館校結(jié)合開(kāi)展跨學(xué)科學(xué)習(xí)的策略初探

《全民科學(xué)素質(zhì)行動(dòng)規(guī)劃綱要（2021—2035年）》提出，要建立校內(nèi)外科學(xué)教育資源有效銜接機(jī)制。實(shí)施館校合作行動(dòng)，引導(dǎo)中小學(xué)生充分利用科技館、博物館等科普?qǐng)鏊鶑V泛開(kāi)展各類學(xué)習(xí)實(shí)踐活動(dòng)。2022年版科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)立足學(xué)生核心素養(yǎng)的發(fā)展，在課程資源開(kāi)發(fā)與利用中提倡充分利用身邊的、易得的科學(xué)課程資源幫助學(xué)生學(xué)習(xí)，發(fā)揮科技館的作用，通過(guò)實(shí)地考察等途徑，促進(jìn)課程目標(biāo)的達(dá)成。由此可以看出，以有效培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為根本目的，充分發(fā)揮科技館的資源優(yōu)勢(shì)推動(dòng)小學(xué)科學(xué)教育的發(fā)展是非常必要的。在“設(shè)計(jì)冬暖夏涼的環(huán)保小屋”主題活動(dòng)教學(xué)中，我們探索館校結(jié)合開(kāi)展跨學(xué)科學(xué)習(xí)。

一、背景分析

1.不同版本教材內(nèi)容分析

“設(shè)計(jì)冬暖夏涼的環(huán)保小屋”主題活動(dòng)是基于小學(xué)科學(xué)“保溫與散熱”這一教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)的。從教學(xué)內(nèi)容的分析來(lái)看，隸屬于2022年版科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中核心概念“技術(shù)、工程與社會(huì)”。“技術(shù)與工程”是在2017年版科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)中增加的，它不僅豐富了小學(xué)科學(xué)教育的內(nèi)涵，也使學(xué)生獲得了更廣闊的發(fā)展空間。我們應(yīng)該意識(shí)到，技術(shù)與工程實(shí)踐活動(dòng)和科學(xué)探究活動(dòng)具有同等重要的地位和作用，兩者相互補(bǔ)充、相得益彰。縱觀人教鄂教版、湘版和教科版教材內(nèi)容及編排順序，對(duì)于熱傳遞內(nèi)容的學(xué)習(xí)，最終都落腳在設(shè)計(jì)并制作一個(gè)保溫（散熱）裝置上（見(jiàn)表1）。

已有教材在內(nèi)容的選擇與編排上存在以下問(wèn)題：首先，大部分教材忽略了工程設(shè)計(jì)的基本流程，即確定問(wèn)題—制訂合理的解決方案—分析解決方案—優(yōu)化解決方案—展示交流，而經(jīng)歷這樣的流程對(duì)學(xué)生而言是十分必要的，這能夠強(qiáng)化他們對(duì)重要技能和科學(xué)知識(shí)的領(lǐng)悟，使他們逐步理解工程、技術(shù)、科學(xué)和社會(huì)是如何相互聯(lián)系的，由此實(shí)現(xiàn)課程標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。其次，學(xué)校場(chǎng)地、設(shè)施的局限，以及一些常用的保溫散熱材料的缺乏，極大阻礙了學(xué)生的探究欲望。

2.“綠色之家”展品分析

中國(guó)科學(xué)技術(shù)館“同構(gòu)能源格局”常設(shè)展廳的“綠色之家”展品，由一棟被動(dòng)節(jié)能屋以及7個(gè)互動(dòng)子展品構(gòu)成。互動(dòng)子展品包括：建造你的節(jié)能房屋、被動(dòng)節(jié)能屋的墻體結(jié)構(gòu)、被動(dòng)節(jié)能屋的窗戶結(jié)構(gòu)、中央控制系統(tǒng)（包括照明系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、新風(fēng)系統(tǒng)等功能）、雨水收集系統(tǒng)、踩踏發(fā)電系統(tǒng)、節(jié)能屋頂。通過(guò)互動(dòng)子展品，展示被動(dòng)節(jié)能屋的墻體結(jié)構(gòu)、門(mén)窗結(jié)構(gòu)、新風(fēng)系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等先進(jìn)節(jié)能技術(shù)。其中蘊(yùn)含的很多內(nèi)容與學(xué)生所學(xué)的有關(guān)熱的知識(shí)聯(lián)系緊密，可以很好地彌補(bǔ)課堂學(xué)習(xí)的不足，為本次課程的實(shí)施提供保障。

3.學(xué)情分析

我校高年級(jí)學(xué)生在人教鄂教版五年級(jí)《科學(xué)》第一單元中學(xué)習(xí)過(guò)熱傳遞的三種方式——熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射，以及保溫與散熱的方法。在該單元的最后，學(xué)生需要進(jìn)行一項(xiàng)保溫設(shè)計(jì)，但他們還不能將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)于技術(shù)與工程對(duì)人們生活、生產(chǎn)和社會(huì)的影響沒(méi)有形成科學(xué)的認(rèn)識(shí)。

二、活動(dòng)簡(jiǎn)述

基于以上分析，我們?cè)谌私潭踅贪娼滩摹侗嘏c散熱》一課的基礎(chǔ)上創(chuàng)設(shè)了“設(shè)計(jì)冬暖夏涼的環(huán)保小屋”主題活動(dòng)（如圖1），目的是針對(duì)當(dāng)今社會(huì)上普遍比較關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題（如極端天氣的頻繁出現(xiàn)等），引導(dǎo)學(xué)生利用已有知識(shí)，嘗試解決生活中的一些問(wèn)題，通過(guò)經(jīng)歷“確定問(wèn)題—制訂合理的解決方案—分析解決方案—優(yōu)化解決方案—展示交流”的學(xué)習(xí)歷程，理解技術(shù)與工程設(shè)計(jì)的一般流程，在培養(yǎng)他們實(shí)踐與創(chuàng)新能力的同時(shí)，培養(yǎng)他們的社會(huì)責(zé)任感，并引導(dǎo)他們樹(shù)立保護(hù)環(huán)境的意識(shí)。

“設(shè)計(jì)冬暖夏涼的環(huán)保小屋”主題活動(dòng)的目標(biāo)如下：

通過(guò)參觀“綠色之家”展品，了解綠色節(jié)能房屋的墻體、窗戶、屋頂、地板等特點(diǎn)，以及它們的保溫與散熱的原理。

通過(guò)設(shè)計(jì)、改進(jìn)“冬暖夏涼的環(huán)保小屋”，能夠?qū)⑺鶎W(xué)有關(guān)熱的知識(shí)與實(shí)際生活相聯(lián)系，將具體知識(shí)轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)方案。

通過(guò)參觀與設(shè)計(jì)活動(dòng)，了解科學(xué)技術(shù)與生態(tài)環(huán)境的密切關(guān)系，進(jìn)一步建立和傳播綠色低碳的生活方式和理念。

通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)“冬暖夏涼的環(huán)保小屋”，在不斷迭代改進(jìn)的過(guò)程中，體會(huì)工程設(shè)計(jì)的復(fù)雜性、系統(tǒng)性與綜合性。

三、活動(dòng)實(shí)施過(guò)程與效果

1.聚焦研究問(wèn)題

教師出示一張匯集了全球不同的氣候研究機(jī)構(gòu)公布的從1850年至今的氣溫變化圖，問(wèn)學(xué)生從這張圖片中有哪些思考？學(xué)生交流后，提出以下問(wèn)題：造成全球氣溫上升的原因是什么？全球氣溫升高有什么影響？怎樣減少氣溫的上升？在這樣的環(huán)境下，有沒(méi)有適合居住的房子，讓人感覺(jué)不那么熱？通過(guò)對(duì)熱單元的學(xué)習(xí)，哪些問(wèn)題是可以在課堂中開(kāi)展研究的？教師引導(dǎo)學(xué)生開(kāi)展討論，回顧熱傳遞三種方式的特點(diǎn)、不同材料的導(dǎo)熱性能以及生活中的一些保溫和散熱的方法等，逐步聚焦到思考如何利用保溫和散熱的知識(shí)，以及身邊的節(jié)能環(huán)保材料，設(shè)計(jì)并制作一個(gè)“冬暖夏涼的環(huán)保小屋”。

2.初步設(shè)計(jì)，完成設(shè)計(jì)圖

由于在生活中接觸的現(xiàn)代化產(chǎn)品較多，學(xué)生最初的設(shè)計(jì)圖能夠關(guān)注到雙層玻璃、羽絨保溫簾等一些常見(jiàn)的可以起到保溫、散熱作用的材料，大部分的設(shè)計(jì)都體現(xiàn)了對(duì)電能、太陽(yáng)能等能量轉(zhuǎn)換方式的應(yīng)用（如圖2），而對(duì)于房屋結(jié)構(gòu)、材料的導(dǎo)熱性能等方面的關(guān)注還較為欠缺，對(duì)工程設(shè)計(jì)的系統(tǒng)意識(shí)還不夠。這些問(wèn)題在學(xué)生的初步設(shè)計(jì)中較為普遍。

3.分析設(shè)計(jì)，改進(jìn)設(shè)計(jì)圖

學(xué)生圍繞以下兩個(gè)問(wèn)題展開(kāi)討論，進(jìn)一步分析設(shè)計(jì)方案的不足。

問(wèn)題1：我們?cè)谠O(shè)計(jì)中利用了哪些保溫、散熱的方法？用到了哪些節(jié)能環(huán)保的材料？

問(wèn)題2：我們?cè)谠O(shè)計(jì)的過(guò)程中還發(fā)現(xiàn)了哪些問(wèn)題？打算如何解決？

在討論的過(guò)程中，學(xué)生體會(huì)到工程設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和系統(tǒng)性，也發(fā)現(xiàn)了自己最初設(shè)計(jì)中的一些不足。隨著學(xué)生知識(shí)的不斷豐富，認(rèn)識(shí)的不斷深入，他們對(duì)于設(shè)計(jì)方案也有了更深入的思考。由于課堂中的已有資源不足以支撐在工程設(shè)計(jì)方面的進(jìn)一步學(xué)習(xí)與探索，因此教師可以帶領(lǐng)學(xué)生走進(jìn)中國(guó)科學(xué)技術(shù)館，借助館內(nèi)相關(guān)資源，幫助他們進(jìn)行學(xué)習(xí)、體驗(yàn)和實(shí)踐，給他們創(chuàng)造更多的機(jī)會(huì)不斷地對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)和完善。

學(xué)生在參觀“綠色之家”展品時(shí)，主要參觀被動(dòng)節(jié)能屋的墻體結(jié)構(gòu)、窗戶結(jié)構(gòu)、節(jié)能屋頂、中央控制系統(tǒng)幾個(gè)展品（如圖3），了解節(jié)能房屋墻體的氣密性和保溫性原理、節(jié)能窗戶結(jié)構(gòu)的氣密性和保溫性原理、不同種類的節(jié)能屋頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)與功能、中央控制系統(tǒng)的特性等。

學(xué)生回到課堂后，隨之進(jìn)行交流：通過(guò)參觀和體驗(yàn)“綠色之家”展品，有哪些收獲和思考？很多學(xué)生表示能夠更多地關(guān)注到房屋的結(jié)構(gòu)，以及根據(jù)材料的性能進(jìn)行合理選擇，也進(jìn)一步明確和理解了自己這樣設(shè)計(jì)的科學(xué)原理。隨后，學(xué)生圍繞保溫、散熱效果與環(huán)保節(jié)能進(jìn)行討論，并對(duì)設(shè)計(jì)圖進(jìn)行了修改（如圖4）。

經(jīng)過(guò)這樣的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，學(xué)生理解和應(yīng)用了“熱”相關(guān)知識(shí)，同時(shí)在實(shí)踐活動(dòng)中切實(shí)體會(huì)到工程設(shè)計(jì)的一般流程以及其特有的復(fù)雜性和系統(tǒng)性，感受到工程思維在技術(shù)與工程領(lǐng)域中的重要意義，由此真正實(shí)現(xiàn)了館校結(jié)合的學(xué)習(xí)方式對(duì)于他們科學(xué)學(xué)習(xí)的積極作用。

4.根據(jù)設(shè)計(jì)圖制作模型

學(xué)生根據(jù)自己的設(shè)計(jì)圖，利用3D打印材料制作了房屋的整體框架，同時(shí)采用太陽(yáng)能板，為房屋提供基礎(chǔ)電能，通過(guò)門(mén)、窗以及室內(nèi)的風(fēng)扇進(jìn)行散熱，此外通過(guò)地暖進(jìn)行冬季供暖。學(xué)生初步經(jīng)歷了較為完整的設(shè)計(jì)、制作過(guò)程，最終做出模型。

5.評(píng)估測(cè)試，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案

為了更好地判斷模型的保溫、散熱效果，學(xué)生設(shè)計(jì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)對(duì)模型的保溫、散熱效果進(jìn)行測(cè)試。例如，學(xué)生將小屋放置在冰箱中模擬冷的環(huán)境，在小屋里面放一個(gè)裝有水的燒杯，記錄燒杯內(nèi)水的初始溫度，經(jīng)過(guò)3分鐘再次記錄燒杯內(nèi)水的溫度，根據(jù)前后的溫度差來(lái)分析保溫效果。

再如，學(xué)生將小屋放在陽(yáng)光充足的窗臺(tái)模擬較熱的環(huán)境，記錄小屋內(nèi)的初始溫度，經(jīng)過(guò)3分鐘后再次記錄小屋內(nèi)的溫度，根據(jù)前后的溫度差來(lái)判斷散熱效果。

經(jīng)過(guò)測(cè)試，學(xué)生發(fā)現(xiàn)燒杯內(nèi)的水在3分鐘后溫度降低了13.3攝氏度，而放在窗臺(tái)上小屋內(nèi)的溫度并沒(méi)有變化。因此，學(xué)生認(rèn)為小屋的保溫和散熱的效果均不太理想，還要進(jìn)一步改進(jìn)。

通過(guò)上述的測(cè)試，學(xué)生對(duì)于自己的設(shè)計(jì)方案有了更進(jìn)一步的思考，并提出了改進(jìn)方案，那么這種改進(jìn)是否可行或是否能夠起到預(yù)期的效果呢？還有沒(méi)有可以完善的地方？當(dāng)學(xué)生再次思考和討論時(shí)，教師給他們提供一些相關(guān)的資料補(bǔ)充（調(diào)光玻璃的隔熱與阻隔作用、植物的光合作用與蒸騰作用、風(fēng)力發(fā)電等清潔能源），幫助他們了解在節(jié)能環(huán)保方面還有哪些可以采取的措施，為他們后續(xù)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供參考。

在課堂教學(xué)中不具備在設(shè)計(jì)與制作方面更為豐富和可操作的條件，因此我們?cè)俅谓柚萍拣^的資源，讓學(xué)生在材料與設(shè)計(jì)方面有更多的了解和體驗(yàn)。例如，“建造節(jié)能房屋”的互動(dòng)體驗(yàn)活動(dòng)，以3D動(dòng)畫(huà)的形式，生動(dòng)形象地展示被動(dòng)節(jié)能屋中各個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況，以幫助學(xué)生對(duì)完善后的設(shè)計(jì)進(jìn)行可行性分析。

之后，教師帶領(lǐng)學(xué)生圍繞“你建造的節(jié)能房屋是什么樣子的？它有什么特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)嗎？”這兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行交流，引導(dǎo)他們發(fā)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)不是一蹴而就的，要在設(shè)計(jì)過(guò)程中不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)于比較復(fù)雜的設(shè)計(jì)可能還需要多次修改和完善，進(jìn)而使作品真正地服務(wù)于人們的生活。我們的設(shè)計(jì)同樣也是，想要達(dá)成預(yù)期效果，需要不斷地進(jìn)行設(shè)計(jì)上的迭代，使它更為科學(xué)、合理。在這個(gè)過(guò)程中，學(xué)生逐漸理解了工程設(shè)計(jì)的過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。學(xué)生根據(jù)交流討論，再次對(duì)“冬暖夏涼的環(huán)保小屋”的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)和完善（如圖5）。

6.改進(jìn)、完善模型，再次測(cè)試

除了設(shè)計(jì)圖，學(xué)生在原有模型的基礎(chǔ)上，還在小屋外壁貼上一層泡沫板來(lái)模擬保溫墻，在房屋的頂部鋪上一層花泥模擬土壤，以及放上一些綠植，做成綠色屋頂，試圖增強(qiáng)小屋散熱及減少熱輻射的效果，并進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)。

模型經(jīng)過(guò)修改后，學(xué)生采用之前的方法測(cè)試，根據(jù)兩次實(shí)驗(yàn)前后數(shù)據(jù)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)（見(jiàn)表2），改善后的小屋的保溫和散熱效果與之前相比都有了一定程度的增強(qiáng)，這說(shuō)明改進(jìn)后的方案是可行的、有效的。

由此可以看到，經(jīng)過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的反復(fù)修改，學(xué)生不僅能夠通過(guò)改變房屋的結(jié)構(gòu)以及優(yōu)化材料的選擇等方法實(shí)現(xiàn)保溫與散熱的效果，同時(shí)還體現(xiàn)出綠色節(jié)能的環(huán)保理念，讓設(shè)計(jì)更完善。

7.展示與交流

展示與交流的環(huán)節(jié)，教師要鼓勵(lì)學(xué)生大膽并且清晰地向他人介紹自己的設(shè)計(jì)思路，并對(duì)他人的設(shè)計(jì)進(jìn)行客觀分析和評(píng)價(jià)，指出其優(yōu)點(diǎn)及不足，這有助于他們進(jìn)行反思和改進(jìn)。教師引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐的基礎(chǔ)上總結(jié)歸納，發(fā)現(xiàn)技術(shù)與工程的特點(diǎn)。學(xué)生在經(jīng)歷了整個(gè)工程設(shè)計(jì)的流程后，逐漸形成和發(fā)展了設(shè)計(jì)思維與工程思維。同時(shí)基于社會(huì)問(wèn)題而產(chǎn)生的設(shè)計(jì)，能夠更好地激發(fā)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感以及使他們意識(shí)到低碳環(huán)保的重要性，從而樹(shù)立環(huán)保意識(shí)。

8.活動(dòng)評(píng)價(jià)

在活動(dòng)的過(guò)程中，教師主要從學(xué)生的設(shè)計(jì)圖、活動(dòng)過(guò)程中的討論、交流及對(duì)他人設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，并利用我校十二核心素養(yǎng)評(píng)價(jià)卡進(jìn)行積分獎(jiǎng)勵(lì)。

四、結(jié)論與建議

1.館校結(jié)合是助力學(xué)生科學(xué)跨學(xué)科學(xué)習(xí)的有效途徑

小學(xué)科學(xué)教育往往面臨著教學(xué)器材資源或?qū)W習(xí)空間缺乏而影響學(xué)生學(xué)習(xí)效果的窘境。科技館作為開(kāi)展社會(huì)科學(xué)教育活動(dòng)的主要陣地，擁有眾多與小學(xué)科學(xué)內(nèi)容相關(guān)聯(lián)的展教資源。與此同時(shí)，科技館展現(xiàn)出的科技發(fā)展的歷程、科學(xué)前沿領(lǐng)域和科技熱點(diǎn)問(wèn)題，以及科技展覽弘揚(yáng)的科學(xué)家精神等都是學(xué)校科技教育資源的短板。館校結(jié)合的學(xué)習(xí)方式可以更好地豐富校內(nèi)科學(xué)教育的形式，深化科技教育的內(nèi)涵。這不僅彌補(bǔ)了課堂教學(xué)中資源不足的問(wèn)題，也使學(xué)生通過(guò)體驗(yàn)初步經(jīng)歷和感受了工程思維在技術(shù)與工程領(lǐng)域中的重要意義，真正實(shí)現(xiàn)了館校結(jié)合的學(xué)習(xí)方式對(duì)于學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的積極作用。

2.科技館課程資源的利用要與課堂教學(xué)內(nèi)容緊密結(jié)合

科技館以其豐富的展教資源和真實(shí)的情境氛圍提供了體驗(yàn)式的、多模式的和跨學(xué)科的教育機(jī)會(huì)，但相比小學(xué)科學(xué)教材內(nèi)容來(lái)說(shuō)系統(tǒng)性較弱，與小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)的貼合度和銜接性不夠緊密。因此，在進(jìn)行館校結(jié)合的科學(xué)學(xué)習(xí)活動(dòng)時(shí)，教師要基于教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行場(chǎng)館資源的篩選。同時(shí)，教師要在充分了解和分析科技館展品所承載的認(rèn)識(shí)價(jià)值和實(shí)踐價(jià)值的基礎(chǔ)上，關(guān)聯(lián)核心概念進(jìn)行“展教結(jié)合”的設(shè)計(jì)，也可以基于核心概念串聯(lián)不同展區(qū)的展品，形成基于學(xué)生思維發(fā)展的內(nèi)容結(jié)構(gòu)。

3.館校結(jié)合活動(dòng)要能激發(fā)學(xué)生深度思考

教師要系統(tǒng)設(shè)計(jì)館校結(jié)合活動(dòng)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果、提高他們的學(xué)習(xí)效率，激發(fā)他們深度思考。首先，教師要合理選擇或整合館校資源，明確校內(nèi)學(xué)習(xí)目標(biāo)和館內(nèi)學(xué)習(xí)目標(biāo)，進(jìn)而設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)活動(dòng)。此外，教師還要圍繞學(xué)習(xí)內(nèi)容對(duì)館內(nèi)學(xué)習(xí)前、學(xué)習(xí)中、學(xué)習(xí)后的全過(guò)程教育進(jìn)行規(guī)劃，如館內(nèi)學(xué)習(xí)實(shí)踐前如何設(shè)計(jì)導(dǎo)引活動(dòng)、活動(dòng)實(shí)踐時(shí)如何提供學(xué)習(xí)支架，以及學(xué)習(xí)實(shí)踐后如何與課堂連接、如何進(jìn)行評(píng)價(jià)等都是需要設(shè)計(jì)的。

[課題：人民教育出版社課程教材研究所“十四五”課題“小學(xué)科學(xué)跨學(xué)科學(xué)習(xí)及教材呈現(xiàn)研究”，批準(zhǔn)號(hào)：KC2022-32]

（作者單位：于青、徐婷婷，北京市西城區(qū)奮斗小學(xué)；李瑩，北京市西城區(qū)教育研修學(xué)院）

參考文獻(xiàn)

[1]喻伯軍.義務(wù)教育課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）課例式解讀（科學(xué)）[M].北京：教育科學(xué)出版社，2022.