通过《地球的结构》课教学引导学生掌握系统与模型跨学科概念

◇屠 琴（浙江：舟山市定海区舟嵊小学）

《义务教育科学课程标准》于2022年4月正式颁布，新课标明确提出了学生在义务教育阶段应该掌握科学课程设置的13个学科核心概念和4个跨学科概念。其中，系统与模型是科学教育高度关注的跨学科概念之一。所谓“系统”，是科学家为了研究方便，将属于世界的其中一小部分，在概念上划分出独立的、用于调查和研究的单位；“模型”则是根据研究问题对系统进行必要的简化，用适当的形式表征该研究问题下系统的主要特征，从而实现科学解释或工程学设计的目的。

在我们的小学科学课程中，小到物质的结构与性质，大到地球系统、宇宙天体运动都需要借助系统与模型来理解和解释。以《地球的结构》一课为例，本课的探究实践目标就是通过制作地球结构模型模拟地球内部圈层结构。为实现这一教学目标，我们从以下三个阶段科学安排学习进阶。首先，提炼系统特征。对照新课标学生需要知道地球内部结构分为地壳、地幔、地核三个圈层，了解构成地壳的主要岩石类型，了解各圈层的厚度、温度及物质组成都是不一样的。其次，制作实物模型。根据了解到的系统特征，通过制作实物模型，模拟地球内部的圈层结构。最后，理解系统模型。借助系统模型来理解地球内部圈层特点和地壳运动。围绕以上三个阶段的学习内容，教师规划一系列的学科实践活动，有意识地引导学生掌握系统与模型跨学科概念，使之成为直观解释地球系统的有效工具，具体的学科实践活动如下。

一、以大单元教学方式，发布项目任务

新课标所倡导的跨学科概念是在学习学科核心概念的过程中自然形成的。以大单元为整体教学，有助于将系统与模型这一跨学科概念内化为连贯的、整体的认识。《地球的结构》是教科版科学五年级上册第二单元“地球表面的变化”的第二课，这一单元的课程内容指向的学科核心概念是“地球系统”。因此，教师以大单元为整体，发布项目任务，创设“学校地球科学展览馆”的大情境，根据每一课的课程内容规划相对应的具体子项目任务。本课的驱动性任务是“做一个地球结构模型”来丰富“地球结构馆”的展区内容。项目要求是：符合地球结构，越接近真实越好。通过真实项目任务的驱动，学生不仅仅要明确建模任务要求，更重要的是唤醒他们自主学习，主动认识地球系统的积极性。

二、组织参观自主学习，初探地球结构

在教材中，本课的探索环节分为4部分相对独立的内容，依次是了解地球的内部结构、了解地壳的组成、了解地壳的运动、做一个地球结构模型。但是，通过项目式学习，我们可以整合教材中分散的各部分内容。为此，在学生建模之前，教师精心布置了地球科学展览馆（如图1），展馆里既有地球内部各圈层资料，也有弯曲的岩层模型、岩石标本，还有上节课学生制作的地形地貌模型。展馆里的资料呈现方式不仅有文字、图片，也有视频、模型和标本等。

图1 地球科学展览馆展示内容

丰富的资料内容，多样的呈现形式，画廊式的参观学习，每位参观者都是一名孜孜不倦的求学者。学生用自己擅长的学习方法以关键词或画一画的形式来记录自主参观学习的收获（如图2）。有学生记录了“地球从外到内分为地壳、地幔、地核三个圈层”；有学生记录了“地核厚度3470千米，地幔厚度2865千米，地壳厚度17千米”；有学生记录了“地壳在不断变化，断裂，弯曲，倾斜”；有学生记录了“沉积岩、岩浆岩、变质岩”……经历独立探究之后，可能学生了解到的地球结构信息是不完整的，甚至有偏差的。但是，初探地球结构，学生收获的不仅仅是科学知识，更重要的发展了自主学习的能力。

图2 学生的参观记录表

三、全班交流共享，整体认识系统

8分钟的画廊式自主参观学习之后，绝大多数学生对于地球内部结构的认识仍停留在零散、片面的知识水平。接下来，全班交流分享的环节，就是相互补充的学习过程。教师引导学生运用分析、比较、综合等思维方法，抓住地球结构建模的关键信息，学会寻找证据支撑自己的观点。当学生仅仅提到某个圈层的温度、物质组成或状态时，教师及时追问“另外两个圈层的情况又是怎么样的呢”；当学生随机说到“地球上的岩石或弯曲的岩层”时，教师又可以追问，“这些现象的形成与地球的内部结构是否有联系呢”。在课堂交流的过程中，教师通过这样的追问形式，帮助学生在头脑中逐步建立有关地球结构的整体认识。全班交流共享，交流的是知识，培养的是乐于分享、严谨求实、大胆质疑的科学态度。

四、科学建构模型，揭示系统本质

基于学生已经掌握的地球结构信息，我们要讨论“如何制作地球结构模型”。学生最先会想到用红色超轻黏土表示地核，因为地核温度最高，然后依次用黄色黏土和蓝色黏土表示地幔和地壳；学生也会想到借助模具上的比例尺尽量按照真实比例来控制各圈层的厚度（图3是为学生准备的建模模具）；甚至还有学生想要在地壳上制造出凹凸不平的地表形态……学生从不同角度分析、思考科学建模的问题，提出有价值的建模方法，其最终的目的都是揭示系统的本质特征。这就是“系统与模型”为什么会成为新课标中明确提出的跨学科概念之一，也是科学教育高度关注的跨学科概念之一的原因。

图3 为学生准备的建模模具

模型的建构是学生从科学的角度认识地球结构的重要思维方式。科学思维的形成需要一步一个脚印，遵循一定的学习规律。五年级学生对系统本质的认识不可能一步到位。为实现科学建模的目的，我们“小步走，有进阶”，从建模前的参观学习、交流分享再加上教师借助板书及时跟进地球结构平面示意图（如图4），让学生头脑中的地球结构模型从资料到平面，再到立体，逐渐具体清晰。

图4 “地球的结构”平面示意图

五、实施项目评价，解释系统模型

模型制作并展示后。学生会自发地从多角度对项目进行评价，比如模型本身、小组合作等。但是建模的目的本身不是模型本身，而是通过建模促进对原型的认识。所以，教学过程中另一个要重点解决的问题就是，组织学生通过模型解释客观世界。根据模型制作要求，首先横向比较各小组建好的地球结构模型是否能真实表示地球结构，越接近真实越好，再结合地球结构模型延伸拓展地球表面形态的形成与变化的原因，为后面进一步研究地震和火山喷发奠定知识基础。项目评价环节，我们看到的不仅仅是学生基于证据发表自己见解，以及包容不同观点的科学态度，更加难能可贵的是看到了学生尊重他人学习果实的情感态度，当各小组的模型拼接成一个整体之后，集体的荣誉感和学习的成就感油然而生。

六、项目迁移应用，改变学习方法

做一个地球结构模型仅仅是本单元建设“地球科学展览馆”项目的其中之一，各小组拼接后的地球结构模型也会成为地球科学展览馆里展示的一部分。通过《地球的结构》一课的学习，学生经历资料搜集、与他人合作、积极地完成建模任务。以建模来解释系统的教学方法，也会迁移应用到本单元后续内容的学习。以大单元整体教学，促进“地球系统”学科核心概念和“系统与模型”跨学科概念的形成。

真实世界很复杂，但可以用简化的模型来描述。《地球的结构》一课所指向的是复杂的地球系统，建一个地球结构模型可以帮助学生理解和研究地球系统。从教学角度来看，整个教学过程就是学科核心概念与跨学科概念相互渗透、相互融合的过程；从项目式学习来看，整个项目学习过程就是从情境体验到合作共享，再到解决问题的探索创新过程；从建模角度来看，整个建模过程实际上就是从高质量输入到高质量输出的建模过程。

以《地球的结构》为课例，我们看到了模型建构作为解释系统的有效工具，学生不仅掌握了科学概念，同时也培养了科学思维，提升了探究实践能力，并在此基础上逐渐形成科学态度和社会责任。在新课标实施的背景下，会有更多的小学科学课程内容也可以通过系统与模型来进行学习。未来，我们希望看到学生在研究新问题时，会有意识地建立模型来描述、解释所关心的系统特征。要让跨学科概念下的系统与模型真正成为学生认识世界解释世界的有效工具，也让系统与模型进一步推动小学科学教育事业的发展。