通過《地球的結構》課教學引導學生掌握系統與模型跨學科概念

◇屠 琴（浙江：舟山市定海區舟嵊小學）

《義務教育科學課程標準》于2022年4月正式頒布，新課標明確提出了學生在義務教育階段應該掌握科學課程設置的13個學科核心概念和4個跨學科概念。其中，系統與模型是科學教育高度關注的跨學科概念之一。所謂“系統”，是科學家為了研究方便，將屬于世界的其中一小部分，在概念上劃分出獨立的、用于調查和研究的單位；“模型”則是根據研究問題對系統進行必要的簡化，用適當的形式表征該研究問題下系統的主要特征，從而實現科學解釋或工程學設計的目的。

在我們的小學科學課程中，小到物質的結構與性質，大到地球系統、宇宙天體運動都需要借助系統與模型來理解和解釋。以《地球的結構》一課為例，本課的探究實踐目標就是通過制作地球結構模型模擬地球內部圈層結構。為實現這一教學目標，我們從以下三個階段科學安排學習進階。首先，提煉系統特征。對照新課標學生需要知道地球內部結構分為地殼、地幔、地核三個圈層，了解構成地殼的主要巖石類型，了解各圈層的厚度、溫度及物質組成都是不一樣的。其次，制作實物模型。根據了解到的系統特征，通過制作實物模型，模擬地球內部的圈層結構。最后，理解系統模型。借助系統模型來理解地球內部圈層特點和地殼運動。圍繞以上三個階段的學習內容，教師規劃一系列的學科實踐活動，有意識地引導學生掌握系統與模型跨學科概念，使之成為直觀解釋地球系統的有效工具，具體的學科實踐活動如下。

一、以大單元教學方式，發布項目任務

新課標所倡導的跨學科概念是在學習學科核心概念的過程中自然形成的。以大單元為整體教學，有助于將系統與模型這一跨學科概念內化為連貫的、整體的認識。《地球的結構》是教科版科學五年級上冊第二單元“地球表面的變化”的第二課，這一單元的課程內容指向的學科核心概念是“地球系統”。因此，教師以大單元為整體，發布項目任務，創設“學校地球科學展覽館”的大情境，根據每一課的課程內容規劃相對應的具體子項目任務。本課的驅動性任務是“做一個地球結構模型”來豐富“地球結構館”的展區內容。項目要求是：符合地球結構，越接近真實越好。通過真實項目任務的驅動，學生不僅僅要明確建模任務要求，更重要的是喚醒他們自主學習，主動認識地球系統的積極性。

二、組織參觀自主學習，初探地球結構

在教材中，本課的探索環節分為4部分相對獨立的內容，依次是了解地球的內部結構、了解地殼的組成、了解地殼的運動、做一個地球結構模型。但是，通過項目式學習，我們可以整合教材中分散的各部分內容。為此，在學生建模之前，教師精心布置了地球科學展覽館（如圖1），展館里既有地球內部各圈層資料，也有彎曲的巖層模型、巖石標本，還有上節課學生制作的地形地貌模型。展館里的資料呈現方式不僅有文字、圖片，也有視頻、模型和標本等。

圖1 地球科學展覽館展示內容

豐富的資料內容，多樣的呈現形式，畫廊式的參觀學習，每位參觀者都是一名孜孜不倦的求學者。學生用自己擅長的學習方法以關鍵詞或畫一畫的形式來記錄自主參觀學習的收獲（如圖2）。有學生記錄了“地球從外到內分為地殼、地幔、地核三個圈層”；有學生記錄了“地核厚度3470千米，地幔厚度2865千米，地殼厚度17千米”；有學生記錄了“地殼在不斷變化，斷裂，彎曲，傾斜”；有學生記錄了“沉積巖、巖漿巖、變質巖”……經歷獨立探究之后，可能學生了解到的地球結構信息是不完整的，甚至有偏差的。但是，初探地球結構，學生收獲的不僅僅是科學知識，更重要的發展了自主學習的能力。

圖2 學生的參觀記錄表

三、全班交流共享，整體認識系統

8分鐘的畫廊式自主參觀學習之后，絕大多數學生對于地球內部結構的認識仍停留在零散、片面的知識水平。接下來，全班交流分享的環節，就是相互補充的學習過程。教師引導學生運用分析、比較、綜合等思維方法，抓住地球結構建模的關鍵信息，學會尋找證據支撐自己的觀點。當學生僅僅提到某個圈層的溫度、物質組成或狀態時，教師及時追問“另外兩個圈層的情況又是怎么樣的呢”；當學生隨機說到“地球上的巖石或彎曲的巖層”時，教師又可以追問，“這些現象的形成與地球的內部結構是否有聯系呢”。在課堂交流的過程中，教師通過這樣的追問形式，幫助學生在頭腦中逐步建立有關地球結構的整體認識。全班交流共享，交流的是知識，培養的是樂于分享、嚴謹求實、大膽質疑的科學態度。

四、科學建構模型，揭示系統本質

基于學生已經掌握的地球結構信息，我們要討論“如何制作地球結構模型”。學生最先會想到用紅色超輕黏土表示地核，因為地核溫度最高，然后依次用黃色黏土和藍色黏土表示地幔和地殼；學生也會想到借助模具上的比例尺盡量按照真實比例來控制各圈層的厚度（圖3是為學生準備的建模模具）；甚至還有學生想要在地殼上制造出凹凸不平的地表形態……學生從不同角度分析、思考科學建模的問題，提出有價值的建模方法，其最終的目的都是揭示系統的本質特征。這就是“系統與模型”為什么會成為新課標中明確提出的跨學科概念之一，也是科學教育高度關注的跨學科概念之一的原因。

圖3 為學生準備的建模模具

模型的建構是學生從科學的角度認識地球結構的重要思維方式。科學思維的形成需要一步一個腳印，遵循一定的學習規律。五年級學生對系統本質的認識不可能一步到位。為實現科學建模的目的，我們“小步走，有進階”，從建模前的參觀學習、交流分享再加上教師借助板書及時跟進地球結構平面示意圖（如圖4），讓學生頭腦中的地球結構模型從資料到平面，再到立體，逐漸具體清晰。

圖4 “地球的結構”平面示意圖

五、實施項目評價，解釋系統模型

模型制作并展示后。學生會自發地從多角度對項目進行評價，比如模型本身、小組合作等。但是建模的目的本身不是模型本身，而是通過建模促進對原型的認識。所以，教學過程中另一個要重點解決的問題就是，組織學生通過模型解釋客觀世界。根據模型制作要求，首先橫向比較各小組建好的地球結構模型是否能真實表示地球結構，越接近真實越好，再結合地球結構模型延伸拓展地球表面形態的形成與變化的原因，為后面進一步研究地震和火山噴發奠定知識基礎。項目評價環節，我們看到的不僅僅是學生基于證據發表自己見解，以及包容不同觀點的科學態度，更加難能可貴的是看到了學生尊重他人學習果實的情感態度，當各小組的模型拼接成一個整體之后，集體的榮譽感和學習的成就感油然而生。

六、項目遷移應用，改變學習方法

做一個地球結構模型僅僅是本單元建設“地球科學展覽館”項目的其中之一，各小組拼接后的地球結構模型也會成為地球科學展覽館里展示的一部分。通過《地球的結構》一課的學習，學生經歷資料搜集、與他人合作、積極地完成建模任務。以建模來解釋系統的教學方法，也會遷移應用到本單元后續內容的學習。以大單元整體教學，促進“地球系統”學科核心概念和“系統與模型”跨學科概念的形成。

真實世界很復雜，但可以用簡化的模型來描述?！兜厍虻慕Y構》一課所指向的是復雜的地球系統，建一個地球結構模型可以幫助學生理解和研究地球系統。從教學角度來看，整個教學過程就是學科核心概念與跨學科概念相互滲透、相互融合的過程；從項目式學習來看，整個項目學習過程就是從情境體驗到合作共享，再到解決問題的探索創新過程；從建模角度來看，整個建模過程實際上就是從高質量輸入到高質量輸出的建模過程。

以《地球的結構》為課例，我們看到了模型建構作為解釋系統的有效工具，學生不僅掌握了科學概念，同時也培養了科學思維，提升了探究實踐能力，并在此基礎上逐漸形成科學態度和社會責任。在新課標實施的背景下，會有更多的小學科學課程內容也可以通過系統與模型來進行學習。未來，我們希望看到學生在研究新問題時，會有意識地建立模型來描述、解釋所關心的系統特征。要讓跨學科概念下的系統與模型真正成為學生認識世界解釋世界的有效工具，也讓系統與模型進一步推動小學科學教育事業的發展。