提升小学生自然观察能力的手账App开发
项目负责人：李燕勤
项目组成员：金鹏 马祎曦 何喆 林滢珺
指导教师：吴娟
摘要：本项目是中国科学技术协会主办的2018年度研究生科普能力提升项目，从对小学生观察能力的研究及培养工具的现状入手，展开了一系列的工作，如调研、方案设计、内容设计、原型设计、论文撰写、微信小程序开发等。从教育技术领域专家、准科学教师、一线教师、小学生、国内外学者的评价及反馈中可以得知，本项目所开发的自然观察手账小程序能有效提升小学生的自然观察能力和科学探究能力，激发小学生对自然观察的兴趣，是一款具有新意、有使用前景的教育类移动应用。
一 项目概述
中国学生核心素养对教育教学提出了新的要求，培养全面发展的人成为教育工作者共同的追求，培养符合21世纪时代要求的新型创造性人才，是时代对人才培养的期待。
观察能力能够帮助学生更好地认识世界，也是提高学生能力、培养学生创造性的重要途径。观察力是智力的重要组成要素，与记忆力、思维力、想象力、创造力共同构成学生的五个基本能力。观察是实验探究的基础，因为在探究自然事物的活动中，首先要在认真观察周围常见事物的基础上发现问题，然后经过思考，再通过实验验证，最后才能得出正确、科学的结论。并且，在实验探究的过程中，认真细致、实事求是的观察又伴随探究过程的每个细节。因此，观察能力的培养直接影响其他能力的培养。作为一种重要的科学研究方法，观察是一切科学研究的源头，也是任何新发现、新发明的入口。体现在学生的科学探究过程中，观察是进行探究的第一步，是在后续全部探究过程中需要用到的一种方法。
《义务教育小学科学课程标准》（2017）在其科学探究目标部分强调，“在教师指导下，能从具体现象与事物的观察、比较中提出可探究的科学问题”，在其科学知识目标部分强调，要“观察、描述常见物体的基本特征”。小学生对周围的事物听觉、视觉、嗅觉的观察，能丰富他们对事物的认知，锻炼他们勤于动脑、善于思考的能力，锻炼他们逻辑思维的能力。对小学生来说，观察能力的培养既有必要性，又是比较容易进行、比较容易为小学生所接受的。
调查研究显示，中小学生的观察能力与观察教学主要存在以下六个问题：学生对观察的相关认知较贫乏；观察缺乏计划性与条理性；在观察过程中缺少质疑：观察活动不能持久；不能很好地做观察记录；教师的观察教学活动较少。
虽然观察能力是智力结构中的基本内容，是学生的基础能力之一，科学课程标准也十分强调科学观察的重要性，但是小学生观察能力的水平与观察能力教学的现状却不容乐观。究其原因，该现状和教师观念与学校评价制度不无关系，教育界对观察能力培养的研究深度与广度较为欠缺也是重要原因之一。
观察活动是学生获取感性认识的基本途径，是一个发现、分析与解决问题的探究过程，这种始于问题的观察有利于学生学习兴趣的激发。教师要让学生亲身经历以探究为主的学习活动，从中学会运用正确的方法进行观察，逐步养成自然观察的习惯和良好的科学态度，增强学生对科学奥秘的兴趣，从而提高学生认识世界的能力。
综上所述，本项目从培养学生对自然的观察能力入手，开发自然观察手账小程序（本项目立项时预期开发App，后考虑到微信小程序在传播、使用、开发方面的优势，改为开发微信小程序，二者形式不一，但功能和目标一致），使小学生能够便捷、灵活、随时随地地记录观察自然的手账，以此鼓励、引导学生观察周围的世界，帮助小学生学会观察、热爱观察，记录观察的所见所得。在记录手账的过程中，小学生的自然观察能力、科学探究能力均得到相应提高，进而促使他们较好地达到科学课程标准中对科学观察能力的相关要求，也使他们能够适应未来社会对人才的基本素养的需求。自然观察手账系统包含三大功能模块：手账制作、个人中心和交流社区。各模块还包含一些特定的功能。在手账制作模块中，用户需要先根据自己所在的年级选择年段（低年级、中年级、高年级），年段代表相应的难度。然后再选择观察的主题，如“今天吃什么”“探索你的家”“一起去郊游吧”等，每个观察主题下有五个观察题目，用户可根据实际情况选择对应的观察题目。在特定的观察题目之下，学生首先需要阅读引导性文本，了解相应的背景知识和观察需求，而后对所处的自然环境进行切身的观察，最后在手账小程序中进行手账创作。在个人中心中，用户可以管理自己发布过的手账，将手账分享到交流社区，还能查看自己收藏过的手账作品。在查看手账作品时，用户能同时看到他人对该作品的评价，并且能将手账作品下载到本地进行保存。在个人中心中，用户还能查看自然观察手账的评价量表，明白要制作一份好的手账作品，需要考虑哪些因素，可以从哪些方面入手，还能对自己的作品进行评价。交流社区即为手账的展示广场，用户在完成手账制作后能将手账分享到社区，所有用户都能查看并留言、收藏（见图1）。
图1 自然观察手账系统功能
之所以选择自然观察手账应用来开发这一项目议题，一则是基于自然观察的重要性和自然观察实施欠缺的现实；二则是考虑到手账在记录日常生活感悟中的生动性和创造性；三则是希望借助App这种易于获取、传播、表现形式多样的电子产品帮助小学生通过记录自然观察的手账，更好地培养其观察能力。
为了实现以上所介绍的功能，本项目围绕以下十个内容展开进行。分别是：
①观察题材的选定；
②遵循循序渐进原则的题材顺序的设置；
③体现科普功能的引导性文本的选取（设定第一个学习支架）；
④体现观察过程、探究过程的手账模板设计（设定第二个学习支架）；
⑤原型设计；
⑥小程序功能模块（手账制作、交流社区、个人中心）的实现；
⑦手账制作小工具（文字编辑、图片插入、贴纸）的实现；
⑧UI美化；
⑨评价体系的建立；
⑩小程序的测试和使用。
在整个项目的进行过程中，一方面要完成对小程序所预期的各项功能；另一方面，项目各阶段的流程开展要具有可操作性，前面阶段的工作是后面阶段工作的基础和前提。本项目的研究过程见图2。
项目研究过程可以分为五个部分：内容设计、原型设计、小程序开发（App开发）、评价体系设定和测试使用，最后还有收集数据进行准实验研究。由于项目持续时间较短，准实验研究这部分工作暂时还没有开展。在项目结束以后，项目组成员还将继续改善该自然观察手账小程序，并将该移动应用投入课堂使用，收集来自小学生的第一手数据，进行准实验研究，证实该手账小程序在提升小学生自然观察能力上的有效性。
在内容设计阶段，需要设计出能引起小学生兴趣、有实践可行性的观察主题和各主题下的题目，每个题目下都包含一定的学习支架，这些支架使得学生在进行自然观察之前对所要观察的事物有大致的认识，并且了解自己的观察指向，有目的地展开观察。在小程序开发之前，需要先进行原型的开发，将各个功能分配到不同的页面，为每个页面的布局进行规划，并确定不同页面之间的跳转关系。除此之外，原型设计阶段还要依据内容设计部分所规划的观察主题，设计出符合观察主题的贴纸和符合支架的模板页面。在小程序开发阶段，三个模块功能的实现是重点，在实现功能的过程中，用户界面的美化也是必要的。再接着是评价体系的设定，包括用于学生进行自然观察能力自我评价的问卷以及他人对学生手账作品的评价量表。最后，在实现手账小程序的整体功能以后，再对小程序进行测试，依据每次的测试结果进行相应部分的修改和完善，使小程序更加符合小学生的使用习惯和自然观察的主题。
图2 项目研究过程
二 研究成果
本项目的研究成果包括2个观点、2个方案、1个原型、1篇论文以及1个移动应用。
（一）观点
1.半结构化访谈
对3名专家、10名准科学教师进行半结构化访谈，初步认为该手账App（后改为微信小程序）有助于提升小学生的自然观察能力及其他科学素养。
访谈结论如下。
①访谈对象普遍认为该手账App所关注的研究主题——观察，是十分基础且重要的，该原型设计总体上符合观察活动的特征。
②小学生有足够的认知与操作能力来使用该App。在手账模板的一步步引导下，学生在进行观察活动时能更有目的性和方向性，有利于为参与者进行自主学习提供辅助支持。
③该自然观察手账App能逐步提升小学生的自然观察能力，逐步养成自然观察习惯和良好的科学态度，增强学生对科学奥秘的兴趣，从而提高学生认识世界的能力。
2.小程序使用调研
在开发好手账小程序以后，除了让项目组成员和导师进行使用测试以外，还让教育技术领域专家、一线小学科学教师、小学生使用了该自然观察手账小程序。
调研从四个维度展开：小程序的使用体验和用户需求的满足情况、使用难度和设计合理性、对小学生的兴趣和观察能力的提升情况、小学生的使用意愿。每个维度包含2个问题。自然观察手账小程序调研内容与结果见表1。
表1 自然观察手账小程序调研内容与结果
表1 自然观察手账小程序调研内容与结果-续表
（二）方案
1.观察题目、主题和引导性文本的设计
这部分内容确定了7个观察主题、前3个主题中45个题目的设置、引导性文本设计。
2.自评问卷和他评量表的确定
学生对自然观察能力的自我评价问卷，参考的是台湾地区学者周鸿腾所提出的《学生自然观察智能与仿生设计能力自评量表》中的自然观察能力自评部分（见表2）。对学生的手账作品进行评价时所参考的是波特兰州立大学的Karinsa Michelle Kelly在硕士论文中所提出的自然观察记录作品评价量表（见表3）。
表2 学生自然观察智能与仿生设计能力自评量表
表2 学生自然观察智能与仿生设计能力自评量表-续表
表3 自然观察记录作品评价量表
（三）原型
原型包含小程序操作页面的整体功能设置、布局，展现页面之间的功能跳转情况，使用xiaopiu App制作而成。现已将原型设计设置为公开，读者可依据个人需要进入https：//www.xiaopiu.com/h5/byId？type=project&id=5d6d160b62ad1e4d5efcdf8a下载。
（四）论文
在原型设计和对原型设计的半结构化访谈的基础之上，我们撰写论文介绍该手账App之功能、预期与使用者评价，题为《小学生自然观察手账App的原型设计》，被第23届全球华人计算机教育应用大会（GCCCE 2019）收录。由于篇幅限制，读者可自行至大会网站——http：//it.ccnu.edu.cn/GCCCE2019/home.html查阅论文。
（五）移动应用
本项目由原先的App开发改为小程序开发，之所以改变产品类型，是因为考虑到微信小程序在使用、获取、传播方面的便捷性和快捷性。虽然产品类型改变了，但内容实质不变，指导理念和功能目标也都不变。
自然观察手账小程序包含三大功能模块：手账制作、个人中心、交流社区。三个模块的功能在第一部分内容中已经详细介绍过，此处不再赘述。图3至图5分别是手账广场、手账个人中心和手账制作界面。
图3 手账广场界面
图4 手账个人中心界面
图5 手账制作界面
三 创新点
本部分将对研究成果所具备的创新点一一介绍。
（一）观点
对“提升小学生自然观察能力的手账App原型设计”进行的半结构化访谈，收集了来自专家、学科教师的第一手资料，从而为该手账的设计及开发提供立论支持，为后期的准实验研究提供研究假设。更重要的是，访谈对象在访谈过程中所提出的许多有价值的建议都是后期改进的参考点。
自然观察手账微信小程序的测试使用调查，使我们对该手账小程序的用户使用感受有了更深的体会。从与一线教师和小学生的言谈中得知该手账小程序具备可用性、创新性，能极大地激发小学生进行自然观察的兴趣，方便对教师和学生展开自然教育。
（二）方案
观察主题、观察题目、模板设计以及素材设计，确定了内容设计部分的大体框架，符合小学生的认知特点。观察主题和观察题目大多是小学生喜闻乐见的，都是他们在生活中便能轻松进行的活动，具备可行性。各个观察题目所对应的模板，包含背景图片、引导性材料和引导性题目，以及各种贴纸素材，风格多样而具备童趣，能有效激发小学生的学习热情。
在评价这一环节，我们找到了合适的对自然观察能力进行评价的方案，包括学生对自我进行的评价，分为“感受”和“具体观察行动”2个维度，每个维度包含3～4个问题。而手账评价量表是他人对学生手账作品的评价，通过对手账作品的评价间接地了解学生的观察能力，该量表分为3个维度，分别是准确性、细节和量化数据。这两个量表为学生、教师、家长及科普人员提供了评价观察活动开展效果、学生作品完成情况的参考标准。当然，这两个量表不是固定不变的，评价者可以根据学生的实际情况进行调整，有些维度可以舍弃，还可以添加一些符合实际观察对象、观察环境和学生评价的维度。
（三）原型
原型设计将小程序所要实现的功能、页面的布局和链接跳转情况展示出来，便于小程序开发的技术实现。在进行原型设计的过程中，小程序的各个功能得到了更加明确细致的划分，系统的工作流程、数据的流动方向、数据库存储和提取的设置都更加清晰，使得后期的开发更加顺利。
（四）论文
在《小学生自然观察手账App的原型设计》这一论文中，我们从对观察能力的研究及培养工具的现状入手，确立了研究内容的依据，并基于系统的功能模块和数据流图对App系统架构进行了原型设计。为了确认手账App在提升小学生自然观察能力方面的作用和价值，项目组还对3名专家及10名职前科学教师进行了半结构化访谈。结果显示：自然观察手账App既能为小学生自然观察活动提供辅助引导，提升小学生的自然观察能力，又具有发展科学探究能力、提升科学素养的潜力。
（五）移动应用
将App改为小程序，更加便于传播和日常使用，三个模块的功能相辅相成，有助于自然观察记录的实现，培养学生的观察能力。
与传统的纸质版自然笔记相比，该自然观察手账小程序是信息化的教学辅助工具，在传播、存储、创作形式，以及修改、反馈上都有更大的优势。目前许多科学教育领域的教育类移动应用关注的多是具有显著观察效果的可见、可操作的实验，少有关注自然观察、自然教育的移动应用，大多不是跨时较长、关注过程性技能的实验。本项目所开发的自然观察手账小程序，鼓励情境化的教学，学生在自然环境中展开观察、提出问题并尝试解决问题。在创作手账的过程中，学生不仅能充分地发挥个人的文字编辑和图案美工技能，还能与同伴进行分享，在社区交流平台上互相学习、共同进步。
科学观察的记录与日常琐事的记录不同，它更关注科学性和逻辑性。每个观察题目所对应的模板都在一定程度上体现了科学探究的性质，有的包含了科学探究的部分流程，有的包含了完整的流程（提出问题、做出假设、收集数据、分析整理数据、得出结论、交流讨论）。但毕竟手账是一种记录工具，支架的提供需要适量，否则会使学生的认知负荷过重。
四 应用价值
本项目的成果有观点、方案、论文，还有移动应用程序，这些成果都是围绕自然观察和手账记录展开的，每一项成果对自然教育的科普工作都有建设性的应用价值。对于未来的科普工作，本项目中最具有应用价值的成果当数移动应用程序，即自然观察手账小程序。
自然观察手账小程序能很好地体现循序渐进、启发诱导的科普功能。用户在使用该小程序的过程中，需要有观察周围世界美好事物的眼睛，在类似于学习单的模板的引导下，用户能亲历观察、探究过程的流程，调动视、听、嗅、尝等所有感官，在观察的现场用图片或视频记录当时的场景，用文字在一旁简单注释、写下感受，如有疑问可标注在一旁，后期通过查阅资料、搜索观察事物的特征与奥秘来补充手账。整个流程能充分调动用户的所有感官和灵感，使其专注于观察、记录，逐步提升自身的观察能力及寻找美、发现美、探究美的能力。观察越多，感受越多，理解就越深入，原本那些孤立的事物，也会因为观察的增多而变得熟悉、亲切起来。随时随地、每时每刻地感受与周遭世界的关联，孩子们对大自然、对自己生活环境的理解和认识会日益深刻，在与他人分享认识和感受时，其表达能力也得到提高。
观察手账还是一种有价值的学习方法。观察手账中事实、数据、图像等基础信息进入学生的大脑后，经过加工处理分散到大脑的不同区域，图像的加工处理存在于我们负责创造和情感的右脑，而右脑已被科学家实验证明具有神奇的记忆能力。因此观察手账体现了左右脑并用的学习方法，有助于形成用左右脑来思维的习惯。
在使用微信小程序进行科学手账记录的过程中，用户不仅能使用文字、图片、视频轻松记录观察的所见所得，借助图案画笔、贴纸、背景图片等工具美化手账编辑界面，还能分享个人作品到社区交流平台，并与他人在社区平台上进行交流互评。小程序的管理人员、学生家长以及学校科学老师，都能给学生的手账作品点赞或发表评论，通过评论功能回答学生的问题、引导学生自主解决问题、激励学生进行下一步的观察探究活动等。从这个角度来说，自然观察手账可以作为校内科学课程以及科技场馆的辅助教学工具，帮助老师（特别是科学老师）和科普人员引导学生积极有效地进行观察活动。当然，学生也可以把手账当作个人隐私作品，在完成手账创作后将手账保存到个人空间，设定浏览权限。
本项目的最终目标在于教小学生如何做自然观察的科学笔记，同时提出一种学习思路、一种学习观察的方法，并在此过程中有力地提升小学生的观察能力。该自然观察手账小程序到目前为止，功能大体实现，但有些细节还不是十分完善。后期我们将会继续完善小程序的细节，并把小程序真正投入使用，了解小学生在使用该手账小程序过程中的真实情形。我们还会为该自然观察手账设计对应的自然观察课程，开发出配套的教师资源和学生资源。实践出真知，愿该项目的成果在未来的科普教育中发挥其最大的成效。
参考文献
1.高蕾，张净银.中韩小学科学课程标准中科学素养的比较分析［J］.天津师范大学学报（基础教育版），2019（2）：29-33.
2.颜永平.小学科学教学中观察能力的培养研究［J］.小学科学（教师版），2018（4）：34.
3.尹坤玉.初中生观察能力培养的研究［D］.武汉：华中师范大学，2012.
4.周鸿腾，王顺美.引导式仿生教学对大学生自然观察智能与仿生设计能力之影响［J］.环境教育研究，2016（1）：1-39.
5.Kelly K M. Science Journals in the Garden：Developing the Skill of Observation in Elementary Age Students［Z］. ProQuest Dissertations Publishing，2013.