聚焦大概念理解與遷移的學習活動設計

在教科版科學五年級“船的研究”單元教學中，筆者圍繞“結構與功能”“系統(tǒng)與模型”兩個大概念的理解與遷移，系統(tǒng)設計學習活動，旨在幫助學生構建關于船的結構化知識體系，提升科學思維與實踐探究能力。

此概念體系下，各子概念既相互獨立又緊密關聯(lián)，共同將船的發(fā)展史，物質(zhì)的特性與功能，浮力，船的穩(wěn)定性，船的動力，船的設計、制作與測試等零散知識點和實踐活動建構為完整的知識體系，為學習活動設計提供了清晰的邏輯框架。

一、大概念的解析與概念體系架構

《義務教育科學課程標準（2022年版）》指出，“結構與功能\"反映的是事物結構與功能的關系（結構是功能的物質(zhì)基礎，功能是結構的外在表現(xiàn)）。人們通過分析系統(tǒng)的結構，可以解釋其工作機制和實現(xiàn)效果；反之，通過觀察系統(tǒng)的功能，可以推測其潛在的結構特征。在工程技術領域，“系統(tǒng)與模型\"大概念強調(diào)將復雜的系統(tǒng)簡化，構造簡化的模型，從而更好地描述和研究系統(tǒng)。

圍繞這兩個大概念，筆者以單元學習內(nèi)容“船的研究\"為載體，以與大概念相關的\"物質(zhì)的結構與性質(zhì)”“物質(zhì)的運動與相互作用”“技術、工程與社會\"和“工程設計與物化\"四個核心概念為分支，輻射一般概念，把一般概念與具體知識點關聯(lián)，如一般概念“物質(zhì)具有一定的特性與功能\"對應具體知識\"浮的/沉的材料都可以造船”，最終構建出如圖1所示的概念體系，形成單元知識框架。

二、設計促進大概念理解與遷移的學習活動

1.創(chuàng)設認知沖突，激活探究動機

教學伊始，教師引導：“通過上節(jié)課的學習，我們知道浮的材料（如木頭和竹子）可以造船，那么，沉的材料（如橡皮泥和錫箔紙）可以造船嗎？\"有的學生認為可以，有的學生認為不可以，并且都能說出理由。教師通過學生之間的認知沖突（“可以”還是“不可以”）有效激活學生的探究欲望，為后續(xù)學生解開認知沖突“沉的物體在水中也受到水的浮力\"埋下伏筆。學生了解浮的、沉的材料都可以造船后，就有了學習“結構與功能”大概念的認知基礎。

2.多維探究活動，建構概念認知

注重細節(jié)，深入探究。探究獨木舟的載重特點時，學生在按照教材要求開展實驗的過程中，很容易發(fā)現(xiàn)獨木舟易側(cè)翻的特點。個別學生在實驗中把側(cè)翻的獨木舟底部當作載重部位進行載重測試。教師順勢鼓勵學生觀察并比較兩種情況下獨木舟載重有什么差異。學生發(fā)現(xiàn)：船的底部寬闊一些，船的穩(wěn)定性更好。

比較觀察，功能推演。教師提供人類歷史上多種典型的船只圖片資料，以“許多船只的船首是尖形”為例，示范“結構特征 $$ 功能假設 $$ 功能驗證\"的推理邏輯，助力學生實現(xiàn)“結構與功能”的理解進階。在小組探究環(huán)節(jié)，教師讓學生在觀察的基礎上描述船首的形狀，引導學生思考船首為什么設計成尖形。在學生作出“尖形船首可以減少阻力\"的假設后，教師追問：“怎樣設計實驗驗證這一功能推理是否正確呢？\"學生通過小組討論和全班交流，形成共識：以形狀、材料相同的兩個木塊模擬平的船首和尖的船首的小船，并比較兩者在動力相同情況下運動的快慢，從而得出結論“船的行駛需要動力，并要減少阻力。尖形船首設計可以減少阻力”。整個理解過程體現(xiàn)了“識別結構 $$ 描述特征 $$ 推測功能 $$ 實驗驗證 $$ 優(yōu)化設計”的以功能推演為主線的認知進階。

設計方案，逆向輸出。在“設計小船模型\"環(huán)節(jié)，教師出示要求“控制小船的制作成本，載重量達到200克，有獨立的動力系統(tǒng)，能把貨物運送到目的地”，并引導學生將整體目標拆解成“如何控制成本”“如何達到載重量”“如何設計獨立的動力系統(tǒng)”“如何保持船體穩(wěn)定”“如何控制航向\"等問題。學生在獨立思考、小組討論、小組繪制、全班交流、合理改進的學習過程中，經(jīng)歷了“結合功能目標進行功能拆解→結構構思 $$ 設計合理的結構方案 $$ 評估選擇\"的從功能到結構的逆向輸出的理解過程。至此，學生對“結構與功能”大概念有了清晰的認識，知道了事物的結構決定其功能與屬性，同時學會通過觀察系統(tǒng)的功能，推測其潛在的結構特征。

模型制作，功能測試。模型制作環(huán)節(jié)，教師指導學生小組合理分工，設置圖紙員、材料員、制作員、講解員等角色，并提示成果作品既要滿足相關功能要求，又要控制成本；制作過程要嚴格按照設計圖展開。小船模型制作、測試完成后，教師組織“小船模型展覽會”，引導學生從小船設計的科學性、小船模型制作的規(guī)范性、小船功能的合規(guī)性、創(chuàng)新性等維度進行自評和互評。有學生評價“這只小船的船首設計成尖形，可以減小船在航行時的阻力。如果能標注出船舷高度，就能更好地確定船只的體積，從而確保船只的載重量。”整個活動既是大概念“結構與功能”的再認識過程，又是實現(xiàn)此概念遷移應用的過程。同時學生對船形成“系統(tǒng)（船的整體） $$ 模型（船的各個系統(tǒng)） $$ 系統(tǒng)（小船模型的建立）\"的認知閉環(huán)。至此，學生對“系統(tǒng)與模型\"大概念有了較深刻的理解。

3.真實問題解決，實現(xiàn)概念遷移

為實現(xiàn)“結構與功能”“系統(tǒng)與模型\"概念遷移，教師引導學生實施\"DIY大師之制作智能小船\"活動。

調(diào)查研究。首先，教師發(fā)放“智能小船調(diào)查記錄表”，輔助學生通過查閱資料或請教家長、老師、船舶工程師，理清智能船舶常見的智能要素和具體的實現(xiàn)途徑。然后，教師引導學生以圖文并茂的方式分類呈現(xiàn)調(diào)查結果。學生調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前智能船舶的智能要素主要集中在以下三個方面：一是利用先進的自主導航技術實現(xiàn)無人值守的航行，如遠程操控船只行駛、避碰決策等；二是智能船舶監(jiān)控系統(tǒng)，如以精準的溫度濕度控制保持貨物新鮮；三是智能船舶管理系統(tǒng)，如利用智能算法合理安排集裝箱堆放位置。

方案設計。基于第一階段的調(diào)查成果，教師引導學生分小組設計一份符合預想的船舶模型設計方案。教師提示學生用示意圖配以適當?shù)奈淖终f明呈現(xiàn)創(chuàng)意，同時注意方案的可操作性。第一組學生設計的是避碰智能船舶模型。船身呈流線型，用輕質(zhì)塑料打造，能降低風阻與重量。船首、船尾和船身中部的兩側(cè)各安裝一個超聲波傳感器，它們能借助電腦編程設置的參數(shù)，獲取船只與周圍物體間的距離信息，并在必要時停止船舶模型的動力系統(tǒng)運行，實現(xiàn)安全航行。

模型制作。基于第二階段的學習成果，教師指導學生組內(nèi)合理分工，嚴格按照設計圖制作船舶模型。完成制作后，教師組織學生對船舶模型進行測試和改進，直至模型達到預期。成果展示在社團活動中開展，學生制作船舶模型設計圖展板，并將其布置在測試區(qū)域旁邊，教師帶領學生現(xiàn)場演示智能航行和智能監(jiān)控。最后，師生共同投票選出最具創(chuàng)意的智能船舶模型。學生在小組合作制作智能小船的過程中實現(xiàn)了對“結構與功能\"“系統(tǒng)與模型\"兩個大概念的深入理解與遷移。

（作者單位：金蓮，武漢市洪山實驗外國語小學；魯彩雯，武漢市洪山區(qū)廣埠屯小學）

文字編輯孫愛蓉