应用程序在科学课堂中的实践初探

龚凯健

【摘 要】学校要主动应用互联网、大数据、虚拟现实、人工智能等现代信息技术，探索跨学科教学、智能化教育等教育教学新模式。智能移动终端的普及，让互联网、大数据、虚拟现实、人工智能等现代信息技术入驻课堂成为可能，而APP则是实现这种可能的重要途径之一。APP在科学课堂中的应用有着显著的技术优势，但还存在着问题。因此，教师对科学APP的研发要注重几个原则。

【关键词】科学课堂 技术优势 应用现状 研发原则

2019年4月2日，教育部发布《关于实施全国中小学教师信息技术应用能力提升工程2.0的意见》（以下简称《意见》），《意见》明确提出，支持有条件的学校主动应用互联网、大数据、虚拟现实、人工智能等现代信息技术，探索跨学科教学、智能化教育等教育教学新模式。随着智能手机和平板电脑的普及，智能移动终端早已成为人们日常生活中不可或缺的工具，它让互联网、大数据、虚拟现实、人工智能等现代信息技术入驻课堂成为可能，而应用程序（APP）则是实现这种可能的重要途径之一。

一、APP在科学课堂中的技术优势

科学课程以培养学生的科学素养为宗旨，其课程内容涵盖物质科学、生命科学、地球与宇宙科学、技术与工程科学等四个领域，与中学的物理、化学、生物、地理等学科相衔接，重在培养学生对科学的兴趣、正确的思维方式和学习习惯等。探究活动是科学课程实施的主要方式，考虑到学生的认知水平，其在实施过程中需要大量简单、直观的事实作为学生的学习基础，而APP的应用能高效地提供这样的事实。

（一）数据的收集整理

数据的收集整理是学生探究活动的重要环节。学生一般以小组为单位收集数据并完成纸质记录，教师收齐各组记录后，以实物投影的方式进行数据展示和汇总，进而整理、分析数据以得出结论。这样的数据处理存在两个问题：一是数据涵盖面不广，基本是以小组数据为蓝本进行分析，然后归纳出某个事实，容易犯不完全归纳的毛病;二是数据分析相对抽象，难以形成直观的图表，给结论的获得带来困难。

在APP中融入数据在线收集功能，能很好地解决上述两个问题，让学生的科学学习更严谨。如图1为“水中热的传递”实验装置图，学生需要检测烧杯中间底部1号点、边缘底部2～4号点、中间上部5号点、边缘上部6～8 号点共八个点的水温变化。图2、图3、图4是小组活动的数据记录。在数据输入的同时，系统自动生成折线图，让各个点的水温变化一目了然。观察图2和图3，我们容易发现，中间底部1号点的水温变化起伏较大，而图4中间底部1号点的水温变化起伏就没有其余两组明显。三个小组的数据显示，除中间底部1号点，其余各点水温稍有起伏，整体平稳上升。图5为综合各组数据后取平均值得到的信息。我们通过对所有数据进行分析，可以得到与图2、图3基本相同的信息。

（二）事实的虚拟呈现

科学课程中的很多微观、宏观事实不容易被直接观察，如生命科学领域的“人体内部构造”、地球和宇宙领域的“日食和月食”、物质科学领域的“溶解现象”等。而利用APP能模拟这些事实。

在APP动态视图中，我们容易观察到“心脏舒张，瓣膜打开，血液进入心脏，心脏收缩，血液被泵出心脏”的过程，而屏幕右下角的脚步可以通过控制速度来模拟人的运动量，步速越快，心脏跳动得就越快。在学生了解心脏的工作方式后，教师给出一组模拟心脏工作的实验材料（如图6），就可以使学生厘清实验材料和被模拟对象之间的对应关系：滴管模拟心脏，挤压滴管模拟心脏收缩，滴管恢复原状模拟心脏舒张，输液调速器模拟瓣膜，红色液体模拟血液。

（三）过程的真实展示

在科学探究活动中，某些过程性学习材料作为学生的第一手观察数据，需要在后续学习中再次被使用，而单纯拍照上传或实物投影展示的方式既烦琐又无法清晰显示细节。而APP的无线实时传送功能能方便快捷地实时展示或回放，让学生能关注到更多细节。常用的APP如“希沃授课助手”等。

图7为学生在观察水加热时水中木屑的运动，通过“希沃授课助手”的文件上传功能将其呈现在大屏上，学生利用视频回放再次呈现先前的观察过程，结合视频汇报阐述，让其他学生更直观地了解其想法。“希沃授课助手”的移动展台能以直播的形式展示整个演示过程，通过镜头的放大让所有学生清晰地看到木屑在水中的运动这一细节。

二、APP在科学课堂中的应用现状

（一）科学学习类APP现状

2011年，我国在线教育类APP首次出现，到2020年，我国在线教育市场规模达到了4858亿元。刘丹等人在《移动教育APP的研发现状与应用问题分析》一文中将国内的学习类APP分为电子阅读类、中小学教学辅助类、幼儿认知启蒙类、外语培训类、职业教育考试类等。根据2021年5月中小学教育类APP数字用户洞察调查（如图8），我们发现，排行靠前的APP都属于中小学教学辅助类，所有该类APP均可以免费注冊和使用，但在具体使用过程中，所有免费教育APP软件均提供教学内容的“APP内购买”服务，软件及部分内容免费但同时提供收费内容。相对于排行靠前的教育类APP，科学学习类APP在知晓率、使用率、留存率等方面远远落后，且面向的用户群体以学龄前儿童为主（如图9）。

（二）APP在科学课堂中的应用现状

APP已然成为人们重要的生活及学习的辅助程序，越来越多的教师尝试在课堂中应用APP来提升教学效率。有的教师在实践的基础上，把常用于科学课堂的APP归为四类：生物类（形色识花、赏花识花、百度识图、微软识花等）、化学类（烧杯BEAKER）、物理类（NB物理实验）、地理类（地球万象）;有的教师在教学实践中把手机作为移动展台来使用;还有的教师将手机常用的手电筒、计算器、指南针、水平仪、放大镜等用来代替一些实验器材。这些教师在科学课堂实践中对于APP的应用进行了不同的尝试，使科学课堂变得更生动、直观，为一线科学教师提供了经验。

常规科学课堂的教学依托的是教材，上述各位教师都是把某个APP运用到某一特定的教学内容中，这需要教师根据不同的教学内容去搜寻合适的APP。要想让APP应用成为科学课堂的常态，教师就需要研发与教材相配套的科学学习类APP。

三、科学学习类APP的研发原则

关于学习类APP的研发，国内外已有相当多的研究。国外的研究有介绍APP界面设计的概念、方法和内容，阐述“目标导向设计”的研发方法，为设计者基于用户体验的设计提供指南的;也有基于电子产品设计实践，提出交互设计原则和策略的。2015年4月，美国教育部教育技术办公室发布了《教育技术开发人员指南》，明确了教育APP开发的一般流程：初期调研—创建模型—评估反馈—持续发展。国内有研究者认为，教育类APP应具备移动化、社交化、游戏化、个性化、智能化、情境互动化等特征;也有人指出，教育类APP不能盲目追随市场，其开发应该紧跟我国教育改革的方向，以教育理论为指导，符合教育发展规律，促进以学习者为中心的教学模式的发展，充分发挥学习者的主体地位，促进学习者的创造性培养。这些研究成果对于科学学习类APP的研发极具学习借鉴作用，具体到科学学习类APP的研发实际，可以概括为以下几个原则：

（一）同一性

科学学习类APP面向的是所有科学教师和学生，为方便师生使用，APP要保持与教材的同一性。不同区域可以根据各自教材研发与本区域相适应的APP，可以以“册”为单位组织研发。这一工作可能需要科学教师团队的共同参与。在同一性的基础上，学校要鼓励教师自主研发符合区域、班级实际的个性化APP。

（二）公益性

现有的众多教育类APP都是商业化运作模式。大部分教育类APP虽然宣传免费使用，但都提供教学内容“APP内购买”服务。科學学习类APP以提升学生科学素养为宗旨，追求如何在有限的科学学习时间内最大限度地让学生掌握更多的科学知识、形成更高的科学技能、培养更真的科学态度。科学学习类APP的研发过程就是对教材、学生的研究过程，是教师本职工作的一部分，因此，其最终的研发成果都应是公益的。

（三）时控性

2018年8月30日，教育部、国家卫生健康委员会等八个部门联合印发的《综合防控儿童青少年近视实施方案》和2021年1月15日，教育部办公厅印发的《关于加强中小学生手机管理工作的通知》等，都对学生使用手机提出了明确要求。科学学习类APP的应用必须借助智能手机或平板电脑等智能移动终端设备。所以，进行APP研发时，教师一定要把握时间。科学学习的主要方式还是探究活动，APP只是学生学习的一个辅助程序，重在引导学生参与探究。教师切忌把APP当作阅读文本和观看视频的科普工具。

（四）融合性

不同的教学内容会直接影响APP的设计，但是，APP也有一些通用功能。所以，在进行APP研发的整体规划时，教师应考虑设置通用功能区，可以融合输入功能（如录音、摄像、照相等）、传输功能（终端机间的文件传输）、文件处理功能（文本处理、图像处理、数据处理等），以方便学生在课时学习过程中的使用。

《意见》关注的是现代信息技术在课堂中的实践。APP相对于PPT来说，更具实时性、互动性，对于教师的现代信息技术能力也提出了更高要求，需要教师不断提升自身现代化信息技术能力，为探索跨学科教学、智能化教育等教育教学新模式而努力。

【参考文献】

[1]刘丹，胡卫星，李玉斌等.移动教育APP的研发现状与应用问题分析[J].电化教育研究，2016（8）.

[2]罗德清.科普APP在小学科学课堂应用的分析与启示[J].生活教育，2019（2）.

[3]吴建伟，周赐洁，孟延豹.用APP改变小学科学课堂教学方式[J].中国信息技术教育，2017 （23）.