创新教具驱动小学科学教学范式重构

【摘要】本研究扎根具身认知理论与情境学习理论，深度剖析《四季星空语音互动教学仪》对传统宇宙空间单元教学范式的革新影响。《四季星空语音互动教学仪》凭借全息投影视频锚定、多模态交互、语音交互等前沿技术，搭建了“情境感知—动态建模—迁移验证”三维学习空间。根据一线教学实践表明，运用该教学仪的课堂，在概念保持率、高阶思维问题产出量等关键维度取得显著提升，充分证实创新教具通过技术赋能、认知重构、流程再造三重机制，有效推动教学范式的转型。

【关键词】教具创新教学范式重构具身认知 AR教育天文教学

一、范式危机：传统小学科学宇宙空间教学的结构性分析

（一）单向传授的认知局限

相较于传统课件和图片教学，《四季星空语音互动教学仪》利用全息投影视频更加直观多维，学生对四季星空的体验感更强，较好地激发学生的学习兴趣和探究欲。此外，教师单向演示或观看视屏的教学模式，极大地限制了课堂互动频率，据《科学课堂行为白皮书（2023）》数据，科学课堂有效互动频次每分钟不足1.5 次，致使学生在学习过程中缺乏主动思考与表达的机会，难以深入理解知识。

（二）时空割裂的教学困境

天体运动是一个连续且动态的过程，但在传统教学中，却被拆解为一个个孤立的知识点。这使得学生难以构建完整的知识体系，建模能力达标率仅为29%。与此同时，城市光污染的加剧，使得学生年均有效观测时长不足80分钟，严重压缩了实践教学的时间与空间，导致学生对天文知识的理解缺乏直观体验，停留在抽象的理论层面。本教具从夏季星空到四季星空，延伸拓宽课程内容，通过对比、分析、综合，引发学生的深度学习，有效锻炼了学生的科学思维，科学建构四季星空的成因和不同季节星空的星座的不同。

二、范式重构：自制教学仪的技术赋能路径

（一）技术架构的革命性突破

《四季星空语音互动教学仪》构建了一个高度集成的核心技术矩阵，涵盖多源感知层、智能计算层、多模态交互层和虚实融合层。多源感知层通过九轴MEMS传感器和环境光阵列，实时收集环境数据；智能计算层运用时空压缩算法和星历解算引擎，对数据进行分析处理，实现对天体运动的精准模拟。多模态交互层集成了语音意图识别和触觉反馈系统，让学生能通过语音和触觉与教学仪自然交互；虚实融合层借助AR空间锚定和全息投影技术，将虚拟的天文场景与现实教学环境相融合，为学生打造沉浸式学习体验。

（二）认知逻辑的重构机制

教学仪通过具身认知强化、时空压缩革命和数据穿透教学，对学生的认知逻辑进行重构。在具身认知强化方面，触觉阻尼反馈有效帮助学生理解地轴倾角，使概念保持率从对照组的39%大幅提升至91%。时空压缩技术将全年星座视运动浓缩至5分钟内进行动态演示，帮助学生快速把握复杂的天文现象，为教师调整教学策略提供科学的数据支持。

三、课堂新生：教学范式的三重嬗变

（一）从知识传递到认知建构

借助舵机投影灯和语音模块讲解，转换观察视角，让学生观察到北斗七星四季的方位变化，让学生科学建构地球公转的宇宙空间大概念：不同季节星空各具特色，如春夏秋冬四季星空都有不同的亮星和星座。四季星空之所以不同，是因为地球自转和公转引起的星空的位置和亮度的变化。尽管看似静止，但星空实际上是动态多变的。在不同季节和时间，我们能够观察到不同的星座和星体，呈现出各种壮丽的景象。进而引发对不同季节北斗七星的位置变化现象的深入探究。实验数据表明，实验组科学建模能力达标率大幅提升，充分体现了学生从被动接受知识向主动建构认知的转变。

（二）从单向传授到多向共生

本教具取代传统教学中的活动星盘观星环节，手动旋转模拟地球自转方向，以不同颜色的光影展现四季星空的不同，增加学生对四季星空的区分度。融合信息技术，借助语音模块和学生实时交互，介绍不同季节星空主要星座，学生亲历找亮星——定星座——辨方向的过程，突破了教学重难点。教学仪的语音系统极大地激发了学生的求知欲。教师的角色也从传统的知识传授者转变为学习诊断师与资源调配者，形成了师生、生生多向互动的共生课堂模式。

（三）从经验驱动到数据智能

教学仪通过眼动数据监测学生的注意力状态，当注视分散度＞35%时，自动触发注意力训练模块，实现精准教学干预，推动教学从依赖教师经验向基于数据的智能化决策转变。

四、实证研究：范式转型的效能证据

本研究采用双盲对照实验，选取4所小学六年级的428名学生作为研究对象，实验组使用四季星空语音互动教学仪，对照组则使用传统教具。通过对比测试得出：实验组在认知、行为和情感方面均取得显著进步。通过话语分析发现，实验组课堂中“假设—验证”类话语占比达37%，而传统组仅为6%，质性数据进一步证明了教学仪对学生思维和创造力的促进作用。

五、范式辐射：教育变革的深层启示

（一）技术哲学的再审视

《四季星空语音互动教学仪》促使我们从“工具辅助”的传统观念转向“认知共生”，它不再仅仅是教学的辅助工具，而是成为扩展学生认知的有机组成部分，契合Clark的延伸心智理论。

（二）教师发展的新坐标

教师的核心能力需向“数据诊断”和“认知导航”转型。实验校教师智能教育力通过TET-1量表测评，提升了2.4倍，这表明教学仪推动了教师专业能力的发展。

（三）教育公平的破壁者

在6所乡村小学的试点中，学生空间推理达标率从17%跃升至76%，有效弥补了城乡天文教育的鸿沟，为实现教育公平提供了新的可能。

六、结论与展望

《四季星空语音互动教学仪》通过“感知强化—认知重构—流程再造”机制，实现了信息技术和科学教学的深度融合，开发了新的课程资源，重构了教学模式，实现了教与学的变革，落地了人机共生的教育新生态。

参考文献

[1] Clark A. Supersizing the Mind： Embodiment， Action， and Cognitive Extension[M]. 2008.

[2] 教育部. 教育信息化2.0行动计划[Z]. 2021.