《走進虛擬世界》有效教學

〔摘 要〕 2022年版《義務教育科學課程標準》設置了十三個學科核心概念及四個跨學科概念，如何在教學實踐中組織學生通過對核心概念的學習，理解并貫通跨學科概念，是小學科學教師亟須解決的問題。本文以青島版科學課例《走進虛擬世界》為例，闡述“工程設計與物化”核心概念，實現跨學科概念的有效教學，為小學科學實踐教學提供一定的實踐參考。

〔關鍵詞〕 小學科學；學科核心概念，跨學科概念；教學實踐

〔中圖分類號〕 G424 〔文獻標識碼〕 A 〔文章編號〕 1674-6317 （2024） 21 016-018

《走進虛擬世界》是青島版義務教育教科書科學（五·四學制）四年級下冊第30課的內容。課堂上，教師針對學生的認知水平和年齡特征，結合“工程設計與物化”核心概念以及結構與功能、系統與模型等跨學科概念開展一系列探究活動，注重引導學生動手與動腦相結合，在探究活動中不斷反思、改進，得到探究活動的設計方案及操作方法，將零散知識、思維方法進行整合，增強學生工程意識，培養學生創新精神和實踐能力。

一、著眼學科核心概念，創設教學環節

工程活動的本質是創造人工實體，設計與物化是其中的重要環節，“工程設計與物化”作為新課標中的核心概念，相較于其他核心概念，更有助于培養學生知行合一的良好品格。學生親歷明確問題—設計方案—實施計劃—檢驗作品—改進完善—發布成果這六個要素，對物化結果有了一個直觀的、高效的了解反饋，并能結合具體情況找出問題，進行調整。在此過程中，學生的創新意識、合作能力等科學素養也得到進一步提升。

（一）創設情境，明確問題

人類在與自然界打交道的過程中，為了適應自然、改善生存條件而產生了技術；人類對已有的物質材料和生活環境加以系統開發、生產、加工、建造，以滿足人們的需求，就產生了工程。因此，技術和工程的原點都是人類的需求，課堂上，我們同樣應以生活中真實存在的問題為原點激發學生的探究動機。

課堂伊始，教師結合學生年齡特征，播放視頻創設情境。視頻中一位大漢頭戴某設備，站在屏幕前竟被嚇得大聲驚叫癱倒在地。教師提出問題：大漢為什么會這樣？他到底看到了什么？以此調動學生參與課堂的積極性。學生猜想可能是因為看到的畫面太恐怖導致大漢嚇得摔倒。緊接著教師利用多媒體設備重新播放大漢看到的視頻場景——第一視角乘坐過山車的視頻。學生觀看后發現視頻內容并不可怕，由此，引發學生通過細致觀察和對比，明確問題，只有利用VR眼鏡看VR視頻才能呈現可怕的視覺效果，進而明確任務——制作VR眼鏡。

學起于思，知源于疑。教師通過情境創設，以問題為驅動，將知識習得與任務和問題相結合，明確了本節課需要解決的問題，激勵學生不斷發現問題，解決問題。

（二）細思巧推，設計方案

工程的關鍵是設計。通過連續、深層次思考，引導學生積極解決問題，在激烈的討論中，得到“應該怎樣做”“為什么這樣做”的答案，親歷設計的核心環節，充分發揮育人價值，提升工程思維和設計能力。

在明確需要先制作一個長方體盒子的目標后，教師拋出問題：“VR盒子的長、寬、高尺寸由什么決定？”引發學生思考，學生思考后展開積極交流。一位學生根據生活經驗認為，長方體盒子的長和寬要與手機的長和寬尺寸一致。此時，另外一名學生則提出完善建議，認為盒子的長和寬應該比手機稍微大一些，這樣方便拿取手機。就這樣，學生在自主談論中完善了長方體長和寬的長度設計。“那盒子的高由什么決定呢？”這也是此次設計中的難點。教師在學生沒有足夠事實依據支撐的猜想下，將學生的關注點從手機厚度與長方體盒子高度的關系遷移至VR眼鏡鏡片與手機屏幕之間的距離上，引導學生對鏡片（凸透鏡）的使用方法進行探究。學生將鏡片靠近眼睛，調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，進而完成長方體盒子各尺寸的設計。

隨后，教師借助問題“放大的圖像有了，如何把圖像變成立體的呢？”讓學生再次展開思考風暴。在學生思考無果后，教師組織他們利用游戲對VR眼鏡立體成像原理進行探究。教師首先出示游戲示意圖及游戲名稱：一只眼睛的游戲。引導學生“看圖說話”，說出對游戲方法的理解。在學生結合圖文大膽猜想游戲方法后，教師與發言學生邊展示邊提要求，以此保證全體學生明確游戲步驟及要求。學生在游戲中發現，如果閉上一只眼睛，手指無法準確觸碰到對方的手指，如果兩只眼睛同時觀察，則能夠準確地進行觸碰，進而引導學生總結出VR眼鏡立體成像原理。這種“跳一跳摘桃子”的情境創設，讓學生的原理習得入心入腦。

（三）分工協作，物化檢測

實施計劃、檢驗產品、改進完善是工程設計與物化的三個重要環節，就是將工程設計的方案物化為現實產品，以實現某種功能和價值。這一環節是核心環節，也是學生最喜歡的環節。學生通過動手實踐，將自己的設想轉化為現實產品，再通力合作對現實產品進行檢驗、完善。遇到問題或產品存在缺陷時，更要強調學生分工合作，揚長避短，合力解決問題，以達到核心素養內涵要求。

作品完成后，教師組織學生合理利用手機進行效果測試。有的小組在測試中發現VR眼鏡的視覺效果不佳，出現了屏幕呈現畫面模糊、不清晰的情況。為此，教師再次組織存在問題的小組進行調試和優化，以達最佳呈現效果。學生在調整優化的過程中，感受結構設計與產品功能存在著密切的聯系，逐漸意識到“結構與功能”的跨學科概念，進而遷移至其他相關內容的學習和探究中來，形成系統性、穩定性知識習得流程。

（四）回歸生活，發布成果

課堂是學生學習的主陣地，但絕不是學生學習的終點站。教學的目的是讓學生擁有良好的學習習慣、獨立的學習方法和深度的思考能力，更好地適應未來、適應社會。

教學時，學生在體驗產品帶來的視覺沖擊過后，教師拋出問題：“VR視頻能長時間看嗎？”組織學生對“科技是把雙刃劍”這一觀念進行思考和討論，為學科育人增色。最后鼓勵學生在課后依據家長手機的尺寸，利用廢舊材料進行VR眼鏡的制作，有序進階，鞏固知識，構建能力。

二、挖掘跨學科概念，促進素養提升

人們對于問題的思考和解答，并不是僅利用單一的知識就可以完成的。這一點在現實的工程項目建設方面體現得尤為突出。跨學科概念是新課程標準的新增內容，學生通過科學課程的學習，習得學科核心概念，最終逐步理解、掌握跨學科概念，對科學課程形成整體性、系統性、連貫性認識。

（一）巧解難點，促進“結構與功能”跨學科概念的形成

“結構與功能”跨學科概念在“工程設計與物化”核心概念中更容易展現。本節課，學生根據問題需求，確定物化產品的功能。隨后，學生為了實現VR眼鏡立體成像的目標開展了設計環節。在針對VR盒子各尺寸設計的過程中，學生提出多種能夠滿足要求的設計方案，并在方案的優化過程中，確定了切實可行的方案，最終得到一個功能外顯而結構內隱的物化產品，從而體會到系統內部的結構與規律。

另外，學生在探究設計VR盒子的尺寸及調整測試VR眼鏡時發現，如果某一個結構（尺寸）出現問題，那么這個VR眼鏡就不能充分實現設想的功能和價值。學生在探究中感悟到物化產品功能與結構的密切關聯，形成”結構與功能”這一跨學科概念。

（二）設計整合，進階“系統與模型”跨學科概念的形成

利用示意圖、文字或其他方式，表達自己的想法，是工程設計與物化這一核心概念的內容要求。同時，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，教師組織學生通過示意圖直觀了解VR眼鏡的各個組成部分并展開深入研究，將復雜的系統簡化，抓住主要特征，提取系統模型，研究主要問題。

通過對比教師教具與學生制作的簡易VR眼鏡，學生感受到生活中的實際產品是復雜、繁復的系統，自己制作的僅僅是一個能夠反映物化產品特征的簡易模型，是一個真實系統的模型。另外，學生通過操作，將簡單的零件和材料整合成一個具有立體成像功能的物化產品。產品具有系統的功能且零件與材料之間存在密切聯系和科學原理。這些都能夠使學生進階理解“系統與模型”的跨學科概念。

三、結語

縱觀本節課，學生由問題出發明確需求，通過思考和討論得到設計方案，經過實施計劃、檢驗產品、改進完善，最終得到物化成品，最大限度地發揮了學生的自主性和實踐力，培養學生的工程思維和工程方法，實現了跨學科概念的有效教學，探究出一條“工程設計與物化”核心概念的實踐之路，提升了學生的學科核心素養。

【本文系中國教育學會2022年度教育科研一般規劃課題“核心素養視域下小學科學跨學科教學實踐研究”階段性研究成果，課題編號：202200261001B】

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