以“設(shè)計(jì)”為核心的項(xiàng)目教學(xué)實(shí)踐

李情義 何彩霞

摘要： 以學(xué)生科學(xué)精神和實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)為目標(biāo)，提出以“設(shè)計(jì)”為核心的項(xiàng)目框架，開發(fā)“制作凈水器”項(xiàng)目教學(xué)案例。通過(guò)讓學(xué)生經(jīng)歷運(yùn)用科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作產(chǎn)品和解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程，感受科學(xué)、技術(shù)與社會(huì)的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生理性思維、批判性思維和勇于探究的科學(xué)精神。并且結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，從凸顯設(shè)計(jì)思維培養(yǎng)、體現(xiàn)科學(xué)概念及原理的理解及應(yīng)用、小組合作探討實(shí)際問(wèn)題的解決三個(gè)主要方面闡述以“設(shè)計(jì)”為核心的項(xiàng)目教學(xué)的教育價(jià)值實(shí)施策略。

關(guān)鍵詞： 科學(xué)教育； 設(shè)計(jì)； 項(xiàng)目學(xué)習(xí)

文章編號(hào)： 10056629（2018）9004205 中圖分類號(hào)： G633.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

在大力提倡發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的教育改革背景下，科學(xué)教育強(qiáng)調(diào)學(xué)生科學(xué)精神和實(shí)踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。與之相對(duì)應(yīng)，新頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》[1]增設(shè)了“技術(shù)與工程”領(lǐng)域方面的內(nèi)容，《義務(wù)教育初中科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2011年版）》[2]也設(shè)有“技術(shù)設(shè)計(jì)”主題內(nèi)容，期望通過(guò)這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠運(yùn)用科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)品以解決相關(guān)實(shí)際問(wèn)題，發(fā)展學(xué)生的實(shí)踐創(chuàng)新能力。如何在科學(xué)教學(xué)中開展體現(xiàn)以“設(shè)計(jì)”為核心的項(xiàng)目教學(xué)已成為教學(xué)研究的重要內(nèi)容。

1 以“設(shè)計(jì)”為核心的項(xiàng)目框架及教學(xué)案例

1.1 項(xiàng)目框架

項(xiàng)目學(xué)習(xí)是學(xué)生面對(duì)復(fù)雜、真實(shí)問(wèn)題展開的探究過(guò)程，也是精心設(shè)計(jì)項(xiàng)目作品、規(guī)劃和實(shí)施項(xiàng)目任務(wù)的過(guò)程[3]。以“設(shè)計(jì)”為核心的項(xiàng)目是指從實(shí)際需求出發(fā)，通過(guò)設(shè)計(jì)、制作及測(cè)試、改進(jìn)，形成能夠解決實(shí)際問(wèn)題的產(chǎn)品[4]，其基本框架（見(jiàn)圖1），包括： 實(shí)際需求——設(shè)計(jì)與制作產(chǎn)品（模型或原型）——產(chǎn)品測(cè)試與改進(jìn)優(yōu)化等要素。其中，“設(shè)計(jì)與制作產(chǎn)品”的過(guò)程體現(xiàn)了科學(xué)和技術(shù)的融合，即學(xué)生運(yùn)用科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對(duì)實(shí)際問(wèn)題，從科學(xué)原理分析問(wèn)題的實(shí)質(zhì)，并依據(jù)科學(xué)原理從材料、結(jié)構(gòu)及工藝等技術(shù)角度找尋解決問(wèn)題的思路與方法；“產(chǎn)品測(cè)試與改進(jìn)優(yōu)化”是從產(chǎn)品效果、效率等方面測(cè)試產(chǎn)品功能，進(jìn)而改進(jìn)設(shè)計(jì)方案、優(yōu)化產(chǎn)品，最終解決實(shí)際問(wèn)題，這一過(guò)程重在培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑、批判性思維和不斷改進(jìn)創(chuàng)新的科學(xué)精神。

1.2 “制作凈水器”項(xiàng)目教學(xué)案例

以上述項(xiàng)目框架為依據(jù)，結(jié)合不同階段學(xué)生學(xué)習(xí)和發(fā)展需要，在科學(xué)教學(xué)和化學(xué)教學(xué)中開展“制作凈水器”項(xiàng)目教學(xué)，其教學(xué)流程包括“明確任務(wù)——設(shè)計(jì)制作凈水器——產(chǎn)品測(cè)試與改進(jìn)——分享與反思”（見(jiàn)表1）[5]。該項(xiàng)目教學(xué)以生活中產(chǎn)生大量污水、造成水資源的浪費(fèi)為問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生明確設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易凈水器凈化生活廢水的任務(wù)；學(xué)生在小組中開展學(xué)習(xí)，通過(guò)觀察教師提供的一杯“污水”，分析討論得出污水中雜質(zhì)的種類大致可分為難溶物、可溶物、微生物等。在教師問(wèn)題引導(dǎo)下，學(xué)生了解混合物分離的先后順序： 先分離水中的難溶物雜質(zhì)，再分離水中可溶性雜質(zhì)；并且在分離難溶物雜質(zhì)時(shí)還需要遵從顆粒由大到小的先后分離順序?；谶@樣的分離順序，學(xué)生從結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途的角度分析教師所提供的多種材料（包括小礫石、石英砂、脫脂棉紗布、高密度PP棉、低密度PP棉、厚PP棉、活性炭和礦泉水瓶）的特點(diǎn)并進(jìn)行選擇。在充分理解科學(xué)原理和材料屬性之后，學(xué)生通過(guò)小組交流畫出設(shè)計(jì)草圖，進(jìn)一步討論確定設(shè)計(jì)方案，畫出凈水器設(shè)計(jì)圖。按照設(shè)計(jì)方案和圖紙制作凈水器，在設(shè)計(jì)和制作的過(guò)程中，學(xué)生依據(jù)需要使用一些工具，如剪刀、裁紙刀、直尺、鑷子、攪拌棒等。對(duì)所制作的凈水器進(jìn)行測(cè)試，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，反思并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)產(chǎn)品，展示與交流心得。

2 以“設(shè)計(jì)”為核心的項(xiàng)目教學(xué)的教育價(jià)值實(shí)施策略

2.1 凸顯學(xué)生設(shè)計(jì)思維的培養(yǎng)

設(shè)計(jì)思維是指人們?cè)谠庥鰪?fù)雜現(xiàn)實(shí)問(wèn)題時(shí)，能夠綜合運(yùn)用自己已有智能，通過(guò)設(shè)計(jì)與思維雙螺旋結(jié)構(gòu)的相互依賴與促進(jìn)，不斷生成新問(wèn)題解決策略，進(jìn)而創(chuàng)造性地形成解決問(wèn)題的思路與方案[6]。培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)思維，是為了學(xué)生在面對(duì)復(fù)雜實(shí)際問(wèn)題時(shí)，能夠?qū)σ延兄R(shí)和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行檢索和應(yīng)用，搭建一個(gè)問(wèn)題解決體系，并找到知識(shí)與現(xiàn)實(shí)問(wèn)題之間的聯(lián)系。以“設(shè)計(jì)”為核心的項(xiàng)目，在規(guī)劃設(shè)計(jì)方案過(guò)程中學(xué)生需要對(duì)科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)、藝術(shù)等領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行聯(lián)合與集成，通過(guò)產(chǎn)品應(yīng)用對(duì)象、應(yīng)用情境分析，確定產(chǎn)品技術(shù)要求和目標(biāo)，分析得出問(wèn)題解決的框架，根據(jù)材料屬性尋找實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的方案。這一系列學(xué)生活動(dòng)體現(xiàn)應(yīng)用設(shè)計(jì)思維解決問(wèn)題的過(guò)程。

在“制作凈水器”項(xiàng)目學(xué)習(xí)中（見(jiàn)圖2），學(xué)生確定產(chǎn)品應(yīng)用對(duì)象和應(yīng)用情境，分析得出“凈水器”產(chǎn)品要求，包括結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、易于制作、過(guò)濾效率高等。想要達(dá)到這樣設(shè)計(jì)目標(biāo)，學(xué)生確定問(wèn)題解決框架，即材料、結(jié)構(gòu)和功能，從這三個(gè)方面去思考每一個(gè)產(chǎn)品的要求，最終得到解決方案。例如想要凈水器過(guò)濾效率高，從材料角度可以充分利用高效的高密度PP棉，從結(jié)構(gòu)角度考慮得到解決方案是遵從混合物分離原理、分級(jí)過(guò)濾的原則、層狀結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)緊實(shí)等等。

學(xué)生經(jīng)歷的上述設(shè)計(jì)過(guò)程，體現(xiàn)了從“設(shè)計(jì)目標(biāo)、根據(jù)目標(biāo)建立問(wèn)題解決框架、尋找解決問(wèn)題的方案”等設(shè)計(jì)思維模型[7]，這一系列學(xué)生活動(dòng)體現(xiàn)應(yīng)用設(shè)計(jì)思維解決問(wèn)題的過(guò)程。

2.2 通過(guò)畫圖將學(xué)生設(shè)計(jì)思維外顯

設(shè)計(jì)圖是產(chǎn)品設(shè)計(jì)中所應(yīng)用的一種技術(shù)語(yǔ)言。以“設(shè)計(jì)”為核心的項(xiàng)目學(xué)習(xí)實(shí)施過(guò)程中，在方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)要求學(xué)生通過(guò)勾勒草圖不斷完善設(shè)計(jì)方案，通過(guò)“設(shè)計(jì)圖”呈現(xiàn)確定的設(shè)計(jì)方案。學(xué)生作為設(shè)計(jì)者在畫草圖時(shí)不僅僅是通過(guò)圖樣的方式呈現(xiàn)大腦中的設(shè)計(jì)方案，而且草圖中蘊(yùn)含了設(shè)計(jì)者畫圖時(shí)并未注意的靈感，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)根據(jù)草圖提供的原始意象與“草圖對(duì)話”[8]，激發(fā)、引入設(shè)計(jì)主體長(zhǎng)時(shí)記憶內(nèi)的、與該設(shè)計(jì)主題相關(guān)信息，對(duì)原草圖進(jìn)行重新解釋，促使新意象（image）在頭腦中形成，激發(fā)產(chǎn)生新的創(chuàng)意[9]。

在“制作凈水器”項(xiàng)目學(xué)習(xí)中，學(xué)生在制定設(shè)計(jì)方案過(guò)程中，著重考慮的方面就是由不同材料組合而成的凈水器的結(jié)構(gòu)，在畫草圖之前，學(xué)生在小組內(nèi)對(duì)材料的選擇和使用先后順序等問(wèn)題基本達(dá)到共識(shí)，然而在畫草圖過(guò)程中他們會(huì)發(fā)現(xiàn)很多沒(méi)有預(yù)想到的問(wèn)題，例如礦泉水瓶能夠容納多少材料呢？每一種材料畫多厚呢？基于這一發(fā)現(xiàn)，學(xué)生開始拿起尺子測(cè)量瓶身高度和材料厚度，并將尺寸標(biāo)注在草圖中（見(jiàn)圖3）。這些發(fā)現(xiàn)引導(dǎo)學(xué)生從材料用量角度重新規(guī)劃設(shè)計(jì)并調(diào)整方案。確定設(shè)計(jì)方案后，學(xué)生以設(shè)計(jì)圖的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，感受“設(shè)計(jì)”活動(dòng)中畫圖的規(guī)范性。

學(xué)生經(jīng)歷畫草圖的過(guò)程激發(fā)新的設(shè)計(jì)靈感進(jìn)而完善設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)設(shè)計(jì)圖的方式呈現(xiàn)最終設(shè)計(jì)，這一教學(xué)環(huán)節(jié)將學(xué)生創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)思維外顯，使學(xué)生體會(huì)到畫圖在“設(shè)計(jì)”中的重要性，提升學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)。

2.3 體現(xiàn)科學(xué)概念及原理的理解和應(yīng)用

科學(xué)概念及原理是科學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容。以 “設(shè)計(jì)”為核心的項(xiàng)目教學(xué)中，科學(xué)概念及原理是設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，學(xué)生經(jīng)歷設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試、優(yōu)化等產(chǎn)品設(shè)計(jì)整個(gè)過(guò)程體現(xiàn)其對(duì)科學(xué)概念及原理的理解和應(yīng)用。

“制作凈水器”項(xiàng)目教學(xué)，學(xué)生進(jìn)行初步設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)“水的凈化”相關(guān)的科學(xué)概念及原理，具體包括“生活廢水”中的雜質(zhì)分類、材料的結(jié)構(gòu)決定其性質(zhì)和用途、溶解、過(guò)濾、混合物分離原則等[10]。若在小學(xué)5年級(jí)開展“制作凈水器”項(xiàng)目學(xué)習(xí)時(shí)，考慮到學(xué)生的認(rèn)知基礎(chǔ)，其所涉及的相關(guān)原理見(jiàn)表2。

學(xué)生在制定方案之前了解“生活廢水”中的雜質(zhì)可以分為難溶物和可溶物，通過(guò)閱讀資料得到“雜質(zhì)顆粒物由大到小”的混合物分離原則，從結(jié)構(gòu)的角度認(rèn)識(shí)材料屬性和功能。在項(xiàng)目中應(yīng)用混合物分離原則確定凈水器的功能結(jié)構(gòu)先后為去除大顆粒難溶物、去除小顆粒難溶物、去除可溶性有機(jī)物。根據(jù)對(duì)材料的認(rèn)識(shí)確定凈水器的材料應(yīng)用順序大致為紗布、礫石、石英砂、PP棉、活性炭。依據(jù)產(chǎn)品要求思考材料的工藝處理方式，結(jié)合“凈水單元重復(fù)操作”等凈水技術(shù)完善設(shè)計(jì)方案。在產(chǎn)品改進(jìn)優(yōu)化階段，應(yīng)用科學(xué)知識(shí)及原理從科學(xué)性、材料及工藝的角度分析問(wèn)題并得到改進(jìn)方案。

由此可見(jiàn)，學(xué)生在進(jìn)行此類項(xiàng)目學(xué)習(xí)過(guò)程中，對(duì)相關(guān)的科學(xué)概念及原理有了更加深入的理解，并學(xué)會(huì)應(yīng)用這些科學(xué)知識(shí)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)和分析。

2.4 小組合作探討實(shí)際問(wèn)題的解決

以“設(shè)計(jì)”為核心的項(xiàng)目學(xué)習(xí)采取小組合作的方式進(jìn)行，小組成員提出創(chuàng)造性的問(wèn)題解決方案并進(jìn)行討論和篩選，通過(guò)動(dòng)手制作模型再次思考設(shè)計(jì)方案的合理性，根據(jù)科學(xué)的測(cè)試結(jié)果綜合分析，改進(jìn)方案并優(yōu)化產(chǎn)品，整個(gè)過(guò)程學(xué)生在小組內(nèi)合作探討解決實(shí)際問(wèn)題，體會(huì)團(tuán)隊(duì)的力量和合作精神的重要。

例如，“制作凈水器”項(xiàng)目學(xué)習(xí)以4人為一個(gè)小組進(jìn)行，小組成員每人都有自己的身份和職責(zé)[11]（見(jiàn)表3）。在這樣的小組中，每個(gè)成員從不同角度監(jiān)督和控制整個(gè)團(tuán)隊(duì)任務(wù)完成的進(jìn)度和效度，最終的“產(chǎn)品”體現(xiàn)著每一個(gè)成員的智慧和付出，使每個(gè)學(xué)生的使命感和成就感更強(qiáng)。學(xué)生在履行職責(zé)的同時(shí)，全程參與到小組活動(dòng)的每一個(gè)環(huán)節(jié)中，使得活動(dòng)參與度更高。

小組合作學(xué)習(xí)的方式中，教師的角色從科學(xué)知識(shí)傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為研究主體的共同學(xué)習(xí)者。教師以任務(wù)驅(qū)動(dòng)、問(wèn)題啟發(fā)的形式與學(xué)生一起交流和研究，為學(xué)生搭建思維臺(tái)階，引導(dǎo)學(xué)生深入思考[12]。對(duì)學(xué)生遇到的問(wèn)題不做“對(duì)或錯(cuò)”的判斷，鼓勵(lì)學(xué)生“試一試”，通過(guò)實(shí)踐探究的方式尋找答案，為學(xué)生營(yíng)造一個(gè)敢于發(fā)表自我想法的安全心理氛圍，為學(xué)生創(chuàng)造力的培養(yǎng)提供充足的空間[13]。

3 結(jié)束語(yǔ)

以“設(shè)計(jì)”為核心的項(xiàng)目框架對(duì)開發(fā)科學(xué)學(xué)習(xí)與實(shí)踐活動(dòng)具有方法性意義，依據(jù)這一框架設(shè)計(jì)的制作水火箭、小氧吧、制作凈水器等項(xiàng)目學(xué)習(xí)活動(dòng)，可直接應(yīng)用于中小學(xué)科學(xué)教學(xué)和化學(xué)學(xué)科實(shí)踐活動(dòng)。此外，“制作凈水器”項(xiàng)目學(xué)習(xí)已應(yīng)用于中小學(xué)科學(xué)教師培訓(xùn)，參與培訓(xùn)的教師通過(guò)體驗(yàn)式學(xué)習(xí)對(duì)以“設(shè)計(jì)”為核心的項(xiàng)目教學(xué)有了深刻的理解，這將有助于今后進(jìn)一步在科學(xué)教學(xué)和化學(xué)教學(xué)中開展項(xiàng)目教學(xué)。

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