地球与宇宙科学领域探究活动的设计与实施

地球与宇宙科学领域的内容是小学科学课程的重要组成部分，在教学中，教师设计和实施符合学生思维水平的探究活动，可以帮助他们建构科学概念，发展他们的空间逻辑思维，提升教学效率。对于小学生来说，宇宙的广袤、天体的差异、黑洞的神秘等为他们提供了无尽的想象空间，使他们对科学学习产生浓厚的兴趣，有利于激发他们探索科学的求知欲。在教学研究中，教师采用创新模拟实验、建构模型等方法，清晰呈现空间实验效果，有助于加深学生对地球与宇宙科学领域的理解。

一、设计实地观察活动

观察是人类认识科学的首要环节，也是重要的实践活动。观察即人们在自然条件下，通过感觉器官或借助科学仪器，有目的、有计划地感知客观对象，从而获得科学事实的一种研究方法。例如，《天气的影响》《变化的月亮》《站在地球上看月球》等课都有让学生进行实地观察、科学记录的活动设计，教师还可以组织学生进行校园观星活动，观察月食、星座、太阳黑子、日珥等。

以观察太阳黑子为例（如图1），教师先向学生讲述要观察的内容，并提问：“同学们，你们听说过太阳黑子吗？谁能给大家介绍一下？”此时，学生会说出自己对太阳黑子的认识，如太阳黑子就是太阳表面温度比较低的地方，太阳黑子大小不同等。教师再根据学生的回答情况加以补充，如有的太阳黑子就像我们的地球那么大。交流过后，教师介绍观测方法，组织学生有序观测。

通过实地观察，学生拍摄了月球东升西落的过程，亲眼看见太阳黑子和日珥，感知各种天象，建构了科学概念，认识到地球与宇宙科学领域的知识不再遥不可及，从而增强他们的学习信心。

二、设计创新模拟实验

在教学中，教师发现实地观察虽然直观，但在揭示天象背后的原理方面并不理想。学生的认知水平有限，抽象思维能力还不够成熟，难以理解和内化地球与宇宙科学领域中相对宏观的内容。通过设计创新模拟实验，可以培养学生的观察和思考能力，进一步拓展他们的科学知识，发展他们的科学思维。通过探究问题的引导和实验操作，不仅能够提高学生的学习兴趣和参与度，还能够培养他们的综合素养。

四年级《地球的故事》一课对应的核心概念是“宇宙中的地球”，要求学生知道地球是一个球体，是太阳系中的一颗行星。该课是这样设计的：通过古人关于地球形状的猜想和质疑的两个史实，培养学生基于证据合理质疑的能力，让他们意识到古人对地球形状从猜想到假设的经历。四年级学生并没有实际体验过这一情境，因此，进港帆船的模拟实验是必不可少的。首先，教师引导学生明确模拟实验是为了直观地呈现和体验古希腊人的发现，即船只进港，人们总是先看见桅杆，再逐渐看见船身；船只出港，人们总是先看不见船身，再逐渐看不见桅杆。接着，学生选择实验材料，可以用橡皮泥做一只小船，用火柴梗代替桅杆，篮球当作地球。然后，学生确定实验方案并进行实验：一人拿着“地球”，并且让“船”在“地球”上航行，其他人作为观察者，观察“船”进出“港”时，有没有和古希腊人一样的发现。作为对比，可以用桌面模拟大地平面，将“船”放到桌面上“航行”，观察是否有相同的现象。这样，学生通过模拟实验，联系古希腊人的假设，能更深刻地体会古人对地球形状探索的过程，从而准确建构地球是一个球体的科学概念。

三、设计建构模型活动

建构模型是一种现代的、科学的认知手段和思维方法，是人类在研究复杂现象时，为了揭示其内在本质的规律性联系，借助抽象思维能力，用理想化的手段建立的一种与原型相关联，能够表征原型的基本特性模型，并对这一模型进行研究，以探索它所表征的原型的本质、规律的方法。教师在科学教学中使用模型，可以强化学生对模型教学的理解，发展他们的逻辑思维能力，提高他们的科学探究能力。

例如，四年级《站在地球上看月球》一课中，学生学习从研究在地球上看到的月球，聚焦到月相。教材按照“持续观察一个月的月相变化并做好记录—继续观察至少一个月，发现月相变化规律—做模拟实验验证月相变化的规律”的顺序编排活动，培养学生长期观察记录、搜集月相变化证据、分析处理信息并发现月相变化规律、完成月相变化模拟实验验证规律的探究技能。

在实际教学中我们发现，让学生进行为期一个月的月相观察，是很难实施的，除了难以坚持下来的原因外，天气变化、环境污染、月相出现时间不定等因素的干扰也使学生难以观察到较为完整的月相变化，更不要说发现月相变化规律了。于是，我们利用App“Moon”查询到的北京某月中每天的月相，让学生能清晰地观察到月亮的形状，在报告单上进行记录，借助画图记录法（如图2），进而发现、总结出完整的月相变化规律。App的高交互性可以让学生的探究不受时间、空间的限制，从而进行一定程度的自主探究。学生在大量直观观察的不断刺激下，根据同伴、自己语言的描绘或图像的示意形成相对应的具体形象，最终建立抽象的空间方位、范围和结构。

在“模拟月相变化”活动中，教师可以利用“虚拟天文馆”，让学生观察某月每天同一时间的月球位置和亮面朝向，再选取新月、蛾眉月、上弦月、满月等有代表性的几天思考太阳与地球、月球的位置关系，并进行假设，用图文并茂的方式在报告单上记录。依据报告单，学生制作模型（将自己作为地球，选取不动的光源为太阳，选取白球为月球），验证自己的假设，解释月相变化的原因。下半月用同样的方法找寻规律，最终得到完整的一个月的日地月关系图。这种方法把天体运动具象化，帮助学生建立空间观念，激发他们对地球与宇宙的探究兴趣。借助“虚拟天文馆”或其他信息技术手段，学生观察到宇宙视角的不同月相时太阳与地球、月球的位置关系，加深对天体系统的大小、相对位置、层次等概念的认识。

教师还尝试：先用一首古诗引入，让学生结合古诗画月亮，再利用月相卡片排序，然后用黑白小球做模拟实验，最后通过视频认识一个月内月相的变化，让他们观察后用卡片进行排序，通过模拟实验、模型建构等，对月相的变化有了更清晰的认识。

再如，在六年级《太阳系》一课教学中，教师引导学生利用废旧材料设计并制作太阳系模型，分为项目导入、学习探究、设计方案、任务分解、制作模型、优化拓展、分享与评价七个阶段开展。主要探究活动为：明确制作符合真实比例的太阳系模型的主题任务；收集太阳系八颗行星之间的距离、赤道直径、行星外观等重要信息；商讨太阳系模型的呈现形式、呈现地点，确定方案；明确小组成员的不同任务，包括选材（不同类型材料）、计算（等比例缩小）、制作分工等；按照数据大小制作太阳及各行星模型，明确展示方式；在制作过程中及时发现问题，解决问题并优化结构；分享与展示小组间的评价。在活动中，学生将抽象的天文知识转化为具体的模型，明确了八颗行星之间的位置关系和各自特点，加深了对太阳系结构的理解，激起了对宇宙的探索欲。

通过以上课例能够看出，建构模型对学生认识该领域的内容有很重要的帮助，教师应该尝试设计更丰富的探究活动来补充教材内容。

四、设计课题研究活动

课题研究不仅是学生发现问题和解决问题的过程，也可以让他们将所学的知识运用于实践，更能充分发挥他们的想象力和创造力，为培养拔尖创新人才奠定坚实的基础。学生在活动中不仅可以学习知识，而且可以提高动手能力。更可喜的是，一些学生发现了新问题、萌生了新的想法，并且为了解决自己的疑惑进行研究。

例如，有细心的学生发现了常见模型的弊端，市面上大多数模型都是天球的球心与太阳重合，天球是一个巨大的罩子，罩住整个太阳系。按照这种结构，如果要减小地球模型公转带来的地轴指向误差，需要将天球尽可能地做大，非常麻烦。于是学生查找大量的天文理论知识，发现天球的球心可以是观测者而不是太阳。最终学生打破传统思路，设计制作了一个天球和地球的球心重合，让天球与地球一起绕太阳公转的地轴进动演示模型。

在对地月系认识过程中，学生想到可以用模型演示日月食的原理。于是几组学生对市面上已有模型进行了调查，发现有些模型存在一定的错误：有的没有表达出日食、月食在半个月内相继发生，有的每个月都发生日食、月食，且没有展示出地球视角，不能展示日偏食、日环食现象等。由此，学生在全面学习日地月系统运行特点和规律的基础上，借鉴现有模型优点，设计制作了一套能够还原真实现象的日月食演示模型（如图3）。

在学习“火星”内容时，学生发现火星的运行轨道与别的星球不同，会有一段逆行的轨道。他们想将这一现象直观地呈现出来，于是进行了“火星逆行演示装置的设计与制作”的课题研究。

五、设计课后服务活动

利用学校提供的课后服务平台，结合学校天文社团开展的一系列相关活动，采用实地观察、模拟实验等方法，能让学生动手学天文，借助专业的工具和多媒体的丰富手段，参观、了解、探索宇宙的奥秘，这让地球与宇宙科学领域的知识学习不只局限于科学课堂，还用实际认知来学习更丰富的天文知识。

在天文社团课后服务中，教师设计了“我的行星”活动，旨在通过数学计算将各项数据换算成天文单位AU（Astronomical Unit）的倍数，引导学生进一步掌握八颗行星与太阳的距离——他们虽然之前已经知道了各行星离太阳的顺序和距离关系，但只是对数据有一定的感知，并不知道天文单位的概念。在活动中，学生首先了解了什么是天文单位等基础知识，了解天文学家使用天文单位描述天体之间距离的便利性；然后学生通过教师给出的数据组，计算出八颗行星的天文单位距离，即按照离太阳的距离由近及远排序，八颗行星依次为水星（0.4 AU）、金星（0.7 AU）、地球（1 AU）、火星（1.5 AU）、木星（5.2 AU）、土星（9.6 AU）、天王星（19 AU）、海王星（30 AU），并在活动图卡上贴出各行星的位置（如图4）。由于这些数据只是个位数、十位数，学生了解其比例关系更为简单直观，明确行星的位置就变得简单了。通过该活动可以将距离数字化，并且可以在学生头脑中大概建构起太阳系的模型。与国家课程相比，社团课后服务课程拓展了更多的天文知识，成为国家课程的有益补充。

通过课后服务时间开展此类活动，可以有效地缓解了学生的学业压力，使他们能够在轻松的环境中拓宽视野，培养科学素养。这种教学模式的推广，对提高学生的综合素质，培养创新能力和实践能力具有重要意义。

结语

地球与宇宙科学领域课程的设计与实施贯穿于整个科学教学过程。通过以上概念建构的方法和探究活动的实施，地球与宇宙科学领域教学效果有了明显改善。学生能够更为专注地研究地球与宇宙科学知识和原理，成功建构科学概念，发展空间思维。科学教师要及时跟进课程标准在地球与宇宙科学领域对学生发展的要求，不断调整课程结构，改进教学设计，启发学生深入思考，满足社会发展对该领域基础人才和拔尖创新人才的需求。

[课题：北京市教育科学“十四五”规划一般课题“小学科学课程‘地球与宇宙科学’领域中的探究活动设计与实施的行动研究”，编号：CGDB21234]

（作者单位：北京市东城区史家胡同小学）

参考文献

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