《走進(jìn)虛擬世界》有效教學(xué)

〔摘 要〕 2022年版《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》設(shè)置了十三個(gè)學(xué)科核心概念及四個(gè)跨學(xué)科概念，如何在教學(xué)實(shí)踐中組織學(xué)生通過(guò)對(duì)核心概念的學(xué)習(xí)，理解并貫通跨學(xué)科概念，是小學(xué)科學(xué)教師亟須解決的問(wèn)題。本文以青島版科學(xué)課例《走進(jìn)虛擬世界》為例，闡述“工程設(shè)計(jì)與物化”核心概念，實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科概念的有效教學(xué)，為小學(xué)科學(xué)實(shí)踐教學(xué)提供一定的實(shí)踐參考。

〔關(guān)鍵詞〕 小學(xué)科學(xué)；學(xué)科核心概念，跨學(xué)科概念；教學(xué)實(shí)踐

〔中圖分類(lèi)號(hào)〕 G424 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕 A 〔文章編號(hào)〕 1674-6317 （2024） 21 016-018

《走進(jìn)虛擬世界》是青島版義務(wù)教育教科書(shū)科學(xué)（五·四學(xué)制）四年級(jí)下冊(cè)第30課的內(nèi)容。課堂上，教師針對(duì)學(xué)生的認(rèn)知水平和年齡特征，結(jié)合“工程設(shè)計(jì)與物化”核心概念以及結(jié)構(gòu)與功能、系統(tǒng)與模型等跨學(xué)科概念開(kāi)展一系列探究活動(dòng)，注重引導(dǎo)學(xué)生動(dòng)手與動(dòng)腦相結(jié)合，在探究活動(dòng)中不斷反思、改進(jìn)，得到探究活動(dòng)的設(shè)計(jì)方案及操作方法，將零散知識(shí)、思維方法進(jìn)行整合，增強(qiáng)學(xué)生工程意識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

一、著眼學(xué)科核心概念，創(chuàng)設(shè)教學(xué)環(huán)節(jié)

工程活動(dòng)的本質(zhì)是創(chuàng)造人工實(shí)體，設(shè)計(jì)與物化是其中的重要環(huán)節(jié)，“工程設(shè)計(jì)與物化”作為新課標(biāo)中的核心概念，相較于其他核心概念，更有助于培養(yǎng)學(xué)生知行合一的良好品格。學(xué)生親歷明確問(wèn)題—設(shè)計(jì)方案—實(shí)施計(jì)劃—檢驗(yàn)作品—改進(jìn)完善—發(fā)布成果這六個(gè)要素，對(duì)物化結(jié)果有了一個(gè)直觀的、高效的了解反饋，并能結(jié)合具體情況找出問(wèn)題，進(jìn)行調(diào)整。在此過(guò)程中，學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、合作能力等科學(xué)素養(yǎng)也得到進(jìn)一步提升。

（一）創(chuàng)設(shè)情境，明確問(wèn)題

人類(lèi)在與自然界打交道的過(guò)程中，為了適應(yīng)自然、改善生存條件而產(chǎn)生了技術(shù)；人類(lèi)對(duì)已有的物質(zhì)材料和生活環(huán)境加以系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、加工、建造，以滿足人們的需求，就產(chǎn)生了工程。因此，技術(shù)和工程的原點(diǎn)都是人類(lèi)的需求，課堂上，我們同樣應(yīng)以生活中真實(shí)存在的問(wèn)題為原點(diǎn)激發(fā)學(xué)生的探究動(dòng)機(jī)。

課堂伊始，教師結(jié)合學(xué)生年齡特征，播放視頻創(chuàng)設(shè)情境。視頻中一位大漢頭戴某設(shè)備，站在屏幕前竟被嚇得大聲驚叫癱倒在地。教師提出問(wèn)題：大漢為什么會(huì)這樣？他到底看到了什么？以此調(diào)動(dòng)學(xué)生參與課堂的積極性。學(xué)生猜想可能是因?yàn)榭吹降漠?huà)面太恐怖導(dǎo)致大漢嚇得摔倒。緊接著教師利用多媒體設(shè)備重新播放大漢看到的視頻場(chǎng)景——第一視角乘坐過(guò)山車(chē)的視頻。學(xué)生觀看后發(fā)現(xiàn)視頻內(nèi)容并不可怕，由此，引發(fā)學(xué)生通過(guò)細(xì)致觀察和對(duì)比，明確問(wèn)題，只有利用VR眼鏡看VR視頻才能呈現(xiàn)可怕的視覺(jué)效果，進(jìn)而明確任務(wù)——制作VR眼鏡。

學(xué)起于思，知源于疑。教師通過(guò)情境創(chuàng)設(shè)，以問(wèn)題為驅(qū)動(dòng)，將知識(shí)習(xí)得與任務(wù)和問(wèn)題相結(jié)合，明確了本節(jié)課需要解決的問(wèn)題，激勵(lì)學(xué)生不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題。

（二）細(xì)思巧推，設(shè)計(jì)方案

工程的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)。通過(guò)連續(xù)、深層次思考，引導(dǎo)學(xué)生積極解決問(wèn)題，在激烈的討論中，得到“應(yīng)該怎樣做”“為什么這樣做”的答案，親歷設(shè)計(jì)的核心環(huán)節(jié)，充分發(fā)揮育人價(jià)值，提升工程思維和設(shè)計(jì)能力。

在明確需要先制作一個(gè)長(zhǎng)方體盒子的目標(biāo)后，教師拋出問(wèn)題：“VR盒子的長(zhǎng)、寬、高尺寸由什么決定？”引發(fā)學(xué)生思考，學(xué)生思考后展開(kāi)積極交流。一位學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，長(zhǎng)方體盒子的長(zhǎng)和寬要與手機(jī)的長(zhǎng)和寬尺寸一致。此時(shí)，另外一名學(xué)生則提出完善建議，認(rèn)為盒子的長(zhǎng)和寬應(yīng)該比手機(jī)稍微大一些，這樣方便拿取手機(jī)。就這樣，學(xué)生在自主談?wù)撝型晟屏碎L(zhǎng)方體長(zhǎng)和寬的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)?！澳呛凶拥母哂墒裁礇Q定呢？”這也是此次設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)。教師在學(xué)生沒(méi)有足夠事實(shí)依據(jù)支撐的猜想下，將學(xué)生的關(guān)注點(diǎn)從手機(jī)厚度與長(zhǎng)方體盒子高度的關(guān)系遷移至VR眼鏡鏡片與手機(jī)屏幕之間的距離上，引導(dǎo)學(xué)生對(duì)鏡片（凸透鏡）的使用方法進(jìn)行探究。學(xué)生將鏡片靠近眼睛，調(diào)整手掌與鏡片之間的距離，找到手掌放大后最清晰的像，量取鏡片與手掌之間的距離，確定盒子的高度，并使學(xué)生明確，只要盒子的高度和剛才量得的距離一樣，我們就能看到放大且清晰的像，進(jìn)而完成長(zhǎng)方體盒子各尺寸的設(shè)計(jì)。

隨后，教師借助問(wèn)題“放大的圖像有了，如何把圖像變成立體的呢？”讓學(xué)生再次展開(kāi)思考風(fēng)暴。在學(xué)生思考無(wú)果后，教師組織他們利用游戲?qū)R眼鏡立體成像原理進(jìn)行探究。教師首先出示游戲示意圖及游戲名稱(chēng)：一只眼睛的游戲。引導(dǎo)學(xué)生“看圖說(shuō)話”，說(shuō)出對(duì)游戲方法的理解。在學(xué)生結(jié)合圖文大膽猜想游戲方法后，教師與發(fā)言學(xué)生邊展示邊提要求，以此保證全體學(xué)生明確游戲步驟及要求。學(xué)生在游戲中發(fā)現(xiàn)，如果閉上一只眼睛，手指無(wú)法準(zhǔn)確觸碰到對(duì)方的手指，如果兩只眼睛同時(shí)觀察，則能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行觸碰，進(jìn)而引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)出VR眼鏡立體成像原理。這種“跳一跳摘桃子”的情境創(chuàng)設(shè)，讓學(xué)生的原理習(xí)得入心入腦。

（三）分工協(xié)作，物化檢測(cè)

實(shí)施計(jì)劃、檢驗(yàn)產(chǎn)品、改進(jìn)完善是工程設(shè)計(jì)與物化的三個(gè)重要環(huán)節(jié)，就是將工程設(shè)計(jì)的方案物化為現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品，以實(shí)現(xiàn)某種功能和價(jià)值。這一環(huán)節(jié)是核心環(huán)節(jié)，也是學(xué)生最喜歡的環(huán)節(jié)。學(xué)生通過(guò)動(dòng)手實(shí)踐，將自己的設(shè)想轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品，再通力合作對(duì)現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)、完善。遇到問(wèn)題或產(chǎn)品存在缺陷時(shí)，更要強(qiáng)調(diào)學(xué)生分工合作，揚(yáng)長(zhǎng)避短，合力解決問(wèn)題，以達(dá)到核心素養(yǎng)內(nèi)涵要求。

作品完成后，教師組織學(xué)生合理利用手機(jī)進(jìn)行效果測(cè)試。有的小組在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)VR眼鏡的視覺(jué)效果不佳，出現(xiàn)了屏幕呈現(xiàn)畫(huà)面模糊、不清晰的情況。為此，教師再次組織存在問(wèn)題的小組進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化，以達(dá)最佳呈現(xiàn)效果。學(xué)生在調(diào)整優(yōu)化的過(guò)程中，感受結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與產(chǎn)品功能存在著密切的聯(lián)系，逐漸意識(shí)到“結(jié)構(gòu)與功能”的跨學(xué)科概念，進(jìn)而遷移至其他相關(guān)內(nèi)容的學(xué)習(xí)和探究中來(lái)，形成系統(tǒng)性、穩(wěn)定性知識(shí)習(xí)得流程。

（四）回歸生活，發(fā)布成果

課堂是學(xué)生學(xué)習(xí)的主陣地，但絕不是學(xué)生學(xué)習(xí)的終點(diǎn)站。教學(xué)的目的是讓學(xué)生擁有良好的學(xué)習(xí)習(xí)慣、獨(dú)立的學(xué)習(xí)方法和深度的思考能力，更好地適應(yīng)未來(lái)、適應(yīng)社會(huì)。

教學(xué)時(shí)，學(xué)生在體驗(yàn)產(chǎn)品帶來(lái)的視覺(jué)沖擊過(guò)后，教師拋出問(wèn)題：“VR視頻能長(zhǎng)時(shí)間看嗎？”組織學(xué)生對(duì)“科技是把雙刃劍”這一觀念進(jìn)行思考和討論，為學(xué)科育人增色。最后鼓勵(lì)學(xué)生在課后依據(jù)家長(zhǎng)手機(jī)的尺寸，利用廢舊材料進(jìn)行VR眼鏡的制作，有序進(jìn)階，鞏固知識(shí)，構(gòu)建能力。

二、挖掘跨學(xué)科概念，促進(jìn)素養(yǎng)提升

人們對(duì)于問(wèn)題的思考和解答，并不是僅利用單一的知識(shí)就可以完成的。這一點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)的工程項(xiàng)目建設(shè)方面體現(xiàn)得尤為突出?？鐚W(xué)科概念是新課程標(biāo)準(zhǔn)的新增內(nèi)容，學(xué)生通過(guò)科學(xué)課程的學(xué)習(xí)，習(xí)得學(xué)科核心概念，最終逐步理解、掌握跨學(xué)科概念，對(duì)科學(xué)課程形成整體性、系統(tǒng)性、連貫性認(rèn)識(shí)。

（一）巧解難點(diǎn)，促進(jìn)“結(jié)構(gòu)與功能”跨學(xué)科概念的形成

“結(jié)構(gòu)與功能”跨學(xué)科概念在“工程設(shè)計(jì)與物化”核心概念中更容易展現(xiàn)。本節(jié)課，學(xué)生根據(jù)問(wèn)題需求，確定物化產(chǎn)品的功能。隨后，學(xué)生為了實(shí)現(xiàn)VR眼鏡立體成像的目標(biāo)開(kāi)展了設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。在針對(duì)VR盒子各尺寸設(shè)計(jì)的過(guò)程中，學(xué)生提出多種能夠滿足要求的設(shè)計(jì)方案，并在方案的優(yōu)化過(guò)程中，確定了切實(shí)可行的方案，最終得到一個(gè)功能外顯而結(jié)構(gòu)內(nèi)隱的物化產(chǎn)品，從而體會(huì)到系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與規(guī)律。

另外，學(xué)生在探究設(shè)計(jì)VR盒子的尺寸及調(diào)整測(cè)試VR眼鏡時(shí)發(fā)現(xiàn)，如果某一個(gè)結(jié)構(gòu)（尺寸）出現(xiàn)問(wèn)題，那么這個(gè)VR眼鏡就不能充分實(shí)現(xiàn)設(shè)想的功能和價(jià)值。學(xué)生在探究中感悟到物化產(chǎn)品功能與結(jié)構(gòu)的密切關(guān)聯(lián)，形成”結(jié)構(gòu)與功能”這一跨學(xué)科概念。

（二）設(shè)計(jì)整合，進(jìn)階“系統(tǒng)與模型”跨學(xué)科概念的形成

利用示意圖、文字或其他方式，表達(dá)自己的想法，是工程設(shè)計(jì)與物化這一核心概念的內(nèi)容要求。同時(shí)，示意圖作為模型的一種，可以幫助我們把不存在的或抽象的特征、事物具象化。授課中，教師組織學(xué)生通過(guò)示意圖直觀了解VR眼鏡的各個(gè)組成部分并展開(kāi)深入研究，將復(fù)雜的系統(tǒng)簡(jiǎn)化，抓住主要特征，提取系統(tǒng)模型，研究主要問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)比教師教具與學(xué)生制作的簡(jiǎn)易VR眼鏡，學(xué)生感受到生活中的實(shí)際產(chǎn)品是復(fù)雜、繁復(fù)的系統(tǒng)，自己制作的僅僅是一個(gè)能夠反映物化產(chǎn)品特征的簡(jiǎn)易模型，是一個(gè)真實(shí)系統(tǒng)的模型。另外，學(xué)生通過(guò)操作，將簡(jiǎn)單的零件和材料整合成一個(gè)具有立體成像功能的物化產(chǎn)品。產(chǎn)品具有系統(tǒng)的功能且零件與材料之間存在密切聯(lián)系和科學(xué)原理。這些都能夠使學(xué)生進(jìn)階理解“系統(tǒng)與模型”的跨學(xué)科概念。

三、結(jié)語(yǔ)

縱觀本節(jié)課，學(xué)生由問(wèn)題出發(fā)明確需求，通過(guò)思考和討論得到設(shè)計(jì)方案，經(jīng)過(guò)實(shí)施計(jì)劃、檢驗(yàn)產(chǎn)品、改進(jìn)完善，最終得到物化成品，最大限度地發(fā)揮了學(xué)生的自主性和實(shí)踐力，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和工程方法，實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科概念的有效教學(xué)，探究出一條“工程設(shè)計(jì)與物化”核心概念的實(shí)踐之路，提升了學(xué)生的學(xué)科核心素養(yǎng)。

【本文系中國(guó)教育學(xué)會(huì)2022年度教育科研一般規(guī)劃課題“核心素養(yǎng)視域下小學(xué)科學(xué)跨學(xué)科教學(xué)實(shí)踐研究”階段性研究成果，課題編號(hào)：202200261001B】

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