浅谈小学科学地球及宇宙空间观念建构定稿.doc

浅谈小学科学“地球和宇宙”空间观念的建构【摘 要】小学科学“地球和宇宙”的学习阶段一般在56年级。这阶段学生通过其他相关学科尤其是数学等学科的学习，已经形成了一定的空间观念。但这一空间观念还是比较浅显的。从“以学定教”的理念出发，学生在学习“地球和宇宙”时缺少实际的感性体验，和客观存在的观察障碍，再加上空间结构的运动性和大尺度特点这些都为学生空间观念的建构增加了难度。本文从本体建构；空间结构的建构；运动模型的建构；实际关系的建构四个层次谈了小学科学“地球和宇宙”空间观念的建构。【关键词】 空间观念 建构 模型建立 运动模型 科学概念蔚蓝的地球、浩瀚的星空、神秘的宇宙，引人无限暇想，一直吸引着我们去探寻和思索；太阳在白昼的天空中所表现出来的运动，月亮和恒星在夜间天空中的迁移，是对普通人不断启发的来源。小学科学“地球和宇宙”的学习阶段一般在56年级。这阶段学生通过其他相关学科尤其是数学等学科的学习，已经形成了一定的空间观念。所谓空间观念是指在空间知觉的基础上形成起来的，对物体（天体）的方向、距离、大小和形状的知觉，是客观世界空间形式在人脑中的表象。它是一种比较复杂的知觉过程，包括形状知觉、大小知觉、深度知觉和方位知觉。但这一空间观念还是比较浅显的：根据对学生的观察和调查，多数学生的空间想象力很弱。学生在学习“地球和宇宙”时由于缺少实际的感性体验，和客观存在的观察障碍，再加上空间结构的运动性和大尺度特点，这些都为学生空间观念的建构增加了难度。从“以学定教”的理念出发，我们都知道，数学等学科培养的空间观念，所面对的主要是静态的平面和立体图形或者实物,它们之间的尺度关系是较小的。而“地球和宇宙”所面对的事物是运动的、大尺度的空间结构。天体的运动，形成了天体之间相对位置的变化，天文现象也随之变化，学生的空间结构也要随之变化；大尺度的空间结构需要学生有着较好的空间想象能力。这是“地球和宇宙”空间观念建构的难点所在，需要我们去研究和突破。（一）利用模拟实验建构本体对形状、大小知觉的线性构建。“地球与宇宙”的很多认识对象对于学生来说都过于宏观，过于遥远，无法组织学生的实际观察。模拟实验是认识这类事物的重要方法。模拟实验的一个突出特点，就是既能使研究对象微型化，又能使研究对象扩大化，还能找出研究对象的理想代替物。（1）推测引起“原型”外在现象的原因。推测引起“原型”外在现象的原因是本体建构的基础。模拟实验之前，我们首先要了解实验中所要模拟的现象是怎样的。对自然现象的了解越深入，模拟实验设计时的细节考虑得也越周密，所以教师应多渠道挖掘感性素材，指导学生有计划、有目的地了解其中自然现象。例如六下日食和月食课堂实录：播放日全食录像导课师：今天，老师带来了一段录像，边看边想，这是哪一种天文现象，你是根据什么来判断的？（师播放日全食录像）生：日食；生：太阳被某种物体挡住了。观察日食发生的过程图师：为了便于大家观察，老师给大家提供日食发生过程图（图一），仔细观察这一组照片，你能发现日食发生的哪些特点？生：太阳被物体挡住；生：挡住它的物体是不透明的，不发光的物体；生：挡光物体是球形或者圆形的，形状成弧线；生：挡光物体在运动。师：按照从左到右的顺序，观察挡光物是怎样运动的。生：是逆时针运动。生：可以把太阳差不多完全遮住。生：挡光物体看上去和太阳差不多大。（图一：日全食发生过程图）录像的播放，情景的再现，清晰了学生的表象，把孩子们带回到2009年7月22日日全食的场景中去了。教师引导学生对日全食现象的观察（录像），尤其是对日全食发生过程图的静态观察了解了“原型”表现出来的外在现象。（2）清晰对“原型”的已有认识。通过对日食发生过程图的观察和描述，基本可以确定太阳和我们（地球）这两个“原型”。对于日食成因中的关键“原型”月球，教学中我们要进行进一步的引导和梳理。师：根据日食发生的这几个特点，我们可以做出什么推测？生：挡光物是月球。师：你是根据什么判断挡光物是月球呢？生：看上去是圆形；生：看上去是球形；生：不透明；生：逆时针运动；生：关键是看上去和太阳差不多大；师：根据我们的经验和学到的相关知识，你判断挡光物是？生：月球。皮亚杰等人研究认为，空间表象是通过儿童主动和内化行为的逐渐组织而构建起来的。然后导致了运算系统的建立。通过这两个环节的建构，我们已经实现了对“原型”本体全息的输入。（3）建构与“原型”相对应的“模型”。本体建构的最后阶段是本体的输出，即建构与“原型”相对应的“模型”。“模型”所选用的材料直接影响到实验的效果，不同的材料产生的实验现象及效果是不同的，恰当的选材将更为逼真地模拟出自然现象。通过上面对日食现象的充分观察和描述，尤其是对“原型”的充分认识，我们不难找到与之相对应的“模型”。可以用手电等光源代替太阳；用不透明的小地球仪代替地球；用更小的小球（也可以用橡皮泥捏的小球，下面插一根小棒便于实验；教材中使用的玻璃球代替月球是不合适的，因为它是透明的）代替月球。我们通过“原型输入本体建构模型输出”的流程形成了本体建构的基本模式。由于这一模式中的诸要素我们只是建构了形状、大小等知觉，因此它们是平面的线性排列。我们可以用图二清晰地表示本体建构的过程。太阳月球地球原型输入本体建构模型输出 手电筒 小球 地球仪 （图二 本体建构模式）（二）利用建模建构空间结构对深度、方位知觉的立体构建。空间结构的建构是空间观念建构的核心和本质。我们可以用建模和模拟实验中的模型关系来解决“模拟物空间定位”问题，从而建构空间观念中较高层次的深度和方位知觉。（1）在建模过程中建构空间结构。模型建立是指建立能够表达未知事物本质的心理映像的过程。模型的建立本身是一种理论和概念建立的过程。建立实物模型有助于加深学生对较大尺度事物间关系的理解。例1.建一个太阳系模型。为了建好这个模型，我们应先了解八大行星的相关数据，这样才能保证我们建的模型相对准确；建太阳系模型可以分2次进行，分别是行星大小建模和行星与太阳间的相对距离建模；比例尺根据场地大小自行调节。（太阳系八大行星基本数据表见附件）太阳系行星大小建模1.阅读八大行星的有关数据表。2.将橡皮泥粘在铁丝制成的支架上代表八大行星，在桌面上建模型。按照太阳系的示意图排列。3. 建好之后有何发现?这与我们平时看到的太阳系的示意图有何不同?八大行星与太阳的距离建模1.剪一个14厘米直径的“太阳”放在学校操场中间，按照实际比例尺我们发现“海王星”距离“太阳”有450米，实际场地中不便于操作。于是我们也可以这样操作：“太阳”大小不变，距离再缩小4倍。这样“八大行星”距离由近到远形成了1米、2.5米、4米、5米、19米、35米、72米、112米的空间距离。2.在八个位置分别放8个球，或者站8个人。3.孩子们穿越“太阳系”，在每个“行星”上逗留，阅读教师放在该“行星”位置上的相关资料。4.把我们自己当成八大行星，让我们围绕“太阳”转动一周，造一个动态的太阳系模型。通过建模，学生可以对行星和太阳之间的实际距离有个初步认识。例2.建一个“星座”模型。1.让我们一起来建一个星座模型。教师出示北斗七星模型，然后把它放到讲台前的相应位置。（右图）2.让我们来观察一下我们所做的星座模型。以小组为单位，到教室的几个方位，从不同角度观察星座模型，记录所看到的星座影像。3.学生根据要求记录不同位置看到的影像。4.完成的小组，思考讨论如下问题：从不同角度观察星座模型，你发现了什么现象？（影像不同，只有一个位置（3和4）看上去的影像是北斗七星） 5知识拓展，不同时期，北斗七星的排列也会有变化。媒体演示。（发现目前固定的北斗七星，随着时间的推移也会变动）（2）在模拟物空间关系摆放中建构空间结构。模拟实验和建模，虽然有所不同，但在模拟实验模拟物空间关系摆放阶段和建模的本质是一致的。也能够让学生形成空间表象，建构空间结构。例如我们在为什么一年有四季一课的模拟实验中构建了地球和太阳的空间结构；在北极星“不动”的秘密一课的模拟实验中构建了地球的“姿态”；在地球的卫星月球一课的模拟实验中构建了月球和地球的空间结构；在日食和月食一课的模拟实验中构建了地球月球和太阳之间的空间结构随着时间的推移，学生的空间结构在不断扩展从地球的空间结构到地月系到太阳系，再到遥远的星系。选择在模拟实验中建构空间结构，注意一定要让学生充分观察模拟物之间的结构关系，形成表象，为学生空间想象能力的培养奠定基础。（三）在逻辑与思考中建构运动模型对空间观念的动态构建。天体（地球）的运动并不是杂乱无章的，而是遵循着一定的规律。天体（地球）运动形式包含着诸多的方面，如运动方式、方向、周期、特点。对运动形式的归纳建构，也是运动模型建立的过程。（1）在观察现象时推测运动的方式和方向。如果忽略时间维度，自然现象往往在某个点或者某个位置的时候是看不出运动的就像一张定格的照片。一位老师在上月相变化时，出示了一张月相图片问学生什么时候看到过这样的画面。有学生说是日食时候的图片。就是没有考虑自然现象运动性和连续性的结果。当一段时间的连续现象出现后，我们就可以推测和发现运动的存在了。所以教师在引导学生观察现象的时候，有意识的对现象的采集要全面。例如在教学日食和月食时，老师有意识的提供了15张不同时间段的日食照片，然后按照时间顺序组成了日全食发生过程图（图一）。学生在教师的引导下自然能够推测出遮挡物是运动的和运动的方向是逆时针的这一观察难点。又如在教学地球内部运动引起的地形变化一课火山与地震时，教师要有意识地提供两类信息即地表隆起和分裂的案例。学生自然会推测到地壳（板块）的两种运动方式：挤压和分裂。（2）在规律性的现象中推测运动的周期。在观察和发现规律性的事件中人们开始学会使用了时间年、月、日。从昼夜交替现象中推测地球的自转周期为一天；从四季交替，年年循环现象中我们推测地球公转的周期为一年；从月相的变化周期中我们推测到了地球公转的周期为一月。（3）在大单元的归纳中建构运动模型。如通过地球的运动单元的学习，我们归纳了地球运动的两种主要形式：自转和公转。对地球两种运动形式的描述中，我们建构了运动的模型，即方式、方向、周期和特点。在地球运动产生的现象中，我们知道了自然现象形成的原因。通过宇宙单元的学习，我们归纳了月球的运动也有两种主要方式：自转和公转。从八大行星的资料学习中，我们进一步了解到行星也有自转和公转两种方式。从地球和月球运动，结合它们和太阳之间的空间结构关系，我们建构了这样一种模型月球绕着地球转，地球带着月球绕着太阳公转。从而建构了天体的基本模型自转周期和公转周期，以及它们所产生的天文现象。（四）借助空间想象建构对象间实际关系对科学概念的有效建构。空间观念建构的归宿是通过空间想象要帮助学生形成科学概念。修订后的教科版教材明确无误地展现了小学科学教材的整体结构，并慎重提出了探究的“双螺旋”结构科学概念和科学探究。与修订前的教材相比，更加突出了科学概念在培养学生科学素养中的重要性。例如日食和月食日食成因探讨：（国外宇航员从太空拍摄的照片）师：通过模拟实验，你观察到了什么现象？生：我看到了影子。师：能说的具体些吗？生：我观察到了“地球”上有“月球”的影子。生：我观察到了“月球”上有“地球”的影子。师：观察到的哪些现象能说明日食发生了？生：我观察到了“地球”上有“月球”的影子。师：事实上是不是真的如你们所说的那样呢？师出示一张“真实的一位宇航员从太空拍摄的日食发生时”的照片。师：现在你又看到了什么，想到了什么？生：看到了日食发生时，地球上真的有月球的影子；生：处在影子中的人，看不到太阳，日食发生了。学生通过模拟实验建构了空间观念；借助模型分析和想象认识对象间的实际关系，通过真实的情景回归，让学生把空间观念和科学概念之间建立了关系，有效的建构了科学概念。 “一个仰望星空的民族，是大有希望的民族。”（温家宝）通过以上四个层次对学生空间观念的结构要素进行建构是具体和有效的。科学课程标准（36）指出：“这部分内容（地球和宇宙）的教学重点是点燃小学生的求知欲，这远比告诉他们太阳的直径、温度更重要！”尽管“地球和宇宙”培养的重点是学生的兴趣和求知欲。但从当前小学科学课程改革的趋势帮助学生建构科学概念，以及义务教育阶段不断地改革和推进“以学定教”的课堂教学改革的理念，空间观念的建构是符合新课程改革的趋势。它终将为学生后续的科学学习和科学概念的发展，为终生学习起到了铺垫和桥梁的作用。参考文献:1 (美)威廉.艾斯勒玛丽.艾斯勒 著 走进中小学科学课.全景式教学方法（第八版） 长春出版社2 (美)大卫.杰娜.马丁 著 走进中小学科学课.建构主义教学方法（第二版） 长春出版社3 李伟臣 小学科学“地球与宇宙”教学策略概览 附件：太阳系八大行星基本数据表名称与太阳的平均距离万千米与“太阳”的平均距离（米）赤道直径（千米）“赤道”直径（厘米）自转周期（天）公转周期水星5,80054,8800.045988日金星10,8001012,1040.12243225日地球15,0001512,7560.1211年火星22,800226,7920.061.031.9年木星77,80077143,0001.40.4111.8年土星142,900142120,5001.20.4429.5年天王星287,10028751,1200.50.7284年海王星450,40045049,5000.490.67164.8年注：太阳直径：1400000千米 比例尺：十亿分之一 比例尺缩小后为14厘米7