小學(xué)科學(xué)課程中工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)

倪愛萍

一、工程與技術(shù)核心概念的操作定義

工程設(shè)計(jì)與物化——科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022版）中的第十三條核心概念，以學(xué)科素養(yǎng)作為核心串聯(lián)整體設(shè)計(jì)。

1. 工程需要定義和界定：定義簡單工程問題，包括材料、時間或成本等限和界定制條件，提出驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

2. 工程的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)：利用示意圖、影像、文字或?qū)嵨锏榷喾N方式，闡明自己的創(chuàng)意，初步認(rèn)識設(shè)計(jì)方案中各影響因素間的關(guān)系?；谟姓f服力的論證，認(rèn)同或質(zhì)疑某些設(shè)計(jì)方案，并初步判斷其民行性和合理性。

3. 工程是設(shè)計(jì)方案物化的結(jié)果：利用工具制作簡單的實(shí)物模型，根據(jù)實(shí)際反饋結(jié)案物化的結(jié)果。

二、對研究問題的情境性分析

本文從課標(biāo)中的核心概念出發(fā)設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)目標(biāo)，設(shè)計(jì)意圖是讓學(xué)生經(jīng)歷工程的完整過程“明確任務(wù)→設(shè)計(jì)→建模→測試→評估改進(jìn)→實(shí)施建設(shè)”，在實(shí)踐中學(xué)習(xí)達(dá)成學(xué)科素養(yǎng)目標(biāo)和人文素養(yǎng)目標(biāo)。

以小學(xué)六年級科學(xué)《小小工程師》單元改進(jìn)的工程項(xiàng)目——建造足球塔臺為例。學(xué)習(xí)的形式有頭腦風(fēng)暴、合作設(shè)計(jì)、集體匯報、畫廊式展評、競標(biāo)書審辨會、向?qū)W校提交成形競標(biāo)書等。

三、研究設(shè)計(jì)

（一）研究目標(biāo)

本項(xiàng)目采用工程與技術(shù)素養(yǎng)和人文素養(yǎng)目標(biāo)并行的方式設(shè)計(jì)。

1. 能提出滿足定限制條件的簡單工程問題，知道驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，了解設(shè)計(jì)方案中各種因素間的關(guān)系。能綜合考慮平衡各因素間的關(guān)系。

2. 能基于所學(xué)科學(xué)知識，應(yīng)用創(chuàng)造性思維的基本方法提出多種設(shè)計(jì)方案，基于批判性思維評價并優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。能與同伴頭腦風(fēng)暴討論更優(yōu)方案。

3. 能制作實(shí)物模型，并基于證據(jù)改進(jìn)實(shí)物模型的設(shè)計(jì)和制作。能全體匯報交流肯定他組優(yōu)點(diǎn)，也敢于質(zhì)疑，同時勇于接受他人批判。

4. 樂于嘗試多種設(shè)計(jì)方案，初步具有質(zhì)疑、創(chuàng)新的態(tài)度;知道技術(shù)與工程需要實(shí)事求是，能如實(shí)記錄相關(guān)信息和正確對待作品的缺陷。

（二）研究內(nèi)容與步驟

四、實(shí)踐操作過程

（一）小小工程師，寫一寫建造塔臺“競標(biāo)書”

在第一部分項(xiàng)目的活動中，主要設(shè)計(jì)以下三個方面的內(nèi)容，包括以下三點(diǎn)內(nèi)容。

1. 頭腦風(fēng)暴，“辦法”總比“問題”多。觀看塔臺競標(biāo)視頻。首先通過一個校長發(fā)布的塔臺競標(biāo)視頻展現(xiàn)學(xué)習(xí)生活過程中的真實(shí)情境。展示操場照片和學(xué)校足球隊(duì)的訓(xùn)練情況。引發(fā)基于現(xiàn)實(shí)問題的思考。校長發(fā)表競標(biāo)視頻：“同學(xué)們，大家好！我是你們的校長張老師。學(xué)校足球隊(duì)因訓(xùn)練需要，要在操場上建一座塔臺，以供足球教練站在塔臺上指揮隊(duì)員訓(xùn)練，請各位準(zhǔn)工程師一起來幫助完成此工程任務(wù)?，F(xiàn)在學(xué)校向全體六年級同學(xué)公開征集塔臺的設(shè)計(jì)方案，最終通過競標(biāo)的方式確定建塔資格。希望大家頭腦風(fēng)暴、集思廣益設(shè)計(jì)出安全、節(jié)約成本又美觀的塔臺！”觀看了校長的塔臺招標(biāo)公告，讓學(xué)生說說自己的想法，建造塔臺需要考慮的因素有哪些？討論如何解決各個方面的問題。

2. 分工合作，做一份競標(biāo)書。設(shè)計(jì)一份塔臺競標(biāo)書。讓學(xué)生通過分工合作、手繪設(shè)計(jì)圖的方式，設(shè)計(jì)一份塔臺競標(biāo)書，學(xué)生通過簡單的鉛筆、直尺展現(xiàn)自己的想法。畫出的設(shè)計(jì)圖兼具工程嚴(yán)謹(jǐn)性和創(chuàng)意性。

3. 交流分享，我們組的競標(biāo)書。同學(xué)們對自己小組的設(shè)計(jì)充滿了信心，充滿了分享的欲望。這時候把講臺交給學(xué)生，臺上的小組作為競標(biāo)者分享自己的標(biāo)書。臺下的同學(xué)作為“評審團(tuán)”，可以提出質(zhì)疑，也可以說說哪里值得大家借鑒。

項(xiàng)目經(jīng)理：我們組的名字是“芬達(dá)汽水小組”，成員分工如下：妮妮是項(xiàng)目經(jīng)理，邵方曦是繪圖設(shè)計(jì)師，徐可欣是成本會計(jì)。我們預(yù)計(jì)的工期是暑假7月3日—8月25日。成本會計(jì)：我們預(yù)設(shè)建設(shè)位置在如圖所示操場的一側(cè)，使用到的材料有：鋼管、木材、木板、混凝土。根據(jù)我們選材如商標(biāo)，總計(jì)費(fèi)用為2788.86元人民幣。繪圖設(shè)計(jì)師：我們組的塔臺采用三角形結(jié)構(gòu)，整體上小下大，上輕下重，十分穩(wěn)固，頂端有欄桿會更安全，結(jié)構(gòu)美觀。底面為邊長為一米的等邊三角形，加上一根鋼管支撐。頂面為0.5米的等邊三角形，欄桿高度為0.2米。側(cè)面還加入了多根斜桿加固，底面四個角用混凝土加重。

學(xué)生都是積極向上有好勝心的，都會想辦法往三分的方向去設(shè)計(jì)自己的模型。有了明確的方向和積極的興趣，設(shè)計(jì)活動會更加高效。

（二）小小設(shè)計(jì)師，畫一畫塔臺模型“設(shè)計(jì)圖”

本環(huán)節(jié)是塔臺建設(shè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。塔臺的制作需要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖進(jìn)行。

1. 評價表前置，明確任務(wù)目標(biāo)。學(xué)生看完任務(wù)要求再自行閱讀了塔臺制作評價表，會對自己的設(shè)計(jì)方案有新的理解，會做出新的各種因素之間的權(quán)衡。

2. 分工明確，合作手繪圖。針對設(shè)計(jì)需求討論設(shè)計(jì)方案，塔臺模型的設(shè)計(jì)與之前的直接設(shè)計(jì)塔臺是不同的，所以針對塔臺模型設(shè)計(jì)，組內(nèi)還需進(jìn)行討論。學(xué)生分配好自己的角色，興趣濃厚，各司其職，完成設(shè)計(jì)圖稿。學(xué)生充分參與到項(xiàng)目化活動中去，整個設(shè)計(jì)過程中，學(xué)生的交流能力、探究能力、合作能力和審美能力都得到了一定程度的提升。

3. 畫廊走，我來介紹你來評。畫廊走是一種輪流欣賞同伴作品的學(xué)習(xí)方式。繪圖設(shè)計(jì)師留在原地向參觀者介紹自己組的作品，答疑解惑。另外三位組員按照順序充分參觀其他組的作品。用貼愛心的方式客觀地選擇優(yōu)秀的設(shè)計(jì)。得到愛心最多的小組肯定有設(shè)計(jì)上的優(yōu)勢，請幾個優(yōu)秀的小組成員上臺解說自己組的設(shè)計(jì)，其他小組可以借鑒，也可以提出質(zhì)疑。

通過以上設(shè)計(jì)任務(wù)，學(xué)生對于怎樣是一個好的塔臺模型有了更多更深刻的認(rèn)識，對于工程是一個復(fù)雜過程，需要綜合考慮的過程有了更直接的體會。鍛煉了合作交流能力，提高了肯定和質(zhì)疑他人觀點(diǎn)的能力。

（三）小小建筑師，搭一搭“塔臺模型”實(shí)物

由設(shè)計(jì)模型到制作模型，由理論想法到實(shí)踐操作，由科學(xué)知識到操作技術(shù)，真正做到學(xué)以致用，清晰有邏輯順序的學(xué)習(xí)活動。

1. 集思廣益，交流搭建技術(shù)。模型搭建的材料只有塑料吸管、粘膠帶、剪刀、尺子，塔臺的搭建需要哪些技術(shù)？怎樣的搭建順序比較好呢？塔基一定要平穩(wěn)，接口處要固定且牢固;先搭底座，再搭側(cè)面，再整體加固，有序進(jìn)行?？刂坪昧⒅母叨龋M量等高，防止塔臺傾斜，隨時測量高度，保持等高。每個人明確分工，拼接直管、撕膠帶、扶住吸管、拼接加固的斜桿、修改設(shè)計(jì)圖，每人認(rèn)領(lǐng)工作。

2. 團(tuán)結(jié)協(xié)作，四雙小手搭搭搭。搭建活動時學(xué)生興趣高昂，終于有機(jī)會把自己家的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化成實(shí)體模型。一定要給予學(xué)生充足的時間，兩個小時至三個小時為宜。學(xué)生通過搭建親身體會到了結(jié)構(gòu)對于安全承重的重要性以及制作過程中如何平衡成本和安全性。落實(shí)模型一定要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖進(jìn)行制作。

（四）小小評估員，測一測評估“塔臺模型”

測試評估是設(shè)計(jì)論證中的重要環(huán)節(jié)，通過測試我們評價組員在設(shè)計(jì)制作中的表現(xiàn)、塔臺模型各方面的性能，根據(jù)測試表現(xiàn)，組員討論出具問題梳理單。以便下一輪的改進(jìn)設(shè)計(jì)論證。

1. 議一議，測試評估標(biāo)準(zhǔn)。測試環(huán)節(jié)一定需要一個統(tǒng)一、明確的標(biāo)準(zhǔn)，而課本上所給的標(biāo)準(zhǔn)并不明確，所以需要教師組織學(xué)生議一議測評的標(biāo)準(zhǔn)。學(xué)生自己討論得到的評價標(biāo)準(zhǔn)會非常遵守，盡可能地客觀公正，這也為后面的測評奠定了良好的基礎(chǔ)。例如：同學(xué)們，今天我們要測試我們的塔臺，但是標(biāo)準(zhǔn)有點(diǎn)含糊，我們一起來討論吧。塔臺高度55cm及以上的為2分，60以上為3分。材料成本為80根以上的為1分，70根以內(nèi)為3分。桌面抬高15cm不倒為3分，10cm不倒則為2分。美觀性需要全班排名，難以排名的時候應(yīng)該投票排名。

2. 公平公正，交錯互評。每組4號留在自己組進(jìn)行自評記錄;每組2號至4號到下一組進(jìn)行互評，測試記錄。所有組員一起自評本組的設(shè)計(jì)圖、分工合作和美觀度。分工測試，承重測試必須放在最后測試，等其它測試都完成了后進(jìn)行。其它測試項(xiàng)目在互不干擾的情況下可以同時進(jìn)行。

3. 出具問題梳理單，改進(jìn)設(shè)計(jì)。學(xué)生通過多組模型測試，明確了各種結(jié)構(gòu)模型的優(yōu)缺點(diǎn)，有助于學(xué)生改進(jìn)自己小組的作品，為進(jìn)一步梳理問題單和改進(jìn)模型設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。明確了自己組模型的缺陷不足之處，學(xué)生可以進(jìn)一步改進(jìn)自己的塔臺模型，嘗試畫下來。

學(xué)生經(jīng)歷了“明確問題→設(shè)計(jì)→建模→測試→評估改進(jìn)→實(shí)施建設(shè)”的過程，對工程的基本實(shí)施步驟有了更加直觀的體驗(yàn)。在此過程中收獲了做圖能力、綜合思維能力、合作交流能力和批判改進(jìn)能力。經(jīng)過多次論證后整理成一份較為成熟的競標(biāo)書提交給學(xué)校。

五、效果與反思

（一）成效

1. 激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，促進(jìn)高階思維的發(fā)展

（1） 發(fā)展學(xué)生設(shè)計(jì)思維

學(xué)生不斷發(fā)現(xiàn)問題，不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)，從原始的粗糙設(shè)計(jì)不斷趨于專業(yè)。學(xué)生像小小工程師一樣規(guī)范畫圖，標(biāo)注尺寸、材料，核算成本，同時還認(rèn)識到工程是一個復(fù)雜的將設(shè)計(jì)物化的過程，需要綜合考慮各方面的限制條件。

（2） 優(yōu)化改進(jìn)的過程促進(jìn)學(xué)生思維寬度和深度的發(fā)展

學(xué)生在項(xiàng)目化的學(xué)習(xí)過程中不斷修正任務(wù)解決方案。制作足球塔臺模型，不斷加深對于框架結(jié)構(gòu)、建筑穩(wěn)定性等方面的認(rèn)識，促進(jìn)學(xué)生思維深度和廣度的發(fā)展。

（3） 具體測試發(fā)展學(xué)生思維嚴(yán)謹(jǐn)性

交流評價環(huán)節(jié)，學(xué)生依據(jù)已有知識和測評數(shù)據(jù)質(zhì)疑批判別組設(shè)計(jì)，自己組的設(shè)計(jì)也被他人質(zhì)疑批判。在此過程中學(xué)生知道技術(shù)與工程需要實(shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)，要能如實(shí)記錄相關(guān)信息和正確對待作品的缺陷，積極反思。

2. 形成基于設(shè)計(jì)思維的STEM教學(xué)模型項(xiàng)目實(shí)施過程中注重培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)造性解決問題的能力，注重設(shè)計(jì)制作和工程思維發(fā)展雙并進(jìn)，關(guān)注學(xué)生思維的外顯化。

（二）反思

1. 給予成長空間，收獲自主學(xué)習(xí)

項(xiàng)目化的學(xué)習(xí)改變了傳統(tǒng)的教學(xué)關(guān)系，強(qiáng)調(diào)學(xué)生與同學(xué)、真實(shí)情境與老師、與自己的對話。筆者在項(xiàng)目化的學(xué)習(xí)過程中，讓學(xué)生自主探究、合作學(xué)習(xí)、自主實(shí)踐。從成果來看，能力的提升是有目共睹的，成果也很讓人驚喜。

2. 整合設(shè)計(jì)項(xiàng)目，提升專業(yè)素養(yǎng)

項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中，教師既要系統(tǒng)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，又要考慮很多流程細(xì)節(jié)。根據(jù)新編的科學(xué)教材來設(shè)計(jì)活動，可以少走彎路。但是每個活動都需要教師親自實(shí)驗(yàn)，讓要求和指導(dǎo)制作更加有針對性。項(xiàng)目化的備課需要集體的力量，花大量的時間，但確實(shí)有助于教師的成長。

3. 指向高階思維，減少題海戰(zhàn)

項(xiàng)目化工程學(xué)習(xí)指向高階思維，避免了重復(fù)的練習(xí)。如在實(shí)踐中學(xué)生體會了工程設(shè)計(jì)的理念，實(shí)踐了施工技術(shù)，學(xué)到了設(shè)計(jì)工程的知識。這樣的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可遷移性強(qiáng)，為成為一個小小工程師打下了良好的基礎(chǔ)。