第1章 信息化学习情境创设的时代意义
当前信息化社会对未来教育提出了新要求，教育为了适应信息化社会需求应培养具有创新精神、实践能力和科学素养的高素质人才。为了培养创新人才，《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010—2020年)》倡导启发式、探究式、讨论式、参与式教学，帮助学生学会学习[1]。创新人才的培养和信息化社会需要教育变革，而这种变革需要对传统教育教学理念、学习模式和学习方法等进行创新[2]。2016?年，《中国学生发展核心素养》研究成果指出，中国学生发展的核心素养综合表现为六大素养：人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当和实践创新等[3]。在课程学习中通过创设学习情境可以有效培养学习者的六大核心素养。从现实课堂的问题出发，课堂教学改革是教育改革的核心，我们现在的课堂还很难培养出学生能够适应终身发展和社会发展所需要的核心素养[4]。课堂是人才培养的主渠道，课堂教学模式基本上决定了人才培养模式。因此，在科学课程中要实现教学创新并培养学习者的核心素养，信息化学习情境创设的课堂是实现这一目标的关键因素，对学习效果和学习质量产生直接的影响，在科学课程改革和教学创新中逐渐得到重视。
1.1 研究背景
信息化教与学有助于全面推进教育教学变革，提升教育教学质量，培养创新人才，最终实现教育现代化。国务院副总理刘延东在2012年全国教育信息化工作电视电话会议上的讲话中指出：“教育信息化是教育理念和教学模式的深刻变革，是促进教育公平、提高教育质量的有效手段，是实现终身教育、构建学习型社会的必由之路。”当前，云计算、移动智能终端技术、可视化技术、3D打印技术、虚拟体感技术与大数据分析技术等新兴技术在教育领域的广泛应用，使得教育生态系统和学习环境正在悄然变化。技术的革新必然要对教育思想、学习模式、学习方法、学习环境等都发生意义深远的颠覆性的影响[5]。这些新技术支持人们日常生活的交流活动并逐渐在教育领域里推广，在科学学习中对创设适切的信息化学习情境具有重要作用。
1.1.1 信息技术与教学深度融合的主要途径
美国新媒体联盟(The New Media Consortium，NMC)发布的《2012—2017科学教育技术前瞻》明确指出在科学教育中持续性和创新性运用新技术将会从根本上改变科学教育的现状，转向作为实践的科学[6]。我国《教育信息化十年发展规划(2011—2020?年)》中提出：“推进信息技术与教学融合。建设智能化教学环境，提供优质数字教育资源和软件工具，利用信息技术开展启发式、探究式、讨论式、参与式学习，鼓励发展性评价，探索建立以学习者为中心的教学新模式，倡导网络校际协作学习，提高信息化教学水平。”信息技术在学科学习中的创新性应用需要教师认真研究学习内容最佳的学习方式和方法，创设真实新颖的学习情境，构思理想的学习过程[5]。信息技术与教育由简单整合面向深度整合，需要为学习者建构学习情境，把促进学习者生活世界的“意义建构”作为信息化教育的未来走向[7]。因此，学习情境创设是信息技术和教育教学深度融合的主要途径。
1.1.2 培养学习者核心素养的有效措施
学习者核心素养以培养人的全面发展为核心，在课程改革与教学创新中努力培养学习者的人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当和实践创新等核心素养，在科学学习中通过创设学习情境来培养学习者的核心素养。因此科学教育应该创造条件——学习情境允许学习者通过实践去试错和质疑科学知识，在科学探究中获取科学真理，真正让学习者学习科学从情境中来到情境中去。当学科体系被情境化、教师在通过具体的应用情境指导学习者探究学习时，学科体系的意义以及学习者与这些意义的关系就被改变了，建立这样的意义关系并不是让学习者机械的获取科学知识，这才是教育应该倡导的[8]。科学教育的发展与信息技术紧密相关，这种紧密关系一方面是指信息技术可为科学教育创造全新的学习情境和学习手段，另一方面是指在科学教育中利用信息技术可有利于培养学习者的科学探究精神和科学方法。《普通高中物理课程标准(2017年版)》指出：“高中物理课程是普通高中自然科学领域的一门基础课程，旨在落实立德树人根本任务，进一步提升学生的物理学科核心素养，为学生的终身发展奠定基础，促进人类科学事业的传承与社会的发展。高中物理课程通过创设学生积极参与、乐于探究、善于实验、勤于思考的学习情境，培养和发展学生的自主学习能力。通过多样化的教学方式，利用现代信息技术，引导学生理解物理学的本质，整体认识自然界，形成科学思维习惯，增强科学探究能力和解决实际问题的能力。”[9]新课程标准明确指出将知识与技能、过程与方法、情感态度价值观三维目标整合在一起。在学生的核心素养培养和评价过程中，要以知识为基础，以能力为核心，以应用为导向，重视学习者在真实情境中的学习与应用，以人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当和实践创新等核心素养的培养为突破口，实现学习者各种核心素养的形成和发展。具体实施中要结合具体的物理学习和活动，创设真实的学习情境，注重学习者的积极思维、自主探究、自我体验、自我反思以及在真实情境中的应用。物理教材中经典的原理与规律需要教师结合当前科学发展现状和生活常识去引导学习者探究和构建新知识，而信息技术可有助于教师。因此，信息化学习环境下通过信息技术创设学习情境既可以为学习者提供学习支持，也可以有效激发学习者的学习动机，促使学习者进行主动科学探究和协作学习。
在科学教育研究中可以看到所有年龄和阶段的学习者在科学概念和科学探究学习中普遍存在困难和问题。由于学习者对自然世界中的科学术语和知识结构存在误解，甚至是无法理解，他们也就难以把自己的原有经验和真实世界有效结合起来去解释科学概念，更难以进行有效的科学探究活动[10]。教师在科学教育中创设学习情境有利于学习者精确理解科学概念，促进学习者接受并转变科学概念[11]。信息技术支持的学习情境通过提供真实的探究实验可以为学习者提供科学学习经验，如计算机仿真实验等[12]。在科学探究学习中把真实情境和计算机仿真情境结合起来不仅可以有效促进学习者的科学概念转变，帮助学习者修正和厘清对科学概念的片面认识，还可以提升学习者的科学探究能力[13，14]。信息技术可以模仿真实的科学过程和实践，基于真实世界可视化抽象概念，因此信息技术支持的学习情境具备便捷性、安全性、低成本、灵活性、出错少及动态数据显示等优点[15]。
基础教育阶段科学课程改革更加强调在学习中给学习者提供日常生活经验，因此学习者在科学学习中需要真实的学习情境。信息技术支持的学习情境来源于真实的自然界和社会生活情境，因此，在科学课程学习中运用新的信息技术就可以建立有真实感的情境化科学课程[16]。信息技术创设的模拟情境、游戏情境、虚拟实验情境等可以模拟真实的科学现象，有些科学现象是比较微观、抽象的，传统学习中学习者难以观察到这些科学现象，还有些科学现象甚至是比较危险的。信息技术支持的学习情境支持学习者进行科学探究和思维加工，并鼓励学习者通过互动和协作完成探究任务，最终实现对科学概念的深度理解和科学本质的高级认识。
1.1.3 提升科学教师信息化教学能力的必然要求
科学教师是科学教育的主体，是决定学习者科学学习成效的关键因素。要深入推进科学教育和教学改革，必须转变科学教师的教学思想和教学方式。在数字化学习时代，学习者的技术适应性和实践能力要优于教师，教师在信息化学习中要实现与学习者的同步对话，就必须学习和接受新的教育思想，因此目前科学教师的培养方式急需转变。信息技术在学校教学中的应用越来越普遍，但目前并没有被有效应用到科学学习中，信息技术没有真正和科学课程深入融合[17]。
科学教育指导方针和标准指出，培养学习者的科学能力应开展以学习者为中心的科学学习，创设环境支持学习者理解科学概念，提供学习者学习和探究实践的机会[18-20]。科学教师TPACK(technological pedagogical content knowledge)框架包括技术知识(technological knowledge，TK)、内容知识(content knowledge，CK)、学习知识(pedagogical knowledge，PK)、学习内容知识(pedagogical content knowledge，PCK)、技术内容知识(technological content knowledge，TCK)和技术学习知识(technological pedagogical knowledge，TPK)，所有的知识应该基于特定的情境中才是有效的，只有通过信息技术创设真实情境才能提升教师的信息化专业素养和学习能力，最终确保具有较高的教学效果[21-23]，教师可以利用信息技术支持教学改革[24，25]。学习者掌握科学知识必须在真实情境中认识、使用和解释自然界的科学现象，发现并评价科学证据和认识，理解科学知识的本质和发展，富有成效的参与科学实践和对话。信息技术有效整合到课程学习中可以使学习发生在真实情境中，这样的学习会更有效。利用多种环境传授学习内容和技能有助于学习者将知识内化。
传统的课堂学习依然是学校教育的主要学习形式，教师应该充分的利用信息技术支持传统的课堂学习，为学习者创设数字化学习情境，提升学习效果，促进学习管理。但教师要主宰学习方式的应用，技术不能替代教师的作用。教师在传统学习中更多强调被动学习的重要性，如果教师能接受并积极开展教学方式改革，他们在教学中就会重视并鼓励学习者积极参与和主动学习。美国国家教师教育技术标准(National Education Technology Standards for Teachers，NETS-T)指出教师应该具备把技术整合到教学中的能力。NETS-T提倡教师利用技术支持学习者知识建构、培养创造性能力、支持探究、发展批判性思维以及问题解决的能力。学习情境的本质在于可为科学教师整合科学教学和教育技术提供进一步的学习环境支持。在学习情境中，支架和其他形式的社会支持扮演着明显的角色。因此，信息化学习情境创设对提升科学教师信息化教学能力具有重要作用。
1.2 研究目的与研究意义
1.2.1 研究目的
在科学教育领域对信息化学习情境支持下的科学学习研究还处于起步阶段，通过研究缘起的分析可知信息化学习情境对科学学习的重要性，本研究目的在于建构信息化学习情境支持下的科学学习理论基础，探讨信息化学习情境支持下的有效科学学习模式，基于实证研究分析信息化学习情境支持下的科学学习与传统课堂的科学学习对学习者学习效果的影响。
1.2.2 研究的理论意义
本研究在信息化学习情境支持的科学学习理论研究方面，具有以下研究意义。
(1)厘清信息化学习情境支持的科学学习理论基础。
目前国内外对于信息化学习情境支持的科学学习理论研究较少，但国外对于科学学习理论研究关注较多，大多研究基于情境学习理论、建构主义学习理论的视角进行单方面的理论分析，没有结合信息化学习情境等进行系统阐述，本研究通过文献梳理进一步厘清信息化学习情境支持下的科学学习理论基础。
(2)完善信息化学习情境支持下的科学学习模式。
科学学习模式是帮助学习者达到最佳科学学习状态的方法，目前关于信息技术支持的科学学习模式的研究存在不足，尚未有比较理想的信息化学习情境支持下的科学学习模式，这不仅会影响学习者有意义的科学学习，也难以保证教师的教学效果。因此，本研究基于信息化学习情境支持下的科学学习理论基础总结出信息化学习情境支持下的科学学习模式，科学学习模式灵活应用到学习者的科学学习中，这需要科学教师在学习实践中发挥自己的学习智慧不断总结经验，以学习者为中心，充分利用信息技术的优势促进学习者有意义学习为宗旨，最终实现学习者的科学知识转化。因此，信息技术不能停留在传统课堂中发挥传递信息的功能
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