在教科版科學(xué)五年級(jí)“船的研究”單元教學(xué)中，筆者圍繞“結(jié)構(gòu)與功能”“系統(tǒng)與模型”兩個(gè)大概念的理解與遷移，系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)活動(dòng)，旨在幫助學(xué)生構(gòu)建關(guān)于船的結(jié)構(gòu)化知識(shí)體系，提升科學(xué)思維與實(shí)踐探究能力。

此概念體系下，各子概念既相互獨(dú)立又緊密關(guān)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(dòng)力，船的設(shè)計(jì)、制作與測試等零散知識(shí)點(diǎn)和實(shí)踐活動(dòng)建構(gòu)為完整的知識(shí)體系，為學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)提供了清晰的邏輯框架。

一、大概念的解析與概念體系架構(gòu)

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出，“結(jié)構(gòu)與功能\"反映的是事物結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系（結(jié)構(gòu)是功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，功能是結(jié)構(gòu)的外在表現(xiàn)）。人們通過分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，可以解釋其工作機(jī)制和實(shí)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(jié)構(gòu)特征。在工程技術(shù)領(lǐng)域，“系統(tǒng)與模型\"大概念強(qiáng)調(diào)將復(fù)雜的系統(tǒng)簡化，構(gòu)造簡化的模型，從而更好地描述和研究系統(tǒng)。

圍繞這兩個(gè)大概念，筆者以單元學(xué)習(xí)內(nèi)容“船的研究\"為載體，以與大概念相關(guān)的\"物質(zhì)的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”“物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)與相互作用”“技術(shù)、工程與社會(huì)\"和“工程設(shè)計(jì)與物化\"四個(gè)核心概念為分支，輻射一般概念，把一般概念與具體知識(shí)點(diǎn)關(guān)聯(lián)，如一般概念“物質(zhì)具有一定的特性與功能\"對(duì)應(yīng)具體知識(shí)\"浮的/沉的材料都可以造船”，最終構(gòu)建出如圖1所示的概念體系，形成單元知識(shí)框架。

二、設(shè)計(jì)促進(jìn)大概念理解與遷移的學(xué)習(xí)活動(dòng)

1.創(chuàng)設(shè)認(rèn)知沖突，激活探究動(dòng)機(jī)

教學(xué)伊始，教師引導(dǎo)：“通過上節(jié)課的學(xué)習(xí)，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(xué)生認(rèn)為可以，有的學(xué)生認(rèn)為不可以，并且都能說出理由。教師通過學(xué)生之間的認(rèn)知沖突（“可以”還是“不可以”）有效激活學(xué)生的探究欲望，為后續(xù)學(xué)生解開認(rèn)知沖突“沉的物體在水中也受到水的浮力\"埋下伏筆。學(xué)生了解浮的、沉的材料都可以造船后，就有了學(xué)習(xí)“結(jié)構(gòu)與功能”大概念的認(rèn)知基礎(chǔ)。

2.多維探究活動(dòng)，建構(gòu)概念認(rèn)知

注重細(xì)節(jié)，深入探究。探究獨(dú)木舟的載重特點(diǎn)時(shí)，學(xué)生在按照教材要求開展實(shí)驗(yàn)的過程中，很容易發(fā)現(xiàn)獨(dú)木舟易側(cè)翻的特點(diǎn)。個(gè)別學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中把側(cè)翻的獨(dú)木舟底部當(dāng)作載重部位進(jìn)行載重測試。教師順勢鼓勵(lì)學(xué)生觀察并比較兩種情況下獨(dú)木舟載重有什么差異。學(xué)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(jié)構(gòu)特征 $$ 功能假設(shè) $$ 功能驗(yàn)證\"的推理邏輯，助力學(xué)生實(shí)現(xiàn)“結(jié)構(gòu)與功能”的理解進(jìn)階。在小組探究環(huán)節(jié)，教師讓學(xué)生在觀察的基礎(chǔ)上描述船首的形狀，引導(dǎo)學(xué)生思考船首為什么設(shè)計(jì)成尖形。在學(xué)生作出“尖形船首可以減少阻力\"的假設(shè)后，教師追問：“怎樣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證這一功能推理是否正確呢？\"學(xué)生通過小組討論和全班交流，形成共識(shí)：以形狀、材料相同的兩個(gè)木塊模擬平的船首和尖的船首的小船，并比較兩者在動(dòng)力相同情況下運(yùn)動(dòng)的快慢，從而得出結(jié)論“船的行駛需要?jiǎng)恿?，并要減少阻力。尖形船首設(shè)計(jì)可以減少阻力”。整個(gè)理解過程體現(xiàn)了“識(shí)別結(jié)構(gòu) $$ 描述特征 $$ 推測功能 $$ 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 $$ 優(yōu)化設(shè)計(jì)”的以功能推演為主線的認(rèn)知進(jìn)階。

設(shè)計(jì)方案，逆向輸出。在“設(shè)計(jì)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(dá)到200克，有獨(dú)立的動(dòng)力系統(tǒng)，能把貨物運(yùn)送到目的地”，并引導(dǎo)學(xué)生將整體目標(biāo)拆解成“如何控制成本”“如何達(dá)到載重量”“如何設(shè)計(jì)獨(dú)立的動(dòng)力系統(tǒng)”“如何保持船體穩(wěn)定”“如何控制航向\"等問題。學(xué)生在獨(dú)立思考、小組討論、小組繪制、全班交流、合理改進(jìn)的學(xué)習(xí)過程中，經(jīng)歷了“結(jié)合功能目標(biāo)進(jìn)行功能拆解→結(jié)構(gòu)構(gòu)思 $$ 設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案 $$ 評(píng)估選擇\"的從功能到結(jié)構(gòu)的逆向輸出的理解過程。至此，學(xué)生對(duì)“結(jié)構(gòu)與功能”大概念有了清晰的認(rèn)識(shí)，知道了事物的結(jié)構(gòu)決定其功能與屬性，同時(shí)學(xué)會(huì)通過觀察系統(tǒng)的功能，推測其潛在的結(jié)構(gòu)特征。

模型制作，功能測試。模型制作環(huán)節(jié)，教師指導(dǎo)學(xué)生小組合理分工，設(shè)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(guān)功能要求，又要控制成本；制作過程要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)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(huì)”，引導(dǎo)學(xué)生從小船設(shè)計(jì)的科學(xué)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(jìn)行自評(píng)和互評(píng)。有學(xué)生評(píng)價(jià)“這只小船的船首設(shè)計(jì)成尖形，可以減小船在航行時(shí)的阻力。如果能標(biāo)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?！闭麄€(gè)活動(dòng)既是大概念“結(jié)構(gòu)與功能”的再認(rèn)識(shí)過程，又是實(shí)現(xiàn)此概念遷移應(yīng)用的過程。同時(shí)學(xué)生對(duì)船形成“系統(tǒng)（船的整體） $$ 模型（船的各個(gè)系統(tǒng)） $$ 系統(tǒng)（小船模型的建立）\"的認(rèn)知閉環(huán)。至此，學(xué)生對(duì)“系統(tǒng)與模型\"大概念有了較深刻的理解。

3.真實(shí)問題解決，實(shí)現(xiàn)概念遷移

為實(shí)現(xiàn)“結(jié)構(gòu)與功能”“系統(tǒng)與模型\"概念遷移，教師引導(dǎo)學(xué)生實(shí)施\"DIY大師之制作智能小船\"活動(dòng)。

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(xué)生通過查閱資料或請(qǐng)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(shí)現(xiàn)途徑。然后，教師引導(dǎo)學(xué)生以圖文并茂的方式分類呈現(xiàn)調(diào)查結(jié)果。學(xué)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(gè)方面：一是利用先進(jìn)的自主導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)無人值守的航行，如遠(yuǎn)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(zhǔn)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(shè)計(jì)?；诘谝浑A段的調(diào)查成果，教師引導(dǎo)學(xué)生分小組設(shè)計(jì)一份符合預(yù)想的船舶模型設(shè)計(jì)方案。教師提示學(xué)生用示意圖配以適當(dāng)?shù)奈淖终f明呈現(xiàn)創(chuàng)意，同時(shí)注意方案的可操作性。第一組學(xué)生設(shè)計(jì)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(fēng)阻與重量。船首、船尾和船身中部的兩側(cè)各安裝一個(gè)超聲波傳感器，它們能借助電腦編程設(shè)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(shí)停止船舶模型的動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)安全航行。

模型制作。基于第二階段的學(xué)習(xí)成果，教師指導(dǎo)學(xué)生組內(nèi)合理分工，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖制作船舶模型。完成制作后，教師組織學(xué)生對(duì)船舶模型進(jìn)行測試和改進(jìn)，直至模型達(dá)到預(yù)期。成果展示在社團(tuán)活動(dòng)中開展，學(xué)生制作船舶模型設(shè)計(jì)圖展板，并將其布置在測試區(qū)域旁邊，教師帶領(lǐng)學(xué)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(xué)生在小組合作制作智能小船的過程中實(shí)現(xiàn)了對(duì)“結(jié)構(gòu)與功能\"“系統(tǒng)與模型\"兩個(gè)大概念的深入理解與遷移。

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

文字編輯孫愛蓉