例談指向“系統與模型”的單元教學設計

“系統與模型”是科學課程標準中提出的四個跨學科概念之一，在教學中指向“系統與模型”，不斷引導學生積累其下位的實例，有助于幫助他們從整體角度認識事物的組成，并且隨著學習的深入，學生意識到復雜的系統可以用相對簡單的模型來表示。長此以往，學生在自主解決問題時就會有意識地嘗試通過建立模型來描述、解釋所研究的系統，從而發展模型建構思維，強化用模型搜集并分析證據后得出結論的探究實踐能力，形成嚴謹的科學態度。

如何幫助學生逐漸建立“系統與模型”的跨學科概念？溫·哈倫提出了三種指向大概念的教育模式，分別是階梯式、拼圖式、螺旋式，它們的共同點在于都需要在一定的學習階段內不斷積累相關概念下的實例，強化對概念的理解。現以上海市小學現行《自然》教材的課堂教學為例，詳細介紹這三種類型的單元教學模式及設計要點。

一、指向“系統與模型”的“階梯型”單元教學

指向“系統與模型”的“階梯型”單元教學，指單元教學前引導學生首先建構關于系統組成部分的認識。隨著單元教學的深入，再逐漸引導他們對學習內容的抽象、拓展，從而形成對某個系統相對完整的認識，并在此基礎上不斷完善對于系統模型的建構。圖1是其教學模式示意圖。

以“食物鏈”單元為例，該單元要引導學生建構的系統與模型下的知識是“食物鏈的組成及各成分間的關系”。開展單元教學時，教師首先引導學生探究自然界的一些食物關系，建立一些具體的動植物食物鏈模型；然后拓展到微生物在食物鏈中的作用，并抽象成植物、食草動物、食肉動物、空氣與土壤中成分的關系，且用知識結構圖表示出來；最后拓展一些包含人類的食物鏈，引導學生認識人與食物鏈的關系，即一般情況下植物、食草動物、食肉動物都可將營養傳遞給人類，人類的一些活動會影響食物鏈，并將知識結構圖補充完整。

“階梯型”單元教學設計要點如下。

1.提供豐富實例并引導歸類

在單元教學中，教師要不斷提供豐富的實例，讓學生逐漸對某一系統形成較為完整的認識，此外還要引導他們將這些較零散的實例進行歸類，對學習內容形成更加系統化與結構化的認識。這樣做的好處是方便學生理解系統是由多個成分組成的，各成分之間協調配合完成工作，促使他們用新的知識完善模型。

如“食物鏈”單元，教師在單元教學過程中提供豐富的動植物之間食物關系的實例后，再讓學生對多個食物鏈的組成進行歸類，發現最底層的都是植物，以植物為食的是食草動物，以其他動物為食的是食肉動物；接著在單元后兩節課中提供微生物與食物鏈的資料、人類與食物鏈關系等實例，讓學生進行歸類。在多次將一些實例歸類后，學生認識了自然界中食物鏈的一般組成，并對它們之間的結構關系有了較為完整的認識。

2.設計多次完善模型的活動

教師可以設計讓學生逐漸完善建模的活動，幫助他們認識模型能表達系統特征，發展他們的抽象、概括思維，提升用圖示或實物等模型表達的能力。

圖2是“食物鏈”單元最終要讓學生建立的知識結構圖。在單元教學初期，教師先讓學生將已經歸類的植物、食草動物、食肉動物及它們之間的食物關系用知識結構圖表示出來；接著，在分別認識了微生物、人類等在食物鏈中作用的實例后，完善該知識結構圖。這樣，學生在單元學習后不僅對食物鏈的組成與相互關系有了較為完整的認識，也認識到圖示能直觀、形象地表達這種關系。在完善知識結構圖的過程中，學生首先要分析植物、食草動物、食肉動物、微生物、人類之間有怎樣的營養傳遞關系，然后用簡練的語言表達它們之間的營養傳遞關系，并用清晰、準確的知識結構圖表達對這一內容的理解。這樣的過程發展了他們的模型建構思維，提升了他們用圖示表達的能力。

二、指向“系統與模型”的“拼圖型”單元教學

指向“系統與模型”的“拼圖型”單元教學，指在單元教學中引導學生先分別認識多個不同但互有關聯的系統，再建立這些系統之間的相互聯系，認識不同系統間可能會協同工作、組成新的復雜系統。圖3是其教學模式示意圖。

以“身體的律動”單元為例，該單元要引導學生建構的“系統與模型”下的知識是“呼吸系統、血液循環系統和運動系統協同配合完成工作”，單元教學各課時引導學生分別探究人體呼吸系統、血液循環系統、運動系統的組成與工作；引導學生嘗試解釋呼吸與血液循環系統間的協同工作，骨骼與呼吸系統、心臟間的關聯，初步感受系統間的聯系；單元學習后引導學生建構人體在運動時各系統間協同工作的知識結構圖，讓他們認識到人體多個系統協調配合完成工作，為今后學習互相關聯系統組合后能形成復雜系統打下基礎。

“拼圖型”單元教學設計要點如下。

1.設計關聯多個內容做出解釋的活動

學生建構單一系統的組成及工作的認識較為容易，但難以關注多個系統間能相互聯系。在單元教學中，教師通過設計讓學生關聯多個內容做出解釋的活動，引導他們認識到不同系統間可能相互關聯，培養他們分析多個內容間的關系再創建聯系的模型建構思維，提升口頭或文字表達能力。

做出解釋的方式具體有兩種。一是引導學生口頭解釋。以“身體的律動”單元為例，在探究完呼吸系統與血液循環系統各自的組成與工作后，教師提出“人是怎樣吸收空氣中的氧氣，呼出二氧化碳的”這一問題，引導學生運用呼吸系統中氣體交換、血液循環系統中血液功能的知識，解釋氧氣經過呼吸器官進入人體，在肺部通過血液循環系統進入身體其他器官；其他器官活動產生的二氧化碳通過血液循環到達肺，再經過呼吸器官排出人體外。學生通過解釋這兩個系統相互聯系協同工作的過程，分析這兩個系統間氧氣與二氧化碳的關系，再創建聯系的模型建構思維，提升了口頭表達能力。二是運用模型幫助解釋。在探究骨骼的作用時，教師呈現人體骨骼與器官的示意圖模型，引導學生解釋骨骼的作用。學生通過觀察人體骨骼模型，發現肋骨、胸骨等骨骼能保護呼吸器官、心臟，體會運動系統中的骨骼、呼吸系統中的肺、血液循環系統中的心臟之間是相互關聯的，這個過程發展了他們解構模型并找出關系的模型理解思維。

2.設計關聯單元內容的評價任務

在“拼圖型”單元教學中，每個課時可能學習一個獨立的系統，整個單元將這些系統組合后形成更大的系統。在課堂教學時間內，可以設計讓學生解釋多個系統間如何相互關聯、協同配合完成工作，但畢竟課堂時間有限，部分學生僅通過簡單的解釋，對這些系統之間聯系的認識并不深刻，因此教師通過設計關聯單元內容的評價任務，幫助他們加深理解，同時診斷學習情況。

以“身體的律動”單元為例，圖4是單元評價設計，包括單元評價任務與單元評價單。單元評價任務為“用圖文建構人體在運動時系統或器官之間工作的聯系”，引導學生綜合應用單元知識，整體認識身體中的不同系統協同工作，形成人體是一個復雜的大系統的認知。學生通過向伙伴介紹自己繪制的知識結構圖，嘗試綜合解釋人體運動時多個系統協同工作的具體過程，也進一步認識到模型可以幫助自己理解復雜系統的組成與工作，加深對人體各系統的整體認識。

三、指向“系統與模型”的“強化型”單元教學

指向“系統與模型”的“強化型”單元教學是基于溫·哈倫的螺旋式教學模式而提出的，沒有直接延用該名稱是因為螺旋式教學是指在不同年段中多個大概念不斷重復和強化，但在單元教學中往往僅指向一個大概念，可以對這一個大概念進行多次強化。所以，指向“系統與模型”的“強化型”單元教學是指單元教學圍繞系統與模型中的一個內容，在單元伊始先初步建立該概念，隨著單元活動深入，不斷強化學生對于該概念的認識，并應用遷移該概念解決問題，從而達到對概念的深度理解。圖5是其教學模式示意圖。

以“天象觀測”單元為例，該單元要引導學生建構的“系統與模型”下的知識是“借助模型能呈現、解釋或預測現象”。教師先引導他們在探究月相的過程中建立借助模型能呈現、解釋或預測現象的概念；然后在探究日月食的過程中深化這一概念；最后讓他們遷移這一概念，即運用天文模擬軟件呈現一天中太陽高低位置的變化、用實物模型解釋一天中太陽高低位置的變化與影子變化的關系。

“強化型”單元教學設計要點如下。

1.設計多次強化概念的活動

概念性知識相比于事實更為抽象，教師要在單元教學中讓學生多次對一個概念進行強化，他們才能深入理解并最終應用概念嘗試解決問題。對于強化系統與模型中的內容，具體方式有以下幾種。

一是設計多次同一類型的活動。為了強化“借助模型能呈現、解釋或預測現象”這一概念，教師在單元中設計了多次模擬實驗活動。例如，模擬并探究月相的變化讓學生認識借助模型能呈現、解釋月相變化的原因，并預測今后的變化；模擬并探究日食、月食的成因讓學生認識到借助模型能呈現、解釋日食、月食成因，并預測日食、月食；讓學生想到用天文模擬軟件補全并核驗一天中太陽高低的數據，進一步理解借助模型能呈現現象；讓學生設計探究太陽高低變化與影子變化的關系模擬實驗，進一步理解借助模型能解釋一天中影子的變化。

二是提供學習支架。學生在活動中可能無法直接說出或意識到較為抽象的概念，教師可提供學習支架。例如，學生在探究月相的變化后，教師提問“用月球模型進行模擬實驗認識月相變化有什么好處”，讓學生意識到模型可以直觀呈現現象且能借助它解釋并預測月相變化規律；學生在探究日食、月食的成因后，教師直接呈現有5°夾角的日地月運行軌道讓他們進一步探究，從而認識到越接近于真實的模型越能準確預測日食、月食的規律。

2.創設真實問題引導應用遷移

讓學生應用并遷移概念也是一種強化對概念理解的方式，由于概念較為抽象，一般只有在學生積累了指向概念的足夠實例后才能有效遷移。此外，有效應用遷移概念還需要教師創設一個真實且能激發學生回憶已學內容的問題。

在“天象觀測”單元最后一課開始之前，學生用太陽高度測量儀收集一天內每小時的太陽高度變化的數據，但在課堂交流時卻發現有漏記、數據不一致等問題。有的學生根據之前所學，想到查看天文模擬軟件中的太陽高低位置數據，幫助補充、核驗同伴的記錄。在探究一天中太陽高低變化的規律后，教師再次提出了“一天中太陽高低位置與影子變化有什么關系并直觀、形象地解釋”的問題，學生會想到用一個包含一天中太陽高低位置變化、物體等的模型來解釋兩者之間的關系。學生運用天文模擬軟件、太陽與影子關系等模型呈現并解釋現象，從而提出解決問題的方案，經過這一過程，他們對“模型能呈現、解釋現象”的理解也會更深刻。

（作者單位：夏志駿，上海市黃浦區教育學院；康欣瑜，上海市黃浦區回民小學）

參考文獻

[1]高云峰.跨學科概念與跨學科實踐[M].北京：高等教育出版社，2023.

[2]林恩·埃里克森，洛伊斯·蘭寧.以概念為本的課程與教學：培養核心素養的絕佳實踐[M].魯效孔，譯.上海：華東師范大學出版社，2018.

[3]溫·哈倫.以大概念理念進行科學教育[M].韋鈺，譯.北京：科學普及出版社，2016.