跨學科與多重資源助力“宇宙”單元學習

在小學科學課程體系里，宇宙內容因深奧和抽象而使學生的探究顯得非常困難，他們常常無法完全理解這些抽象的概念。盡管學生對宇宙有著天生的好奇心，但他們所獲得的知識卻極其有限，這可能會導致他們對宇宙的認知產生偏差，甚至形成不準確或錯誤的概念。面對這樣的情況，教師需要轉變教學思路，尋找新的教學方式。跨學科主題學習和多重資源利用為實現教學突破提供了新視角，能讓學生通過跨學科主題學習完成對太陽系等模型的建構，并充分利用校內外多重資源對宇宙內容展開深入探索，實現深度學習。

一、基于核心概念的大單元設計

科學教育注重大單元設計，其實質就是著眼更全面的素養目標，在大概念、大問題、大任務統領下，以學生學習為中心，幫助他們展開科學學習。基于這種理念，圍繞“宇宙究竟有多大”這一核心問題，教師可在系統分析教材、學情的基礎上，整合跨學科主題和多重資源，重構“宇宙”單元的基本框架及實施計劃。

1.教材分析

通過分析課程標準發現，“宇宙”單元緊密圍繞宇宙中的地球這一核心概念，內容并分散在各個年級，學生要依次了解地月系、太陽系、銀河系、總星系，探索地球與浩瀚宇宙之間的聯系，從而建立完整的宇宙觀。

教材中，“宇宙”單元共分為7課，劃分到4個研究范疇，分別為太陽系、銀河系、總星系、宇宙科學，這樣的編排遵循了由近到遠、由小到大的邏輯順序。在學習活動的安排上，有4課安排了建模活動，表明建模是研究宇宙領域非常重要的一種方法（如圖1）。

2.學情分析

六年級學生正處于認知能力迅速提升的階段，他們開始具備更強的邏輯思維能力和抽象思考能力，能夠更深入地理解抽象概念，正是需要積極引導進行思維拓展和問題解決的重要時期。為進一步了解學生的概念基礎、思維水平、建模能力等方面發展狀況，教師設計了相關的調查問卷，對班級48名學生展開課前調查，并進行了統計分析。

一是學生對太陽系的認識（如圖2）。有約67%的學生知道太陽系行星的數量，只有少部分學生能夠準確列舉太陽系八顆行星的名稱及排序，只有18%的學生能在繪制的太陽系結構模型圖中表示太陽是太陽系中心，且其他行星繞著太陽旋轉。沒有學生可以準確表述各個行星的特征及它們的相對位置。這說明，學生對太陽系八顆行星的特征并不十分了解，在將這些概念轉化為可視化表達方面仍存在挑戰。

二是學生相關的數學基礎。在該單元學習中，將應用到比例尺等數學相關知識。調查顯示，大多數學生不知道什么是比例尺，少部分學生聽說過比例尺，但是不知道其準確的概念，極少的學生能夠準確說出比例尺的定義及其應用，沒有學生應用過比例尺（如圖3）。

三是學生對宇宙的了解。關于“宇宙中除了太陽系之外你還了解哪些天體”，只有不到10%的學生可以回答出星云、星座等。對我國航天成就的了解方面，有20%左右的學生可以說出我國最近的航天成就以及重大的航天事件。

由此看出，在設計教學時，教師要重點幫助學生深入了解太陽系的結構，通過建模深化理解；要加強與數學學科的深度融合，進行比例計算的專項練習，確保順利建模；可考慮用VR等多重資源創設多樣的學習環境，讓學生立體地感受宇宙的奧秘，進行全方位、沉浸式的持續性學習。

綜上分析，設計該單元目標如下。

（科學觀念）知道太陽和圍繞它運動的行星及其衛星、矮行星、小行星、彗星等天體組成了太陽系，太陽是太陽系的中心。知道太陽系有八顆行星，它們在其特定的軌道上繞太陽運動。了解日食現象與月球、地球和太陽的相對大小和相對運動變化有關。了解宇宙是一個運動變化的、膨脹著的、由大小不同的天體組成的系統，是可以被人類逐漸認識的。

（科學思維）能通過建構模型、修正模型、動態呈現模型，形成一定的模型思維。能比較、分析數據，并歸納出八顆行星的遠近和大小規律。能回顧和反思探究的過程和方法。能通過建造火星基地，形成良好的工程思維。

（探究實踐）能通過收集資料提煉太陽系的相關信息，按一定比例對數據資料進行處理，并在此基礎上依次建構太陽系天體構成模型、行星相對位置關系模型和三球相對運動模型。能從太陽系的結構、天體的相對位置、相對大小及相對運動方式等角度提出適合自己探究的科學問題，并基于證據做出科學的解釋。能通過參觀科技場館，充分了解我國在航天領域取得的成就。

（態度責任）體驗建構模型的嚴謹，對探索宇宙產生較濃厚的興趣。認識到在討論交流中對信息進行分析比較對豐富、修正、完善原有的認識是必要的。樂于進行合作探究、溝通交流，愿意綜合考慮小組各成員的意見，形成集體的觀點。通過了解我國航天事業舉世矚目的成就，增強民族自信心與自豪感。

二、跨學科主題學習助力科學建模

通過建構模型，學生可以將一些無法在課堂上直接觀察的抽象的科學現象，進行具象化的表達，這尤其適用于探索宇宙這一復雜且深奧的科學領域。跨學科建構太陽系模型（見表1），不僅能夠深化學生對宇宙系統原型的理解，更能引導他們利用模型解釋其他相關的天文現象。

1.應用數學比例尺計算

模型有局限性，科普書籍或網絡中的太陽系模型圖大多只表示出了太陽系天體的大致信息和形態，比例不能做到完全科學、合理。因此，在該單元的學習中嘗試建構科學的太陽系模型頗具挑戰。

通過調查學情發現，大部分學生對太陽系的了解是片面甚至是錯誤的，而要想進行科學建模收集準確的信息很關鍵，這些信息應讓學生通過思考主動獲得，從而讓他們更積極地參與到建模中來。教師可以拋出問題“需要收集哪些信息”，讓學生相互啟發，逐步梳理出要點（如圖4）。

建構不同的模型需要的信息是不一樣的，要模擬太陽系中行星的相對位置和大小，重點收集前兩類信息即可。模擬行星運動，則對科學、技術、工程等方面有更高的要求，實現起來更加困難，可以在之后的學習中再深入探索。

收集到信息之后，就要設計方案，這里需要運用數學知識進行相應的比例換算，并選擇合適的比例尺。考慮到學生對比例尺不熟悉，將該單元教學放在數學課學習比例尺之后更加合適。科學教材的建議是，先把各行星到太陽的平均距離縮小10000倍，再將得到的數據四舍五入并略去數據后面的單位“萬千米”，接著將一條紙帶通過對折的方式平均分成16份，并把3條同樣的紙帶拼接在一起，得到了一條有48等份的長紙帶，最后在紙帶上標注行星的位置。例如，縮小10000倍后，水星到太陽的平均距離就約等于0.5萬千米，略去“萬千米”就是0.5，即畫在紙帶第1等份一半的位置，以此類推，最遠的海王星就應該畫在第45等份的位置。

這種方法很巧妙地標記了各個行星的相對位置，也減少了計算量，但是在實際教學時還是存在一些問題。例如，學生不明白為什么要縮小10000倍，為什么要平均分成48份。因此，教師設計教學時要做相應調整：和學生一起探討如何處理這些龐大的數據以制作刻度標尺、計算比例尺；不規定紙帶長短；不固定縮小倍數；四舍五入后全部要保留小數點后一位，提高模型的準確性。

在教師的鼓勵下，學生開動腦筋，出現了按不同比例縮小的數據（見表2），設計了長短各不相同的紙帶（如圖5）。這兼顧了模型的科學性，保證了模型的多樣性，滿足了學生個性化的學習需求。

學生在討論中發現，目前只是考慮行星到太陽系的距離，如果真要做到科學，行星的大小也要進行等比例縮小。但實際計算后發現，距離和大小量級差距極大，如果保證了距離的合適（在紙帶上可以展示出來），那么天體就會小到無法表現；如果保證了大小的合適（用氣球等球類材料可模擬，或在紙上可以畫出來），那么太陽系模型就可能需要整個校園甚至是整座城市這么大的空間才能放得下。這樣的結果讓學生紛紛感嘆“宇宙之大，大到超乎想象”，同時又意識到模型的局限性（只能模擬事物的主要方面而非全部）。這個環節，科學學科與數學學科實現完美融合。

2.應用美術技法繪制

模型繪制要追求細節的準確性和真實性，包括但不限于行星的輪廓、表面紋理以及它們各自獨有的顏色和光線反射效果等。這就要求學生發揮專長，用他們對色彩、光影和構圖的理解，從美術學科的視角捕捉每個行星的獨特特征。此外，模型上還需添加其他重要信息以提升模型的應用價值，如行星的大小、表面溫度、平均距離的原始數據、刻度尺上的數字標識等。學生利用計算出的比例尺更好地理解和把握行星的大小比例和相對位置關系，同時利用美術學科知識與技法完成美觀又準確的科學模型。

3.應用工程實踐流程改進與優化

整個建模過程，學生遵循工程實踐的一般流程。首先，綜合應用所學的理論知識和技能構思一個可行的建模方案。然后，進入制作環節，精心考量每一個細節，確保最終模型的科學性，親自動手將設計變成現實。最后，對作品進行持續的改進與優化。工程實踐過程特別強調團隊合作的重要性，學生密切合作，合理分配各自的職責，共同解決遇到的挑戰。

三、多重資源重構學習生態

1.利用校內科普館收集太陽系信息

在以往的教學中，收集了解太陽系信息有很多種方式，如讓學生課前查閱相關書籍、課上觀看視頻、復印小組學習資料、教師講解等。盡管這些方法確實有助于學生掌握必要的基礎知識，但往往難以激發學生的積極性，使他們在學習過程中不夠主動。為了改變這一狀況，該單元創新學習方式，將課堂從教室搬到了學校里的筑夢航天館（如圖6）。

學校筑夢航天館是一座集科學探索、科普展示與互動體驗于一體的綜合性場所，是學校科學教育的重要組成部分。在這樣一個開放的學習空間，學生可以找到太陽系八顆行星的詳盡介紹和數據，更重要的是他們可以更主動地投入學習中，與同伴相互交流、分享學習成果，他們的好奇心和求知欲得到滿足，也增強了后續建模活動的積極性。

2.利用VR打造沉浸式的學習體驗

VR作為常規教學的一種輔助，能通過互動式、沉浸式的體驗，讓學生形成直接經驗，更好地建構概念。其優勢在于能立體、真實、全方位地展示宇宙的全貌，讓學生置身其中，這種視覺的沖擊和感受是圖片、視頻、教師演示等無法實現的（如圖7）。該單元中，VR的應用主要體現在以下方面。

一是讓模型從平面走向立體，從靜態走向動態。在完成了科學的太陽系模型繪制后，學生走進VR教室，戴上VR設備，沉浸在一個三維立體空間中。VR模擬的太陽系，能讓學生直觀地感受到太陽系的全貌。通過動態模擬體驗，學生可以親眼看到日食、月食，甚至是金星凌日等天文現象的形成過程，進而了解這些天文現象背后的科學原理。這種身臨其境的學習方式不僅增強了學生對天文學的興趣，而且激發了他們探索宇宙奧秘的熱情。

二是實現了在課堂上的“天文觀察”。為了讓學生進一步認識太陽系之外的宇宙空間，教材還安排了觀察夏季星空及星座的活動。在以往的教學中，這樣的活動布置下去，只有少部分對天文感興趣的學生能夠完成實際觀察，VR可以在某種程度上解決體驗不足的問題。課堂上，學生可以在教師的指導下進入虛擬的宇宙空間完成對星空及星座的觀察。教師也可以通過投屏給予學生及時的反饋，促使他們對相關內容有更深的了解。

三是互動式操作檢驗學習成果。除了讓學生觀察和感受外，VR還有互動式的操作。教師可以設計不同的任務，如將太陽系的幾顆行星按照正確的位置排列，系統則通過學生的操作檢驗其學習成果，他們如果操作錯誤就不能進入下一個環節，語音會提示其改正，給予及時反饋。

3.通過參觀實現研學與常規教學結合

在單元學習的最后，教師可以組織學生再次參觀筑夢航天館。此時，學生不是被動地接受知識灌輸，而是通過親身體驗和互動學習，帶著研究問題，深入了解我國航天領域的輝煌成就。通過參觀展館，學生對我國航天事業的歷史、技術突破以及未來規劃有了一個全面而深刻的認識。

讓人驚喜的是，在火星展區的實踐環節中，有學生提出并探討了一些前沿的科學問題。例如，人類能否成功移居火星？如何在遙遠的火星上建造適宜人類居住的基地？這些問題教材上沒有現成答案，需要學生將科學、工程、技術等多個學科知識融會貫通，并結合實際情況去思考、去探索。這也直接促成了一個新的研究項目——綜合分析各種條件完成“火星基地”模型的建造（如圖8）。通過在筑夢航天館的參觀學習，學生親身感受到了宇宙之大，對“宇宙到底有多大”這個核心問題有了更深入的理解，同時感受到祖國的強大，增強了民族自豪感。

[課題：長春市教育科學規劃STEM專項課題“館校合作視域下小學STEM課程開發與實施”，編號：JKBSTEMZX2023004]

（作者單位：東師附小凈月實驗學校）