單元重構(gòu)實(shí)踐創(chuàng)新教育研究
——以小學(xué)科學(xué)“計(jì)量時(shí)間”單元為例

文∣張愛民

一、問題的提出

建設(shè)科技強(qiáng)國需要大批具有創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的人才?！白寣W(xué)生了解科學(xué)、技術(shù)、社會和環(huán)境的關(guān)系，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和社會責(zé)任感”是《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》的課程目標(biāo)要求。但目前在科學(xué)教學(xué)中，如何實(shí)踐創(chuàng)新教育，仍需探索。例如教科版《科學(xué)》五年級上冊第三單元“計(jì)量時(shí)間”中的計(jì)時(shí)器，它能充分體現(xiàn)科技發(fā)展，是教師開展創(chuàng)新教育的良好素材。但入選教材的相關(guān)創(chuàng)新內(nèi)容較少，而且教材對計(jì)時(shí)器相關(guān)的科技創(chuàng)新實(shí)踐育人和文化育人的關(guān)注還不夠；雖然安排了很多動手實(shí)踐的活動，但這些實(shí)踐項(xiàng)目偏重制作，創(chuàng)新不足，且要求過高，學(xué)生難以成功。所以學(xué)生對該單元的學(xué)習(xí)興趣不高，學(xué)習(xí)目標(biāo)達(dá)成度偏低。

本文以“計(jì)量時(shí)間”單元教學(xué)為例，圍繞培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力，把相關(guān)科學(xué)背景知識資源融入課程，整體重構(gòu)了單元教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)活動，對創(chuàng)新教育的實(shí)施進(jìn)行了深入探索，以其為創(chuàng)新教育實(shí)踐提供經(jīng)驗(yàn)。

HPS是history、philosophy、sociology of science的簡稱，中文譯為“科學(xué)史、科學(xué)哲學(xué)和科學(xué)社會學(xué)”。本文中HPS資源中的H指的是計(jì)時(shí)科技的更替歷程，S注重與計(jì)時(shí)科技相關(guān)的創(chuàng)新文化與社會影響，P強(qiáng)調(diào)基于科技創(chuàng)新育人的視角作哲學(xué)思考。

二、基于創(chuàng)新教育的“計(jì)量時(shí)間”單元教學(xué)設(shè)想

創(chuàng)新是一種創(chuàng)造性的實(shí)踐。無論是培養(yǎng)目的、途徑，還是結(jié)果，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力都離不開實(shí)踐。創(chuàng)新精神的培養(yǎng)則離不開思想上的引領(lǐng)。在課程中融入相關(guān)HPS資源，通過文化熏陶育人，創(chuàng)設(shè)創(chuàng)新、創(chuàng)造活動來實(shí)踐育人。教學(xué)設(shè)想如圖1所示。

圖1 單元教學(xué)設(shè)想

(一)融入相關(guān)HPS資源，以文化人

中國古代的太陽鐘、水鐘和水運(yùn)儀象臺在當(dāng)時(shí)處于世界領(lǐng)先水平，并形成了豐富的科技文化資源，如日晷、圭表、二十四節(jié)氣、元代銅壺滴漏和水運(yùn)儀象臺等。教師在課堂上呈現(xiàn)太陽鐘、水鐘和擺鐘相關(guān)HPS教育資料時(shí)，要凸顯我國古人在計(jì)時(shí)科技創(chuàng)新方面的智慧和精益求精、刻苦鉆研的科技創(chuàng)新精神，展示中國優(yōu)秀的傳統(tǒng)科技文化及其世界影響，讓學(xué)生欣賞我國古人科技創(chuàng)新的智慧，感悟中國古代科技的博大精深，助力學(xué)生樹立中國文化自信。

呈現(xiàn)近現(xiàn)代HPS資料時(shí)，教師可注重介紹國際先進(jìn)的計(jì)時(shí)科技及其發(fā)展史，以增強(qiáng)學(xué)生科技創(chuàng)新的緊迫感和責(zé)任感，樹立科技創(chuàng)新報(bào)國的理想信念與責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

(二)創(chuàng)設(shè)創(chuàng)新、創(chuàng)造活動，實(shí)踐育人

讓學(xué)生親歷實(shí)踐，體會科技創(chuàng)新的意義和價(jià)值，培養(yǎng)創(chuàng)新精神和意識，歷練提高創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力?！疤栫姟蹦K教學(xué)“探究太陽鐘科學(xué)原理”環(huán)節(jié)中，教師可新增體現(xiàn)科技進(jìn)階的模擬實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生體驗(yàn)感悟科技創(chuàng)新帶來的便利，培養(yǎng)創(chuàng)新意識?！皵[鐘”模塊教學(xué)“做一個(gè)1分鐘擺動60次鐘擺”環(huán)節(jié)中，教師為學(xué)生提供有結(jié)構(gòu)的材料超市，讓學(xué)生嘗試采用不同的材料，應(yīng)用多種創(chuàng)新方法去做一個(gè)1分鐘擺動60次的鐘擺，以培養(yǎng)其科技創(chuàng)新精神，歷練其創(chuàng)新思維與實(shí)踐能力。

三、基于創(chuàng)新教育的“計(jì)量時(shí)間”單元教學(xué)實(shí)施

(一)單元重構(gòu)

本文采用“增刪補(bǔ)改”的策略重構(gòu)了單元教學(xué)內(nèi)容，如表1所示。以計(jì)時(shí)器從古到今的發(fā)展歷程為主線呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，讓學(xué)生整體感知“計(jì)時(shí)器的發(fā)展史實(shí)際上就是一部科技創(chuàng)新史”。“計(jì)量時(shí)間”單元第一模塊為第1課“時(shí)間在流逝”，教學(xué)重點(diǎn)為“讓學(xué)生體驗(yàn)依據(jù)規(guī)律估算時(shí)間是不準(zhǔn)確的，感悟人類需要計(jì)時(shí)器”。第二、第三、第四模塊分別是“太陽鐘”“水鐘”和“擺鐘”，各兩課時(shí)，設(shè)計(jì)思路基本一致：首先，讓學(xué)生學(xué)習(xí)該計(jì)時(shí)器的發(fā)明和發(fā)展史(HPS資料)，感悟科技創(chuàng)新的意義和價(jià)值；然后，實(shí)踐探究該計(jì)時(shí)器的科學(xué)原理，體驗(yàn)感悟科學(xué)和科技發(fā)展對科技創(chuàng)新的推動作用；最后，在懂得原理的基礎(chǔ)上制作盡量準(zhǔn)確的該類計(jì)時(shí)器，落實(shí)科技創(chuàng)新的實(shí)踐能力。第五模塊為“從哲學(xué)視角看計(jì)時(shí)器的發(fā)展歷程”，學(xué)習(xí)從擺鐘到現(xiàn)代計(jì)時(shí)器發(fā)展的相關(guān)HPS資料，了解并分析中國在計(jì)時(shí)科技方面的發(fā)展；再以哲學(xué)的視角了解計(jì)時(shí)器的發(fā)展歷程，辯證看待計(jì)時(shí)器及其科技發(fā)展的歷程。

表1 重構(gòu)“計(jì)量時(shí)間”單元

教科版《科學(xué)》五年級上冊的“計(jì)量時(shí)間”單元偏重實(shí)踐操作，關(guān)于計(jì)時(shí)器科技創(chuàng)新的發(fā)展歷程及其社會影響內(nèi)容不足；缺少應(yīng)用科技創(chuàng)新文化在思想層面激發(fā)學(xué)生創(chuàng)造性完成實(shí)踐的引導(dǎo)。學(xué)生對該單元的學(xué)習(xí)(包括實(shí)驗(yàn))興趣不高，學(xué)習(xí)效率和效果都欠佳。

重構(gòu)后的“太陽鐘”“水鐘”和“機(jī)械擺鐘”板塊，新增了“日晷和圭表”“元代銅壺滴漏”“水運(yùn)儀象臺”等HPS資料，在第8課“從哲學(xué)視角看計(jì)時(shí)器的發(fā)展歷程”的教學(xué)中，將計(jì)時(shí)器的發(fā)展歷程延長到計(jì)時(shí)器科技的前沿陣地，新增了石英鐘、原子鐘和脈沖星鐘等計(jì)時(shí)器的誕生及發(fā)展史；引導(dǎo)

學(xué)生不僅對“計(jì)時(shí)器的發(fā)展歷程” 作哲學(xué)思考，還要深入感悟計(jì)時(shí)器科技文化與社會影響對我國科技發(fā)展的啟迪。

通過HPS資料，學(xué)生了解到“科學(xué)和科技的迅猛發(fā)展推動了近現(xiàn)代和當(dāng)代計(jì)時(shí)器的精確性得到了極大提高，計(jì)時(shí)器的發(fā)展史實(shí)際上就是一部科技創(chuàng)新史”。學(xué)生在思想上受到了教育，他們頻頻贊嘆中國古代的計(jì)時(shí)科技在當(dāng)時(shí)的先進(jìn)，并為此感到驕傲與自豪。文化自豪感在他們心中油然而生，中國文化自信觀念也因此樹立。但在橫向比較當(dāng)今世界計(jì)時(shí)科技時(shí)，他們從近現(xiàn)代以來的石英鐘、原子鐘和脈沖星鐘等先進(jìn)計(jì)時(shí)器均由國外發(fā)明創(chuàng)造而感悟到：中華民族的偉大復(fù)興離不開科技創(chuàng)新，每一個(gè)中國人都有責(zé)任參與科技創(chuàng)新。單元重構(gòu)在部分模塊增加了HPS資料，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣大增，學(xué)習(xí)效果也非常顯著。

計(jì)時(shí)器的發(fā)展史實(shí)際上是一部科技創(chuàng)新史，每一種計(jì)時(shí)器的發(fā)展都體現(xiàn)了科技創(chuàng)新。通過融入HPS資源，用古代中國的“日晷和圭表”“元代銅壺滴漏”“水運(yùn)儀象臺”等計(jì)時(shí)科技文化啟迪學(xué)生，助力他們樹立中國文化自信和科技創(chuàng)新意識；用伽利略、惠更斯等科學(xué)家的光輝事跡鼓舞學(xué)生，助力他們發(fā)揚(yáng)探究精神和創(chuàng)新精神；用脈沖星鐘等當(dāng)今世界先進(jìn)的計(jì)時(shí)設(shè)備激勵學(xué)生，助力他們樹立科技創(chuàng)新報(bào)國理想信念和責(zé)任擔(dān)當(dāng)。

(二)新增創(chuàng)新實(shí)踐

“太陽鐘”一課配套教師用書建議，如果時(shí)間充足，可以組織學(xué)生制作圭表或者日晷，然后用自己制作的“太陽鐘”進(jìn)行計(jì)時(shí)，以便更加深入太陽鐘的科學(xué)原理，激發(fā)探究時(shí)間的積極性。而在實(shí)際教學(xué)中，由于課后測量活動持續(xù)較長時(shí)間，部分學(xué)生因時(shí)間問題沒有完成測量。

由此，筆者重構(gòu)“太陽鐘”模塊，新增了三個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)，如表2所示。學(xué)生可以自主選擇全做或者完成部分模擬實(shí)驗(yàn)。此設(shè)計(jì)讓學(xué)生通過課內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)，觀察隨著四季太陽運(yùn)動軌跡的變化，日晷晷針的影子在晷面上發(fā)生變化，以理解日晷的工作原理。

“太陽鐘”模擬實(shí)驗(yàn)克服了常規(guī)教學(xué)不能落實(shí)學(xué)習(xí)活動的問題。通過模擬實(shí)驗(yàn)，每個(gè)學(xué)生都看到了日晷晷針的影子在晷面上有規(guī)律地變化，明晰了其中的科學(xué)原理；知道了有光才有影子，日晷和圭表不能用于夜晚和陰雨天等沒有太陽的時(shí)候，不能滿足人類需要。模擬實(shí)驗(yàn)更為開展科技創(chuàng)新教育創(chuàng)設(shè)了機(jī)會：守候在太陽下用日晷計(jì)時(shí)，耗時(shí)長，而且在烈日下測量也很辛苦；而借助大量角器、地球儀和三球儀等儀器進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，能夠讓學(xué)生在很短的時(shí)間里獲得日晷的科學(xué)原理。大量角器、地球儀和三球儀分別代表初、中、高三個(gè)技術(shù)層階。代表最先進(jìn)技術(shù)的三球儀，操作最簡單，可以單人操控，效果最好；代表最中檔技術(shù)的地球儀，雖然需要多人合作才能完成，但操作難度低，學(xué)生基本能夠觀察到效果；代表最低檔技術(shù)的大量角器，操作難度大，學(xué)生很難把握光照射的角度，實(shí)驗(yàn)效果最差。小學(xué)生擅長形象思維，效果差異顯著的三個(gè)“太陽鐘”模擬實(shí)驗(yàn)，為學(xué)生感悟科技創(chuàng)新的意義和價(jià)值等提供了情境化理解，有助于培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新的意識。

(三)設(shè)計(jì)制作活動

教材中“做一個(gè)鐘擺”一課偏重制作，每個(gè)學(xué)生利用同樣器材做同一個(gè)操作，即調(diào)整擺長，基本上不涉及科技創(chuàng)新內(nèi)容。知識學(xué)習(xí)和實(shí)踐鍛煉的容量都較少，缺乏挑戰(zhàn)性，學(xué)生興趣不高，對自己能否參與實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)是否成功抱著無所謂的態(tài)度。

筆者將制作活動重新設(shè)計(jì)，雖然要解決的問題仍然是“做一個(gè)1分鐘擺動60次鐘擺”，但新增了“歷練提高的科技創(chuàng)新實(shí)踐能力”的學(xué)習(xí)目標(biāo)。課堂教學(xué)從觀念和實(shí)踐兩個(gè)層面歷練學(xué)生的科技創(chuàng)新能力。制作活動中，教師為學(xué)生搭建了三個(gè)支架。一是提供蘊(yùn)含科技創(chuàng)新的材料“超市”(包括計(jì)時(shí)器、鐵架臺、鐵球、一次性筷子、磁片、玉米棒、環(huán)形磁鐵，細(xì)繩、橡皮筋和螺帽和控制繩長的旋轉(zhuǎn)輪子)，學(xué)生利用“超市”材料可以組裝四套不同的鐘擺，如圖2所示。其中用橡皮筋固定繩子代表創(chuàng)新方法，旋轉(zhuǎn)輪子控制繩長代表創(chuàng)新技術(shù)，玉米棒擺和磁鐵磁片擺代表創(chuàng)新材料。二是在創(chuàng)新實(shí)踐層面提出挑戰(zhàn)性要求：盡可能采用簡便的方法策略，快速做出一個(gè)1分鐘擺動60次鐘擺。三是在創(chuàng)新觀念層面引導(dǎo)學(xué)生從材料、技術(shù)和方法等角度，進(jìn)行“做前思”：為了更簡便、更快地調(diào)整出準(zhǔn)確性高的鐘擺，你會選擇哪些材料？選擇的理由是什么？怎樣操作？進(jìn)行“做中思”“思中做”和“做后思”：①我們先，觀測到擺動次數(shù)(高于/低于)1分鐘60次后，我們通過方法來(增加/減少)擺動次數(shù)。②我們現(xiàn)在操作(不簡便較難/簡便容易)，我們還可以選擇哪些材料，或采用哪些方法步驟、或技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化？

圖2 “做一個(gè)鐘擺”制作活動

制作活動的目標(biāo)和內(nèi)容重構(gòu)后，學(xué)生在課堂表現(xiàn)很出彩，思維活躍，真正做到了“做前思”“做中思”“思中做”和“做后思”。如在選擇材料時(shí)，各小組組員都能夠各抒己見；在實(shí)驗(yàn)過程中，能夠根據(jù)觀察到的現(xiàn)象及時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)方法策略，并說明理由；實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，能夠正確分析四套不同鐘擺的優(yōu)越性。在課堂上真正做到了全員主動參與，各小組學(xué)生借助教師搭建的支架，發(fā)揮自己的創(chuàng)造性，采用優(yōu)選材料、先進(jìn)方法，利用先進(jìn)技術(shù)，快速地調(diào)出了一個(gè)簡便且準(zhǔn)確性高的鐘擺，且都能夠正確描述創(chuàng)作鐘擺的新方法，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新思維和創(chuàng)新實(shí)踐的高度融合。

在創(chuàng)作“鐘擺”活動中，教師通過為學(xué)生提供蘊(yùn)含科技創(chuàng)新的多樣性實(shí)踐材料，引導(dǎo)學(xué)生多角度思考解決問題的方案，為學(xué)生歷練和提升創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力提供了關(guān)鍵性支持。引導(dǎo)學(xué)生通過個(gè)人獨(dú)立思考和小組溝通后作出決定，允許他們犯錯(cuò)誤，并鼓勵他們換個(gè)角度去思考并糾正錯(cuò)誤。大多數(shù)學(xué)生原來以為創(chuàng)新對于他們而言是一件高不可攀的事情。通過本課的學(xué)習(xí)，學(xué)生從中學(xué)到了一些創(chuàng)新的方法與策略，創(chuàng)新思維在創(chuàng)新活動中得到了訓(xùn)練，享受到了成功的喜悅，降低了對創(chuàng)新的恐懼感。學(xué)生在創(chuàng)新活動中感悟到了先進(jìn)的技術(shù)、合適的材料和恰當(dāng)?shù)姆椒▽?chuàng)作活動的重要性，拓展了創(chuàng)新思維，提高了創(chuàng)新能力。

四、結(jié)語

重構(gòu)后的教學(xué)以計(jì)時(shí)器的發(fā)展歷程為明線，以科學(xué)和科技的創(chuàng)新發(fā)展促進(jìn)計(jì)時(shí)器的發(fā)展為暗線。無論是資料學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)還是實(shí)踐操作活動，都緊緊圍繞科技創(chuàng)新這條線展開。學(xué)習(xí)活動可操作性強(qiáng)，學(xué)生都能積極主動參與，學(xué)習(xí)過程沒有出現(xiàn)游離于學(xué)習(xí)活動之外的現(xiàn)象。學(xué)生既通過HPS資料學(xué)到了豐富的計(jì)時(shí)科技文化，開闊了眼界，開拓了思維，在思想層面感悟科技創(chuàng)新的重要意義和價(jià)值，并樹立中國文化自信和愛國情、報(bào)國志，又通過創(chuàng)新實(shí)踐直觀掌握了古代計(jì)時(shí)器的科學(xué)原理，在實(shí)踐歷練中提高了創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。如此一來，突破了以往學(xué)習(xí)淺表化的不足，實(shí)現(xiàn)了深度學(xué)習(xí)。

培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力是教師應(yīng)有的責(zé)任與擔(dān)當(dāng)。教師應(yīng)積極開展創(chuàng)新教育，深入挖掘中國的傳統(tǒng)科技文化，培養(yǎng)學(xué)生的中國文化自信和創(chuàng)新精神。在教學(xué)中教師要積極探索有利于發(fā)揮學(xué)生主體性和主動性的創(chuàng)新實(shí)踐活動，以實(shí)踐育人，培養(yǎng)他們獨(dú)立思考、大膽探索、勇于和善于創(chuàng)新的能力。

本文系廣州教育學(xué)會2019年教育科研課題“小學(xué)中年段科學(xué)課程HPS資源開發(fā)與應(yīng)用的研究”(KTLX1201930098)，廣州市中小學(xué)、中等職業(yè)學(xué)校第十八屆特約教研員研究課題“HPS教育融入小學(xué)科學(xué)課程教學(xué)的實(shí)踐研究”的研究成果