5G助力素養(yǎng)導(dǎo)向下的“地球與宇宙”教學(xué)

張懿

小學(xué)科學(xué)是以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)為要旨的基礎(chǔ)性課程?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱《課程標(biāo)準(zhǔn)》）順應(yīng)當(dāng)今世界科學(xué)技術(shù)發(fā)展潮流，進一步豐富和完善了“課程實施”部分的課程資源開發(fā)與利用等內(nèi)容，明確指出科學(xué)教師要有選擇與組合課程資源的意識和能力，充分利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和資源、利用信息技術(shù)輔助手段促進信息技術(shù)與科學(xué)學(xué)習(xí)深度融合，進而推動科學(xué)教學(xué)的有效進行，促進學(xué)生核心素養(yǎng)的形成和發(fā)展[1]。小學(xué)科學(xué)“地球與宇宙”科學(xué)領(lǐng)域所研究的有關(guān)現(xiàn)象、事物和規(guī)律具有時間和空間的復(fù)雜性，教師開展相關(guān)教學(xué)能有效發(fā)展學(xué)生的空間想象、邏輯思維、邏輯推理等能力。由于該領(lǐng)域內(nèi)容在教學(xué)方法、方式上，明顯有別于物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域，不能直接用研究對象做實驗，而較成熟的實驗項目和儀器比較少，因此教學(xué)難度較大。第五代移動通信技術(shù)（5G）的誕生和應(yīng)用有望解決這一難題。5G是具有高速率、低時延和大連接特點的新一代寬帶移動通信技術(shù)。5G正在引發(fā)教育教學(xué)變革，促進全息技術(shù)、高清視頻的應(yīng)用以及VR、AR等教學(xué)形態(tài)的涌現(xiàn)。5G的應(yīng)用有利于學(xué)生調(diào)動多個感官、通過多種媒介協(xié)同參與學(xué)習(xí)過程，促成其他技術(shù)手段在學(xué)習(xí)環(huán)境中的“超快獲取”“超多連接”“超強可靠”，可以有效改善一些新型數(shù)字資源需要從服務(wù)器端調(diào)用過大視頻、高清圖像以及復(fù)雜交互功能等所附帶的延遲、卡殼、低清晰度等狀況[2]?？茖W(xué)教師在5G環(huán)境下實施“地球與宇宙”教學(xué)，可以有效提高教學(xué)效率。下面，筆者以教科版科學(xué)六年級下冊“宇宙”單元“探索宇宙”為例，介紹在科學(xué)核心素養(yǎng)導(dǎo)向下，5G如何助力小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)。

一、通過“VR+”獲取科學(xué)事實，形成科學(xué)觀念

科學(xué)觀念是科學(xué)學(xué)科本質(zhì)屬性的集中體現(xiàn)?？茖W(xué)觀念由科學(xué)概念發(fā)展形成而來，科學(xué)概念由科學(xué)事實概括抽象而來，因此科學(xué)觀念的形成離不開科學(xué)事實的獲得。地球是太陽系的一顆行星，也是目前人們認(rèn)識到的宇宙中唯一適合人類生存的天體?！暗厍蚺c宇宙”科學(xué)領(lǐng)域知識是引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識自然的重要內(nèi)容，但宇宙天體多是宏大的且遙不可及，常態(tài)環(huán)境下教師讓學(xué)生親自感知、獲取相關(guān)科學(xué)事實是非常困難的。學(xué)生實際觀察的宇宙天體，除了造成日夜交替的太陽、夜間的月相外，大概就只有夜晚漫天的星星了。宇宙到底有多大？它有怎樣的特點？對于“地球與宇宙”科學(xué)領(lǐng)域課程內(nèi)容，教師要充分利用5G強大的通信能力和VR等技術(shù)手段引導(dǎo)學(xué)生通過體驗、觀察、綜合與分析來獲取科學(xué)事實，進而為學(xué)生形成正確的宇宙觀、自然觀、人地協(xié)調(diào)的可持續(xù)發(fā)展觀奠定基礎(chǔ)。

教師講授“探索宇宙”時，不僅要指導(dǎo)學(xué)生利用VR技術(shù)探索宇宙，通過虛擬環(huán)境給學(xué)生以宇宙環(huán)境的沉浸感和畫面感，借助計算機圖形技術(shù)調(diào)動學(xué)生的視覺、聽覺、運動覺等多種感知，在實時動態(tài)的三維圖像中真切感受宇宙的特點，而且要引導(dǎo)學(xué)生從地球出發(fā)，由遠(yuǎn)及近地穿越地月系、太陽系、銀河系等，在切身經(jīng)歷中逐步建立對宇宙中各天體系統(tǒng)及其關(guān)系的認(rèn)識。

VR技術(shù)的應(yīng)用為學(xué)生探索宇宙提供了便利。但在教學(xué)中，對于科學(xué)事實的獲取，教師不能只依賴VR技術(shù)讓學(xué)生在虛擬現(xiàn)實體驗中獲得直觀感受，而要通過“VR+”的形式，將VR技術(shù)與超高清圖片、文字資料等其他教學(xué)資源相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生從獲取的大量科學(xué)事實中對其進行科學(xué)概括，進一步建構(gòu)和完善科學(xué)認(rèn)知。如在學(xué)生穿越宇宙后，教師可提供地月系、太陽系、銀河系、河外星系、總星系、宇宙等各天體系統(tǒng)圖片，出示關(guān)于各天體系統(tǒng)的文字介紹。學(xué)生結(jié)合虛擬現(xiàn)實體驗中的“記憶”和文字信息，描述（辨別）圖片并指認(rèn)各天體系統(tǒng)名稱，了解各天體系統(tǒng)的特點，并用韋恩圖表示天體系統(tǒng)間的包含關(guān)系（如圖1）。

按照上述做法，教師使用VR技術(shù)創(chuàng)設(shè)虛擬宇宙環(huán)境，讓學(xué)生通過感官初步感受宇宙，了解各天體系統(tǒng)的關(guān)系;再通過“VR+”的形式，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)進一步引導(dǎo)學(xué)生積累科學(xué)事實、進行科學(xué)概括，在空間廣度和天體系統(tǒng)包含關(guān)系方面深化學(xué)生對宇宙的認(rèn)識。

二、基于數(shù)據(jù)分析建構(gòu)模型，培育科學(xué)思維

科學(xué)思維是適應(yīng)現(xiàn)代社會發(fā)展最重要的思維方式，《課程標(biāo)準(zhǔn)》要求學(xué)生在學(xué)習(xí)中掌握基本的思維方法，具有初步的科學(xué)思維能力?？茖W(xué)思維方法包括分析與綜合、比較與分類、抽象與概括等，對“地球與宇宙”領(lǐng)域而言，學(xué)生要學(xué)會合理分析與綜合判斷各種信息、事實和證據(jù)，運用證據(jù)與推理對研究的問題進行描述，理解模型、建構(gòu)模型。

如在探討“宇宙到底有多大”時，學(xué)生在虛擬現(xiàn)實中觀察到的情況與科學(xué)家用天文望遠(yuǎn)鏡觀測到的結(jié)果頗為相似，并沒有看到宇宙邊緣。這時，教師可借助5G規(guī)避一些以往人機交互出現(xiàn)的延遲、卡殼等現(xiàn)象，通過云端數(shù)據(jù)庫依次出示日地距離、光速等資料：

日地距離平均值為14960萬千米。

光的傳播速度約30萬千米每秒。

銀河系直徑約10萬光年。

光年就是光在一年中所走的距離，它是用來計量恒星間距離的單位。

學(xué)生使用平板電腦的計算功能對數(shù)據(jù)進行處理，計算太陽光照射到地球需要的時間、銀河系直徑的千米數(shù)，對數(shù)據(jù)進行分析，對宇宙進行量化描述，用聯(lián)想與想象的思維方法建構(gòu)宇宙模型，理解宇宙的廣袤。

學(xué)生計算后發(fā)現(xiàn)，用千米作為單位，銀河系直徑為300000 × 60 × 60 × 24 × 365 × 100000=946，080，000，000，000，000千米。學(xué)生感覺這個數(shù)字巨大，但缺乏實際的感官體驗。教師順勢指出：如果繼續(xù)計算，還可以得出，如果乘坐飛行速度為800 km/h的飛機穿越銀河系，需要1350億年才能穿越，這個時間接近于地球現(xiàn)階段年齡的30倍。

云端數(shù)據(jù)庫收錄了部分科普著作片段，教師在課堂上出示這些資源時可以在5G助力下實現(xiàn)“超快獲取”。例如，學(xué)生在虛擬現(xiàn)實中觀察感受到宇宙的膨脹，質(zhì)問“這種膨脹真實存在嗎”。此時，教師通過云端數(shù)據(jù)庫出示史蒂芬·霍金在《時間簡史》中關(guān)于膨脹的宇宙的論述，讓學(xué)生明白宇宙的膨脹就如同在地表引燃火箭，如果它膨脹得相當(dāng)慢，引力就會使之最終停止膨脹然后開始收縮，但是如果它以比某一臨界值更大的速度膨脹，引力則不足以使它停止膨脹，宇宙就會繼續(xù)膨脹下去[3]。教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合科學(xué)著作中的文本進行分析與論證，解答學(xué)生的疑惑，啟發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)家的思維方式。學(xué)生參與數(shù)據(jù)分析和文本分析活動，有利于提高科學(xué)思維能力。

三、App檢索助力學(xué)生自主學(xué)習(xí)，促進科學(xué)探究

探究既是學(xué)生進行科學(xué)學(xué)習(xí)、發(fā)展科學(xué)素養(yǎng)的主要途徑，又是科學(xué)素養(yǎng)內(nèi)涵要求的關(guān)鍵能力之一。探究能力包括科學(xué)分析能力、技術(shù)與工程實踐能力、自主學(xué)習(xí)能力。不同領(lǐng)域、類型的課程內(nèi)容適用于或偏重于某些能力的培養(yǎng)。對于“地球與宇宙”領(lǐng)域中一些既不適合科學(xué)探究又不便于開展技術(shù)與工程實踐的課程，教師不妨充分調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，著重對學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力進行培育。

如“探索宇宙”中，關(guān)于人類對宇宙的探索，教材列舉了幾種典型的太空技術(shù)成果，但紙媒呈現(xiàn)的畫面有些失真，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣不高，認(rèn)知困難。師生應(yīng)用Solar Walk App后，畫面失真等問題迎刃而解。該App可以完整呈現(xiàn)航天器，結(jié)合逼真的3D航天器進行介紹，尤其在5G的加持下可以更加直觀、流暢、動態(tài)地呈現(xiàn)航天器特征，展現(xiàn)世界太空科技成果。除此之外，學(xué)生還可以使用該App檢索星系視圖、衛(wèi)星圖，從不同的位置觀察太陽系行星方位，課后進一步自主學(xué)習(xí)相關(guān)知識。

基于這樣的發(fā)現(xiàn)，在課堂教學(xué)中，教師簡要介紹了Solar walk App的使用方法和要求，引導(dǎo)各組學(xué)生利用Solar walk App完成“斯普特尼克1號”人造衛(wèi)星、“探險者1號”探測器、“東方1號”宇宙飛船、“哈勃”空間望遠(yuǎn)鏡等航天器的檢索任務(wù)（如圖2至圖4），并摘錄關(guān)鍵詞，用自己的語言進行描述。教師通過任務(wù)驅(qū)動學(xué)生自主學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)應(yīng)用能力、資料收集能力、處理信息能力、交流表達(dá)能力，培養(yǎng)學(xué)生的數(shù)字化生存能力，使其適應(yīng)社會信息化的發(fā)展要求。

在小組匯報學(xué)習(xí)成果之后，教師引導(dǎo)學(xué)生按照時間順序?qū)⑸鲜鎏占夹g(shù)成就進行排序，出示首架航天飛機——“哥倫比亞號”航天飛機、最早的空間站——“禮炮一號”空間站，補全并完善典型太空技術(shù)成就排序。

Solar walk App的應(yīng)用點燃了學(xué)生對太空技術(shù)的研究熱情。為拓展學(xué)生對太空技術(shù)的認(rèn)識，教師布置了課后自主學(xué)習(xí)任務(wù)供學(xué)生自選完成：學(xué)生可每3人或4人自結(jié)為一組，在Solar walk App可輔助的范圍內(nèi)，自主確定檢索與學(xué)習(xí)的目標(biāo)，確定學(xué)習(xí)與分工策略，督促與落實學(xué)習(xí)過程，反思總結(jié)，并在期末自愿報名參與集中宣講活動。

四、利用高清視頻呈現(xiàn)科學(xué)史實，涵育態(tài)度責(zé)任

《課程標(biāo)準(zhǔn)》全面落實有理想、有本領(lǐng)、有擔(dān)當(dāng)?shù)臅r代新人培養(yǎng)要求，強調(diào)學(xué)科課程要體現(xiàn)中國和中華民族風(fēng)格、體現(xiàn)國家意志和民族基本價值觀、體現(xiàn)人類文化知識積累和創(chuàng)新成果，堅持德育為先，增強課程的思想性。這就要求科學(xué)教師要努力挖掘相關(guān)教學(xué)內(nèi)容，找準(zhǔn)學(xué)科課程與態(tài)度責(zé)任目標(biāo)的契合點，揭示科學(xué)學(xué)習(xí)和態(tài)度責(zé)任培育的內(nèi)在聯(lián)系，通過有意識而又自然的態(tài)度責(zé)任滲透將相關(guān)主題教育有機融入課程。

科學(xué)報國是一代代中國科技工作者堅定的理想信念。從無人登月取壤返回、探測器著陸火星，到神舟十三號、神舟十四號飛船接連成功發(fā)射，我國航天部門在發(fā)展科技的同時，也正一步步將普通人的目光引向宇宙深處。做教學(xué)設(shè)計之前，教師分析教材，思考如何培育學(xué)生的態(tài)度責(zé)任，發(fā)現(xiàn)“探索宇宙”教學(xué)目標(biāo)中“了解我國空間技術(shù)的最新發(fā)展”與態(tài)度責(zé)任目標(biāo)中愛國主義教育存在交集，進而將其作為培育學(xué)生“科技自立自強”和“科學(xué)報國”的態(tài)度責(zé)任的載體。課堂上，教師在帶領(lǐng)學(xué)生回顧太空技術(shù)成就后，播放我國航天神舟系列運載火箭的高清視頻，并指出，百多年來，無數(shù)科學(xué)家和工程專家為實現(xiàn)人類探索宇宙的偉大理想進行了前赴后繼的艱苦奮斗。教師接著介紹我國天文學(xué)家、中國科學(xué)院前國家天文臺研究員、“中國天眼之父”南仁東，通過高清視頻呈現(xiàn)南仁東等科學(xué)工作者“干驚天動地事、做隱姓埋名人”、懷揣“科學(xué)沒有國界，但科學(xué)家有祖國”的科學(xué)志向的勵志故事，通過師生互動和“我為先驅(qū)寫彈幕”等形式，帶領(lǐng)學(xué)生向科學(xué)前輩致敬，表達(dá)崇高敬意，立志科學(xué)報國，讓家國情懷的幼苗扎根學(xué)生心田。這對促進學(xué)生理解科技自立自強，培育學(xué)生科學(xué)報國理想信念，增強民族自豪感具有積極意義，對態(tài)度責(zé)任等素養(yǎng)提升的落實、落細(xì)具有重要作用。

宇宙是宏大而神秘的，太空技術(shù)伴隨人類文明不斷發(fā)展。此次“地球與宇宙”科學(xué)領(lǐng)域教學(xué)中，教師充分利用VR等信息技術(shù)，攻破了學(xué)生在空間模型建構(gòu)、科學(xué)史實學(xué)習(xí)中的“天然”距離屏障，為落實包括科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實踐、態(tài)度責(zé)任四個方面的學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展要求提供了新范式。同時，這里需要強調(diào)以下幾點：一是5G只是輔助手段，切不可唯技術(shù)手段、重技術(shù)手段，不可因技術(shù)手段的應(yīng)用而導(dǎo)致教學(xué)活動偏離教學(xué)目標(biāo);二是5G的應(yīng)用要融入啟發(fā)式、探究式、互動式等教學(xué)過程，應(yīng)使5G創(chuàng)生的新教學(xué)形態(tài)與傳統(tǒng)教學(xué)在育人功能上保持同向性;三是5G有鮮明的時代性，但其中一些手段在教學(xué)中應(yīng)用尚不成熟，教師在使用前要進行驗證，要時刻保持審慎意識，確保相關(guān)內(nèi)容的科學(xué)性、時效性、思想性;四是對于多終端設(shè)備（如平板電腦等）的使用，教師要介紹使用方法，規(guī)范學(xué)生行為，同時確保設(shè)備使用行為可監(jiān)控、易管理。

參考文獻(xiàn)

[1] 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn) ：2022年版[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

[2] 趙興龍，許林，李雅瑄.5G之教育應(yīng)用：內(nèi)涵探解與場景創(chuàng)新——兼論新興信息技術(shù)優(yōu)化育人生態(tài)的新思考[J].中國電化教育，2019（4）：5-9.

[3] 史蒂芬·霍金.時間簡史[M].許明賢，吳忠超，譯.長沙：湖南科學(xué)技術(shù)出版社，2010.

（作者系首都師范大學(xué)初等教育學(xué)院碩士研究生）

責(zé)任編輯：祝元志