5G助力素养导向下的“地球与宇宙”教学

张懿

小学科学是以培养学生的科学核心素养为要旨的基础性课程。《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称《课程标准》）顺应当今世界科学技术发展潮流，进一步丰富和完善了“课程实施”部分的课程资源开发与利用等内容，明确指出科学教师要有选择与组合课程资源的意识和能力，充分利用网络技术和资源、利用信息技术辅助手段促进信息技术与科学学习深度融合，进而推动科学教学的有效进行，促进学生核心素养的形成和发展[1]。小学科学“地球与宇宙”科学领域所研究的有关现象、事物和规律具有时间和空间的复杂性，教师开展相关教学能有效发展学生的空间想象、逻辑思维、逻辑推理等能力。由于该领域内容在教学方法、方式上，明显有别于物质科学、生命科学等领域，不能直接用研究对象做实验，而较成熟的实验项目和仪器比较少，因此教学难度较大。第五代移动通信技术（5G）的诞生和应用有望解决这一难题。5G是具有高速率、低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术。5G正在引发教育教学变革，促进全息技术、高清视频的应用以及VR、AR等教学形态的涌现。5G的应用有利于学生调动多个感官、通过多种媒介协同参与学习过程，促成其他技术手段在学习环境中的“超快获取”“超多连接”“超强可靠”，可以有效改善一些新型数字资源需要从服务器端调用过大视频、高清图像以及复杂交互功能等所附带的延迟、卡壳、低清晰度等状况[2]。科学教师在5G环境下实施“地球与宇宙”教学，可以有效提高教学效率。下面，笔者以教科版科学六年级下册“宇宙”单元“探索宇宙”为例，介绍在科学核心素养导向下，5G如何助力小学科学课堂教学。

一、通过“VR+”获取科学事实，形成科学观念

科学观念是科学学科本质属性的集中体现。科学观念由科学概念发展形成而来，科学概念由科学事实概括抽象而来，因此科学观念的形成离不开科学事实的获得。地球是太阳系的一颗行星，也是目前人们认识到的宇宙中唯一适合人类生存的天体。“地球与宇宙”科学领域知识是引导学生认识自然的重要内容，但宇宙天体多是宏大的且遥不可及，常态环境下教师让学生亲自感知、获取相关科学事实是非常困难的。学生实际观察的宇宙天体，除了造成日夜交替的太阳、夜间的月相外，大概就只有夜晚漫天的星星了。宇宙到底有多大？它有怎样的特点？对于“地球与宇宙”科学领域课程内容，教师要充分利用5G强大的通信能力和VR等技术手段引导学生通过体验、观察、综合与分析来获取科学事实，进而为学生形成正确的宇宙观、自然观、人地协调的可持续发展观奠定基础。

教师讲授“探索宇宙”时，不仅要指导学生利用VR技术探索宇宙，通过虚拟环境给学生以宇宙环境的沉浸感和画面感，借助计算机图形技术调动学生的视觉、听觉、运动觉等多种感知，在实时动态的三维图像中真切感受宇宙的特点，而且要引导学生从地球出发，由远及近地穿越地月系、太阳系、银河系等，在切身经历中逐步建立对宇宙中各天体系统及其关系的认识。

VR技术的应用为学生探索宇宙提供了便利。但在教学中，对于科学事实的获取，教师不能只依赖VR技术让学生在虚拟现实体验中获得直观感受，而要通过“VR+”的形式，将VR技术与超高清图片、文字资料等其他教学资源相结合，引导学生从获取的大量科学事实中对其进行科学概括，进一步建构和完善科学认知。如在学生穿越宇宙后，教师可提供地月系、太阳系、银河系、河外星系、总星系、宇宙等各天体系统图片，出示关于各天体系统的文字介绍。学生结合虚拟现实体验中的“记忆”和文字信息，描述（辨别）图片并指认各天体系统名称，了解各天体系统的特点，并用韦恩图表示天体系统间的包含关系（如图1）。

按照上述做法，教师使用VR技术创设虚拟宇宙环境，让学生通过感官初步感受宇宙，了解各天体系统的关系;再通过“VR+”的形式，根据教学目标进一步引导学生积累科学事实、进行科学概括，在空间广度和天体系统包含关系方面深化学生对宇宙的认识。

二、基于数据分析建构模型，培育科学思维

科学思维是适应现代社会发展最重要的思维方式，《课程标准》要求学生在学习中掌握基本的思维方法，具有初步的科学思维能力。科学思维方法包括分析与综合、比较与分类、抽象与概括等，对“地球与宇宙”领域而言，学生要学会合理分析与综合判断各种信息、事实和证据，运用证据与推理对研究的问题进行描述，理解模型、建构模型。

如在探讨“宇宙到底有多大”时，学生在虚拟现实中观察到的情况与科学家用天文望远镜观测到的结果颇为相似，并没有看到宇宙边缘。这时，教师可借助5G规避一些以往人机交互出现的延迟、卡壳等现象，通过云端数据库依次出示日地距离、光速等资料：

日地距离平均值为14960万千米。

光的传播速度约30万千米每秒。

银河系直径约10万光年。

光年就是光在一年中所走的距离，它是用来计量恒星间距离的单位。

学生使用平板电脑的计算功能对数据进行处理，计算太阳光照射到地球需要的时间、银河系直径的千米数，对数据进行分析，对宇宙进行量化描述，用联想与想象的思维方法建构宇宙模型，理解宇宙的广袤。

学生计算后发现，用千米作为单位，银河系直径为300000 × 60 × 60 × 24 × 365 × 100000=946，080，000，000，000，000千米。学生感觉这个数字巨大，但缺乏实际的感官体验。教师顺势指出：如果继续计算，还可以得出，如果乘坐飞行速度为800 km/h的飞机穿越银河系，需要1350亿年才能穿越，这个时间接近于地球现阶段年龄的30倍。

云端数据库收录了部分科普著作片段，教师在课堂上出示这些资源时可以在5G助力下实现“超快获取”。例如，学生在虚拟现实中观察感受到宇宙的膨胀，质问“这种膨胀真实存在吗”。此时，教师通过云端数据库出示史蒂芬·霍金在《时间简史》中关于膨胀的宇宙的论述，让学生明白宇宙的膨胀就如同在地表引燃火箭，如果它膨胀得相当慢，引力就会使之最终停止膨胀然后开始收缩，但是如果它以比某一临界值更大的速度膨胀，引力则不足以使它停止膨胀，宇宙就会继续膨胀下去[3]。教师引导学生结合科学著作中的文本进行分析与论证，解答学生的疑惑，启发学生学习科学家的思维方式。学生参与数据分析和文本分析活动，有利于提高科学思维能力。

三、App检索助力学生自主学习，促进科学探究

探究既是学生进行科学学习、发展科学素养的主要途径，又是科学素养内涵要求的关键能力之一。探究能力包括科学分析能力、技术与工程实践能力、自主学习能力。不同领域、类型的课程内容适用于或偏重于某些能力的培养。对于“地球与宇宙”领域中一些既不适合科学探究又不便于开展技术与工程实践的课程，教师不妨充分调动学生的主观能动性，着重对学生的自主学习能力进行培育。

如“探索宇宙”中，关于人类对宇宙的探索，教材列举了几种典型的太空技术成果，但纸媒呈现的画面有些失真，学生学习兴趣不高，认知困难。师生应用Solar Walk App后，画面失真等问题迎刃而解。该App可以完整呈现航天器，结合逼真的3D航天器进行介绍，尤其在5G的加持下可以更加直观、流畅、动态地呈现航天器特征，展现世界太空科技成果。除此之外，学生还可以使用该App检索星系视图、卫星图，从不同的位置观察太阳系行星方位，课后进一步自主学习相关知识。

基于这样的发现，在课堂教学中，教师简要介绍了Solar walk App的使用方法和要求，引导各组学生利用Solar walk App完成“斯普特尼克1号”人造卫星、“探险者1号”探测器、“东方1号”宇宙飞船、“哈勃”空间望远镜等航天器的检索任务（如图2至图4），并摘录关键词，用自己的语言进行描述。教师通过任务驱动学生自主学习，培养学生的技术应用能力、资料收集能力、处理信息能力、交流表达能力，培养学生的数字化生存能力，使其适应社会信息化的发展要求。

在小组汇报学习成果之后，教师引导学生按照时间顺序将上述太空技术成就进行排序，出示首架航天飞机——“哥伦比亚号”航天飞机、最早的空间站——“礼炮一号”空间站，补全并完善典型太空技术成就排序。

Solar walk App的应用点燃了学生对太空技术的研究热情。为拓展学生对太空技术的认识，教师布置了课后自主学习任务供学生自选完成：学生可每3人或4人自结为一组，在Solar walk App可辅助的范围内，自主确定检索与学习的目标，确定学习与分工策略，督促与落实学习过程，反思总结，并在期末自愿报名参与集中宣讲活动。

四、利用高清视频呈现科学史实，涵育态度责任

《课程标准》全面落实有理想、有本领、有担当的时代新人培养要求，强调学科课程要体现中国和中华民族风格、体现国家意志和民族基本价值观、体现人类文化知识积累和创新成果，坚持德育为先，增强课程的思想性。这就要求科学教师要努力挖掘相关教学内容，找准学科课程与态度责任目标的契合点，揭示科学学习和态度责任培育的内在联系，通过有意识而又自然的态度责任渗透将相关主题教育有机融入课程。

科学报国是一代代中国科技工作者坚定的理想信念。从无人登月取壤返回、探测器着陆火星，到神舟十三号、神舟十四号飞船接连成功发射，我国航天部门在发展科技的同时，也正一步步将普通人的目光引向宇宙深处。做教学设计之前，教师分析教材，思考如何培育学生的态度责任，发现“探索宇宙”教学目标中“了解我国空间技术的最新发展”与态度责任目标中爱国主义教育存在交集，进而将其作为培育学生“科技自立自强”和“科学报国”的态度责任的载体。课堂上，教师在带领学生回顾太空技术成就后，播放我国航天神舟系列运载火箭的高清视频，并指出，百多年来，无数科学家和工程专家为实现人类探索宇宙的伟大理想进行了前赴后继的艰苦奋斗。教师接着介绍我国天文学家、中国科学院前国家天文台研究员、“中国天眼之父”南仁东，通过高清视频呈现南仁东等科学工作者“干惊天动地事、做隐姓埋名人”、怀揣“科学没有国界，但科学家有祖国”的科学志向的励志故事，通过师生互动和“我为先驱写弹幕”等形式，带领学生向科学前辈致敬，表达崇高敬意，立志科学报国，让家国情怀的幼苗扎根学生心田。这对促进学生理解科技自立自强，培育学生科学报国理想信念，增强民族自豪感具有积极意义，对态度责任等素养提升的落实、落细具有重要作用。

宇宙是宏大而神秘的，太空技术伴随人类文明不断发展。此次“地球与宇宙”科学领域教学中，教师充分利用VR等信息技术，攻破了学生在空间模型建构、科学史实学习中的“天然”距离屏障，为落实包括科学观念、科学思维、探究实践、态度责任四个方面的学科核心素养发展要求提供了新范式。同时，这里需要强调以下几点：一是5G只是辅助手段，切不可唯技术手段、重技术手段，不可因技术手段的应用而导致教学活动偏离教学目标;二是5G的应用要融入启发式、探究式、互动式等教学过程，应使5G创生的新教学形态与传统教学在育人功能上保持同向性;三是5G有鲜明的时代性，但其中一些手段在教学中应用尚不成熟，教师在使用前要进行验证，要时刻保持审慎意识，确保相关内容的科学性、时效性、思想性;四是对于多终端设备（如平板电脑等）的使用，教师要介绍使用方法，规范学生行为，同时确保设备使用行为可监控、易管理。

参考文献

[1] 中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准 ：2022年版[S].北京：北京师范大学出版社，2022.

[2] 赵兴龙，许林，李雅瑄.5G之教育应用：内涵探解与场景创新——兼论新兴信息技术优化育人生态的新思考[J].中国电化教育，2019（4）：5-9.

[3] 史蒂芬·霍金.时间简史[M].许明贤，吴忠超，译.长沙：湖南科学技术出版社，2010.

（作者系首都师范大学初等教育学院硕士研究生）

责任编辑：祝元志