5G助力素養導向下的“地球與宇宙”教學

張懿

小學科學是以培養學生的科學核心素養為要旨的基礎性課程。《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課程標準》）順應當今世界科學技術發展潮流，進一步豐富和完善了“課程實施”部分的課程資源開發與利用等內容，明確指出科學教師要有選擇與組合課程資源的意識和能力，充分利用網絡技術和資源、利用信息技術輔助手段促進信息技術與科學學習深度融合，進而推動科學教學的有效進行，促進學生核心素養的形成和發展[1]。小學科學“地球與宇宙”科學領域所研究的有關現象、事物和規律具有時間和空間的復雜性，教師開展相關教學能有效發展學生的空間想象、邏輯思維、邏輯推理等能力。由于該領域內容在教學方法、方式上，明顯有別于物質科學、生命科學等領域，不能直接用研究對象做實驗，而較成熟的實驗項目和儀器比較少，因此教學難度較大。第五代移動通信技術（5G）的誕生和應用有望解決這一難題。5G是具有高速率、低時延和大連接特點的新一代寬帶移動通信技術。5G正在引發教育教學變革，促進全息技術、高清視頻的應用以及VR、AR等教學形態的涌現。5G的應用有利于學生調動多個感官、通過多種媒介協同參與學習過程，促成其他技術手段在學習環境中的“超快獲取”“超多連接”“超強可靠”，可以有效改善一些新型數字資源需要從服務器端調用過大視頻、高清圖像以及復雜交互功能等所附帶的延遲、卡殼、低清晰度等狀況[2]。科學教師在5G環境下實施“地球與宇宙”教學，可以有效提高教學效率。下面，筆者以教科版科學六年級下冊“宇宙”單元“探索宇宙”為例，介紹在科學核心素養導向下，5G如何助力小學科學課堂教學。

一、通過“VR+”獲取科學事實，形成科學觀念

科學觀念是科學學科本質屬性的集中體現。科學觀念由科學概念發展形成而來，科學概念由科學事實概括抽象而來，因此科學觀念的形成離不開科學事實的獲得。地球是太陽系的一顆行星，也是目前人們認識到的宇宙中唯一適合人類生存的天體。“地球與宇宙”科學領域知識是引導學生認識自然的重要內容，但宇宙天體多是宏大的且遙不可及，常態環境下教師讓學生親自感知、獲取相關科學事實是非常困難的。學生實際觀察的宇宙天體，除了造成日夜交替的太陽、夜間的月相外，大概就只有夜晚漫天的星星了。宇宙到底有多大？它有怎樣的特點？對于“地球與宇宙”科學領域課程內容，教師要充分利用5G強大的通信能力和VR等技術手段引導學生通過體驗、觀察、綜合與分析來獲取科學事實，進而為學生形成正確的宇宙觀、自然觀、人地協調的可持續發展觀奠定基礎。

教師講授“探索宇宙”時，不僅要指導學生利用VR技術探索宇宙，通過虛擬環境給學生以宇宙環境的沉浸感和畫面感，借助計算機圖形技術調動學生的視覺、聽覺、運動覺等多種感知，在實時動態的三維圖像中真切感受宇宙的特點，而且要引導學生從地球出發，由遠及近地穿越地月系、太陽系、銀河系等，在切身經歷中逐步建立對宇宙中各天體系統及其關系的認識。

VR技術的應用為學生探索宇宙提供了便利。但在教學中，對于科學事實的獲取，教師不能只依賴VR技術讓學生在虛擬現實體驗中獲得直觀感受，而要通過“VR+”的形式，將VR技術與超高清圖片、文字資料等其他教學資源相結合，引導學生從獲取的大量科學事實中對其進行科學概括，進一步建構和完善科學認知。如在學生穿越宇宙后，教師可提供地月系、太陽系、銀河系、河外星系、總星系、宇宙等各天體系統圖片，出示關于各天體系統的文字介紹。學生結合虛擬現實體驗中的“記憶”和文字信息，描述（辨別）圖片并指認各天體系統名稱，了解各天體系統的特點，并用韋恩圖表示天體系統間的包含關系（如圖1）。

按照上述做法，教師使用VR技術創設虛擬宇宙環境，讓學生通過感官初步感受宇宙，了解各天體系統的關系;再通過“VR+”的形式，根據教學目標進一步引導學生積累科學事實、進行科學概括，在空間廣度和天體系統包含關系方面深化學生對宇宙的認識。

二、基于數據分析建構模型，培育科學思維

科學思維是適應現代社會發展最重要的思維方式，《課程標準》要求學生在學習中掌握基本的思維方法，具有初步的科學思維能力。科學思維方法包括分析與綜合、比較與分類、抽象與概括等，對“地球與宇宙”領域而言，學生要學會合理分析與綜合判斷各種信息、事實和證據，運用證據與推理對研究的問題進行描述，理解模型、建構模型。

如在探討“宇宙到底有多大”時，學生在虛擬現實中觀察到的情況與科學家用天文望遠鏡觀測到的結果頗為相似，并沒有看到宇宙邊緣。這時，教師可借助5G規避一些以往人機交互出現的延遲、卡殼等現象，通過云端數據庫依次出示日地距離、光速等資料：

日地距離平均值為14960萬千米。

光的傳播速度約30萬千米每秒。

銀河系直徑約10萬光年。

光年就是光在一年中所走的距離，它是用來計量恒星間距離的單位。

學生使用平板電腦的計算功能對數據進行處理，計算太陽光照射到地球需要的時間、銀河系直徑的千米數，對數據進行分析，對宇宙進行量化描述，用聯想與想象的思維方法建構宇宙模型，理解宇宙的廣袤。

學生計算后發現，用千米作為單位，銀河系直徑為300000 × 60 × 60 × 24 × 365 × 100000=946，080，000，000，000，000千米。學生感覺這個數字巨大，但缺乏實際的感官體驗。教師順勢指出：如果繼續計算，還可以得出，如果乘坐飛行速度為800 km/h的飛機穿越銀河系，需要1350億年才能穿越，這個時間接近于地球現階段年齡的30倍。

云端數據庫收錄了部分科普著作片段，教師在課堂上出示這些資源時可以在5G助力下實現“超快獲取”。例如，學生在虛擬現實中觀察感受到宇宙的膨脹，質問“這種膨脹真實存在嗎”。此時，教師通過云端數據庫出示史蒂芬·霍金在《時間簡史》中關于膨脹的宇宙的論述，讓學生明白宇宙的膨脹就如同在地表引燃火箭，如果它膨脹得相當慢，引力就會使之最終停止膨脹然后開始收縮，但是如果它以比某一臨界值更大的速度膨脹，引力則不足以使它停止膨脹，宇宙就會繼續膨脹下去[3]。教師引導學生結合科學著作中的文本進行分析與論證，解答學生的疑惑，啟發學生學習科學家的思維方式。學生參與數據分析和文本分析活動，有利于提高科學思維能力。

三、App檢索助力學生自主學習，促進科學探究

探究既是學生進行科學學習、發展科學素養的主要途徑，又是科學素養內涵要求的關鍵能力之一。探究能力包括科學分析能力、技術與工程實踐能力、自主學習能力。不同領域、類型的課程內容適用于或偏重于某些能力的培養。對于“地球與宇宙”領域中一些既不適合科學探究又不便于開展技術與工程實踐的課程，教師不妨充分調動學生的主觀能動性，著重對學生的自主學習能力進行培育。

如“探索宇宙”中，關于人類對宇宙的探索，教材列舉了幾種典型的太空技術成果，但紙媒呈現的畫面有些失真，學生學習興趣不高，認知困難。師生應用Solar Walk App后，畫面失真等問題迎刃而解。該App可以完整呈現航天器，結合逼真的3D航天器進行介紹，尤其在5G的加持下可以更加直觀、流暢、動態地呈現航天器特征，展現世界太空科技成果。除此之外，學生還可以使用該App檢索星系視圖、衛星圖，從不同的位置觀察太陽系行星方位，課后進一步自主學習相關知識。

基于這樣的發現，在課堂教學中，教師簡要介紹了Solar walk App的使用方法和要求，引導各組學生利用Solar walk App完成“斯普特尼克1號”人造衛星、“探險者1號”探測器、“東方1號”宇宙飛船、“哈勃”空間望遠鏡等航天器的檢索任務（如圖2至圖4），并摘錄關鍵詞，用自己的語言進行描述。教師通過任務驅動學生自主學習，培養學生的技術應用能力、資料收集能力、處理信息能力、交流表達能力，培養學生的數字化生存能力，使其適應社會信息化的發展要求。

在小組匯報學習成果之后，教師引導學生按照時間順序將上述太空技術成就進行排序，出示首架航天飛機——“哥倫比亞號”航天飛機、最早的空間站——“禮炮一號”空間站，補全并完善典型太空技術成就排序。

Solar walk App的應用點燃了學生對太空技術的研究熱情。為拓展學生對太空技術的認識，教師布置了課后自主學習任務供學生自選完成：學生可每3人或4人自結為一組，在Solar walk App可輔助的范圍內，自主確定檢索與學習的目標，確定學習與分工策略，督促與落實學習過程，反思總結，并在期末自愿報名參與集中宣講活動。

四、利用高清視頻呈現科學史實，涵育態度責任

《課程標準》全面落實有理想、有本領、有擔當的時代新人培養要求，強調學科課程要體現中國和中華民族風格、體現國家意志和民族基本價值觀、體現人類文化知識積累和創新成果，堅持德育為先，增強課程的思想性。這就要求科學教師要努力挖掘相關教學內容，找準學科課程與態度責任目標的契合點，揭示科學學習和態度責任培育的內在聯系，通過有意識而又自然的態度責任滲透將相關主題教育有機融入課程。

科學報國是一代代中國科技工作者堅定的理想信念。從無人登月取壤返回、探測器著陸火星，到神舟十三號、神舟十四號飛船接連成功發射，我國航天部門在發展科技的同時，也正一步步將普通人的目光引向宇宙深處。做教學設計之前，教師分析教材，思考如何培育學生的態度責任，發現“探索宇宙”教學目標中“了解我國空間技術的最新發展”與態度責任目標中愛國主義教育存在交集，進而將其作為培育學生“科技自立自強”和“科學報國”的態度責任的載體。課堂上，教師在帶領學生回顧太空技術成就后，播放我國航天神舟系列運載火箭的高清視頻，并指出，百多年來，無數科學家和工程專家為實現人類探索宇宙的偉大理想進行了前赴后繼的艱苦奮斗。教師接著介紹我國天文學家、中國科學院前國家天文臺研究員、“中國天眼之父”南仁東，通過高清視頻呈現南仁東等科學工作者“干驚天動地事、做隱姓埋名人”、懷揣“科學沒有國界，但科學家有祖國”的科學志向的勵志故事，通過師生互動和“我為先驅寫彈幕”等形式，帶領學生向科學前輩致敬，表達崇高敬意，立志科學報國，讓家國情懷的幼苗扎根學生心田。這對促進學生理解科技自立自強，培育學生科學報國理想信念，增強民族自豪感具有積極意義，對態度責任等素養提升的落實、落細具有重要作用。

宇宙是宏大而神秘的，太空技術伴隨人類文明不斷發展。此次“地球與宇宙”科學領域教學中，教師充分利用VR等信息技術，攻破了學生在空間模型建構、科學史實學習中的“天然”距離屏障，為落實包括科學觀念、科學思維、探究實踐、態度責任四個方面的學科核心素養發展要求提供了新范式。同時，這里需要強調以下幾點：一是5G只是輔助手段，切不可唯技術手段、重技術手段，不可因技術手段的應用而導致教學活動偏離教學目標;二是5G的應用要融入啟發式、探究式、互動式等教學過程，應使5G創生的新教學形態與傳統教學在育人功能上保持同向性;三是5G有鮮明的時代性，但其中一些手段在教學中應用尚不成熟，教師在使用前要進行驗證，要時刻保持審慎意識，確保相關內容的科學性、時效性、思想性;四是對于多終端設備（如平板電腦等）的使用，教師要介紹使用方法，規范學生行為，同時確保設備使用行為可監控、易管理。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準 ：2022年版[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2] 趙興龍，許林，李雅瑄.5G之教育應用：內涵探解與場景創新——兼論新興信息技術優化育人生態的新思考[J].中國電化教育，2019（4）：5-9.

[3] 史蒂芬·霍金.時間簡史[M].許明賢，吳忠超，譯.長沙：湖南科學技術出版社，2010.

（作者系首都師范大學初等教育學院碩士研究生）

責任編輯：祝元志