跨学科与多重资源助力“宇宙”单元学习

在小学科学课程体系里，宇宙内容因深奥和抽象而使学生的探究显得非常困难，他们常常无法完全理解这些抽象的概念。尽管学生对宇宙有着天生的好奇心，但他们所获得的知识却极其有限，这可能会导致他们对宇宙的认知产生偏差，甚至形成不准确或错误的概念。面对这样的情况，教师需要转变教学思路，寻找新的教学方式。跨学科主题学习和多重资源利用为实现教学突破提供了新视角，能让学生通过跨学科主题学习完成对太阳系等模型的建构，并充分利用校内外多重资源对宇宙内容展开深入探索，实现深度学习。

一、基于核心概念的大单元设计

科学教育注重大单元设计，其实质就是着眼更全面的素养目标，在大概念、大问题、大任务统领下，以学生学习为中心，帮助他们展开科学学习。基于这种理念，围绕“宇宙究竟有多大”这一核心问题，教师可在系统分析教材、学情的基础上，整合跨学科主题和多重资源，重构“宇宙”单元的基本框架及实施计划。

1.教材分析

通过分析课程标准发现，“宇宙”单元紧密围绕宇宙中的地球这一核心概念，内容并分散在各个年级，学生要依次了解地月系、太阳系、银河系、总星系，探索地球与浩瀚宇宙之间的联系，从而建立完整的宇宙观。

教材中，“宇宙”单元共分为7课，划分到4个研究范畴，分别为太阳系、银河系、总星系、宇宙科学，这样的编排遵循了由近到远、由小到大的逻辑顺序。在学习活动的安排上，有4课安排了建模活动，表明建模是研究宇宙领域非常重要的一种方法（如图1）。

2.学情分析

六年级学生正处于认知能力迅速提升的阶段，他们开始具备更强的逻辑思维能力和抽象思考能力，能够更深入地理解抽象概念，正是需要积极引导进行思维拓展和问题解决的重要时期。为进一步了解学生的概念基础、思维水平、建模能力等方面发展状况，教师设计了相关的调查问卷，对班级48名学生展开课前调查，并进行了统计分析。

一是学生对太阳系的认识（如图2）。有约67%的学生知道太阳系行星的数量，只有少部分学生能够准确列举太阳系八颗行星的名称及排序，只有18%的学生能在绘制的太阳系结构模型图中表示太阳是太阳系中心，且其他行星绕着太阳旋转。没有学生可以准确表述各个行星的特征及它们的相对位置。这说明，学生对太阳系八颗行星的特征并不十分了解，在将这些概念转化为可视化表达方面仍存在挑战。

二是学生相关的数学基础。在该单元学习中，将应用到比例尺等数学相关知识。调查显示，大多数学生不知道什么是比例尺，少部分学生听说过比例尺，但是不知道其准确的概念，极少的学生能够准确说出比例尺的定义及其应用，没有学生应用过比例尺（如图3）。

三是学生对宇宙的了解。关于“宇宙中除了太阳系之外你还了解哪些天体”，只有不到10%的学生可以回答出星云、星座等。对我国航天成就的了解方面，有20%左右的学生可以说出我国最近的航天成就以及重大的航天事件。

由此看出，在设计教学时，教师要重点帮助学生深入了解太阳系的结构，通过建模深化理解；要加强与数学学科的深度融合，进行比例计算的专项练习，确保顺利建模；可考虑用VR等多重资源创设多样的学习环境，让学生立体地感受宇宙的奥秘，进行全方位、沉浸式的持续性学习。

综上分析，设计该单元目标如下。

（科学观念）知道太阳和围绕它运动的行星及其卫星、矮行星、小行星、彗星等天体组成了太阳系，太阳是太阳系的中心。知道太阳系有八颗行星，它们在其特定的轨道上绕太阳运动。了解日食现象与月球、地球和太阳的相对大小和相对运动变化有关。了解宇宙是一个运动变化的、膨胀着的、由大小不同的天体组成的系统，是可以被人类逐渐认识的。

（科学思维）能通过建构模型、修正模型、动态呈现模型，形成一定的模型思维。能比较、分析数据，并归纳出八颗行星的远近和大小规律。能回顾和反思探究的过程和方法。能通过建造火星基地，形成良好的工程思维。

（探究实践）能通过收集资料提炼太阳系的相关信息，按一定比例对数据资料进行处理，并在此基础上依次建构太阳系天体构成模型、行星相对位置关系模型和三球相对运动模型。能从太阳系的结构、天体的相对位置、相对大小及相对运动方式等角度提出适合自己探究的科学问题，并基于证据做出科学的解释。能通过参观科技场馆，充分了解我国在航天领域取得的成就。

（态度责任）体验建构模型的严谨，对探索宇宙产生较浓厚的兴趣。认识到在讨论交流中对信息进行分析比较对丰富、修正、完善原有的认识是必要的。乐于进行合作探究、沟通交流，愿意综合考虑小组各成员的意见，形成集体的观点。通过了解我国航天事业举世瞩目的成就，增强民族自信心与自豪感。

二、跨学科主题学习助力科学建模

通过建构模型，学生可以将一些无法在课堂上直接观察的抽象的科学现象，进行具象化的表达，这尤其适用于探索宇宙这一复杂且深奥的科学领域。跨学科建构太阳系模型（见表1），不仅能够深化学生对宇宙系统原型的理解，更能引导他们利用模型解释其他相关的天文现象。

1.应用数学比例尺计算

模型有局限性，科普书籍或网络中的太阳系模型图大多只表示出了太阳系天体的大致信息和形态，比例不能做到完全科学、合理。因此，在该单元的学习中尝试建构科学的太阳系模型颇具挑战。

通过调查学情发现，大部分学生对太阳系的了解是片面甚至是错误的，而要想进行科学建模收集准确的信息很关键，这些信息应让学生通过思考主动获得，从而让他们更积极地参与到建模中来。教师可以抛出问题“需要收集哪些信息”，让学生相互启发，逐步梳理出要点（如图4）。

建构不同的模型需要的信息是不一样的，要模拟太阳系中行星的相对位置和大小，重点收集前两类信息即可。模拟行星运动，则对科学、技术、工程等方面有更高的要求，实现起来更加困难，可以在之后的学习中再深入探索。

收集到信息之后，就要设计方案，这里需要运用数学知识进行相应的比例换算，并选择合适的比例尺。考虑到学生对比例尺不熟悉，将该单元教学放在数学课学习比例尺之后更加合适。科学教材的建议是，先把各行星到太阳的平均距离缩小10000倍，再将得到的数据四舍五入并略去数据后面的单位“万千米”，接着将一条纸带通过对折的方式平均分成16份，并把3条同样的纸带拼接在一起，得到了一条有48等份的长纸带，最后在纸带上标注行星的位置。例如，缩小10000倍后，水星到太阳的平均距离就约等于0.5万千米，略去“万千米”就是0.5，即画在纸带第1等份一半的位置，以此类推，最远的海王星就应该画在第45等份的位置。

这种方法很巧妙地标记了各个行星的相对位置，也减少了计算量，但是在实际教学时还是存在一些问题。例如，学生不明白为什么要缩小10000倍，为什么要平均分成48份。因此，教师设计教学时要做相应调整：和学生一起探讨如何处理这些庞大的数据以制作刻度标尺、计算比例尺；不规定纸带长短；不固定缩小倍数；四舍五入后全部要保留小数点后一位，提高模型的准确性。

在教师的鼓励下，学生开动脑筋，出现了按不同比例缩小的数据（见表2），设计了长短各不相同的纸带（如图5）。这兼顾了模型的科学性，保证了模型的多样性，满足了学生个性化的学习需求。

学生在讨论中发现，目前只是考虑行星到太阳系的距离，如果真要做到科学，行星的大小也要进行等比例缩小。但实际计算后发现，距离和大小量级差距极大，如果保证了距离的合适（在纸带上可以展示出来），那么天体就会小到无法表现；如果保证了大小的合适（用气球等球类材料可模拟，或在纸上可以画出来），那么太阳系模型就可能需要整个校园甚至是整座城市这么大的空间才能放得下。这样的结果让学生纷纷感叹“宇宙之大，大到超乎想象”，同时又意识到模型的局限性（只能模拟事物的主要方面而非全部）。这个环节，科学学科与数学学科实现完美融合。

2.应用美术技法绘制

模型绘制要追求细节的准确性和真实性，包括但不限于行星的轮廓、表面纹理以及它们各自独有的颜色和光线反射效果等。这就要求学生发挥专长，用他们对色彩、光影和构图的理解，从美术学科的视角捕捉每个行星的独特特征。此外，模型上还需添加其他重要信息以提升模型的应用价值，如行星的大小、表面温度、平均距离的原始数据、刻度尺上的数字标识等。学生利用计算出的比例尺更好地理解和把握行星的大小比例和相对位置关系，同时利用美术学科知识与技法完成美观又准确的科学模型。

3.应用工程实践流程改进与优化

整个建模过程，学生遵循工程实践的一般流程。首先，综合应用所学的理论知识和技能构思一个可行的建模方案。然后，进入制作环节，精心考量每一个细节，确保最终模型的科学性，亲自动手将设计变成现实。最后，对作品进行持续的改进与优化。工程实践过程特别强调团队合作的重要性，学生密切合作，合理分配各自的职责，共同解决遇到的挑战。

三、多重资源重构学习生态

1.利用校内科普馆收集太阳系信息

在以往的教学中，收集了解太阳系信息有很多种方式，如让学生课前查阅相关书籍、课上观看视频、复印小组学习资料、教师讲解等。尽管这些方法确实有助于学生掌握必要的基础知识，但往往难以激发学生的积极性，使他们在学习过程中不够主动。为了改变这一状况，该单元创新学习方式，将课堂从教室搬到了学校里的筑梦航天馆（如图6）。

学校筑梦航天馆是一座集科学探索、科普展示与互动体验于一体的综合性场所，是学校科学教育的重要组成部分。在这样一个开放的学习空间，学生可以找到太阳系八颗行星的详尽介绍和数据，更重要的是他们可以更主动地投入学习中，与同伴相互交流、分享学习成果，他们的好奇心和求知欲得到满足，也增强了后续建模活动的积极性。

2.利用VR打造沉浸式的学习体验

VR作为常规教学的一种辅助，能通过互动式、沉浸式的体验，让学生形成直接经验，更好地建构概念。其优势在于能立体、真实、全方位地展示宇宙的全貌，让学生置身其中，这种视觉的冲击和感受是图片、视频、教师演示等无法实现的（如图7）。该单元中，VR的应用主要体现在以下方面。

一是让模型从平面走向立体，从静态走向动态。在完成了科学的太阳系模型绘制后，学生走进VR教室，戴上VR设备，沉浸在一个三维立体空间中。VR模拟的太阳系，能让学生直观地感受到太阳系的全貌。通过动态模拟体验，学生可以亲眼看到日食、月食，甚至是金星凌日等天文现象的形成过程，进而了解这些天文现象背后的科学原理。这种身临其境的学习方式不仅增强了学生对天文学的兴趣，而且激发了他们探索宇宙奥秘的热情。

二是实现了在课堂上的“天文观察”。为了让学生进一步认识太阳系之外的宇宙空间，教材还安排了观察夏季星空及星座的活动。在以往的教学中，这样的活动布置下去，只有少部分对天文感兴趣的学生能够完成实际观察，VR可以在某种程度上解决体验不足的问题。课堂上，学生可以在教师的指导下进入虚拟的宇宙空间完成对星空及星座的观察。教师也可以通过投屏给予学生及时的反馈，促使他们对相关内容有更深的了解。

三是互动式操作检验学习成果。除了让学生观察和感受外，VR还有互动式的操作。教师可以设计不同的任务，如将太阳系的几颗行星按照正确的位置排列，系统则通过学生的操作检验其学习成果，他们如果操作错误就不能进入下一个环节，语音会提示其改正，给予及时反馈。

3.通过参观实现研学与常规教学结合

在单元学习的最后，教师可以组织学生再次参观筑梦航天馆。此时，学生不是被动地接受知识灌输，而是通过亲身体验和互动学习，带着研究问题，深入了解我国航天领域的辉煌成就。通过参观展馆，学生对我国航天事业的历史、技术突破以及未来规划有了一个全面而深刻的认识。

让人惊喜的是，在火星展区的实践环节中，有学生提出并探讨了一些前沿的科学问题。例如，人类能否成功移居火星？如何在遥远的火星上建造适宜人类居住的基地？这些问题教材上没有现成答案，需要学生将科学、工程、技术等多个学科知识融会贯通，并结合实际情况去思考、去探索。这也直接促成了一个新的研究项目——综合分析各种条件完成“火星基地”模型的建造（如图8）。通过在筑梦航天馆的参观学习，学生亲身感受到了宇宙之大，对“宇宙到底有多大”这个核心问题有了更深入的理解，同时感受到祖国的强大，增强了民族自豪感。

[课题：长春市教育科学规划STEM专项课题“馆校合作视域下小学STEM课程开发与实施”，编号：JKBSTEMZX2023004]

（作者单位：东师附小净月实验学校）