸮关联较大的野牛、犬鼠、蜣螂的相互关系，让学生意识到生命活动是的丰满、多彩的。

学生对草原生态系统的认识由单一到多样，由部分发展为整体，思维角度更加全面、有生命力，再进行丰富草原沙盘

4.1.4 建模的过程不是一次性的基于前认知形成的模型，里面会体现出学生的错误概念，学生通过实验、查阅资料等方式获取证据，基于实证对模型进行修正，最终在运用中对模型的水平做出评价，如此循环模型建构与反复修改的过程，其实就是学生学习概念、修正错误概念、形成正确概念的转变过程。

例如《化石带给我们的信息》一课，古生物学家挖到了一种生物的化石，从化石上我们可以判断这是鸟类，学生依据vbook上现代鸟的资源，选择鸟的喙、躯干、爪在化石模型上复原鸟，看它适合哪种生活环境，并在思维导图上记录。

对古鸟结构假想结果检验后，根据推理获取的依据，多次调整自己的假想

4.2 结合数字教材评价，促科学素养的发展小学科学课程的主要目标是培养学生的科学素养，课堂教学评价能够有效地促进教学活动，是课程标准实施的可靠性保障数字教材平台全流程真实数据采集，在课堂教学过程中，可实时收集学生的课堂练习、实给结果等数据，帮助教师根据学生的実际掌握情况及时调整课堂数学策路，并为数字教材应用方向与实际成果提供数据支持。

《动物与环境》一课中，提供水中生活的鸟的喙的数据分析，能精准的分析学生对喙结构的理解教育大数据能够细致刻画学生的微观表现，并基于学生的行为表现探究其学习过程的发展机制，优化学生的学习体验主要包括：基于学习分析为学生提供及时的评价反馈，帮助其更好地自我调节和有针对性地改进；可为学生量身定制更有效的学习推荐方案，如推荐适合其个性特征的最佳学习路径。

教育大数据还能深入到教与学的微观层面，大幅度提升教学的针对性和有效性通过数据清晰还原教学过程，教师能够精准定位教育教学问题，及时发现关键薄弱环节及其影响因素，从而为学生提供适切的学习服务这将大大有利于实现适应性学习和自我导向的学习。

5. 总结反思5.1 积累的经验5.1.1 构建促进学习者意义建构的深度学习环境在技术支持方面，熟悉教材需实现持续记录学习过程，促进学习者展开反思活动；提供有效的学习支架，促进学习者知识概念转变的发生；提供自我管理权限，促使学习者最大程度的认知和情感投入。

在内容设计方面，采用分支、网络或模块化的知识结构，便于学习者建立稳固的知识概念网络；减少事实原理类知识的单调呈现，增加问题解决类知识的情景再现设计，培养学生问题解决能力；学习路径提供对同一知识多路径多角度的理解，经历由浅入深的多步骤反复认知，达到对知识的深层次认知。

5.1.2 小学科学数字教材有利于激发高水平行为和认知投入的深度学习过程教师创设合理的学习任务和探究环境可以提高学生的行为参与水平从简单的浅层学习逐渐过渡到需要高阶思维参与的深层学习学生在经历认知偏差和概念交互的深度学习过程中，对知识进行有意义的建构，达到高水平思维的产生。

5.1.3 小学科学数字教材有利于产生概念转变和问题解决的深度学习结果深度学习在认知层面的结果是产生了概念转变，促进学习者的自发概念系统向科学概念系统的转变深度学习在行为层面的结果是实现问题解决，学习者能够运用所学知识解决问题，达到对知识内容的创新应用。

5.2 未来的展望信息技术赋能教育，回到校园的教师，就必须从教与学出发重新思考教育、创造创新学习环境、更好地设计数字时代的学习根据实际需求，切换并融合“技术达人”、“学习设计师”、“教学评估师”这三个角色，用技能更好地支持学习，提升技术素养、设计素养、数据素养。

实现从“用技术学习”到“用技术变革学习”再到“使用技术赋能学习者”的进阶，帮助学生成为数字时代负责任的公民

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