基于情、知、言的應(yīng)用延伸型小學(xué)科學(xué)工程設(shè)計(jì)課

陳航

【摘 要】工程教育融入科學(xué)教育是小學(xué)科學(xué)教育的必然趨勢(shì)。文章針對(duì)學(xué)生在工程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)中存在的困難，以教科版三年級(jí)“我們的‘過山車”項(xiàng)目為例，針對(duì)應(yīng)用延伸型這一工程設(shè)計(jì)課提出教學(xué)策略。從情、知、言三個(gè)方面開展教學(xué)，即創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)；突出核心要素，把握工程設(shè)計(jì)本質(zhì)；變革對(duì)話方式，激發(fā)工程思維。

【關(guān)鍵詞】小學(xué)科學(xué) 工程設(shè)計(jì) 應(yīng)用延伸型 教學(xué)策略

【中圖分類號(hào)】G613? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A? 【文章編號(hào)】1002-3275（2023）12-60-03

在STEM教育理念的引領(lǐng)下，科學(xué)教育與工程教育的融合進(jìn)一步加深。在科學(xué)課程中融入工程實(shí)踐，把工程設(shè)計(jì)的能力視為科學(xué)素養(yǎng)的組成部分，是目前許多國家科學(xué)教育的創(chuàng)新變革?！读x務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱課程標(biāo)準(zhǔn)）將工程設(shè)計(jì)與物化列為13個(gè)學(xué)科核心概念之一，并將工程實(shí)踐能力和科學(xué)探究能力視為同等重要，組成“探究實(shí)踐”核心素養(yǎng)。在課程標(biāo)準(zhǔn)的引領(lǐng)下，教科版小學(xué)科學(xué)教材新增技術(shù)與工程的相關(guān)內(nèi)容，以工程設(shè)計(jì)為中心的內(nèi)容占有一定比重。本文針對(duì)小學(xué)科學(xué)工程設(shè)計(jì)課提出教學(xué)策略，以期促進(jìn)技術(shù)與工程的教學(xué)在科學(xué)教育中真正落實(shí)。

一、學(xué)生工程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的困難

在教科版三年級(jí)“我們的‘過山車”項(xiàng)目教學(xué)中，學(xué)生上交的設(shè)計(jì)圖作業(yè)存在以下問題：首先學(xué)生的設(shè)計(jì)圖與課上嘗試搭建的模型不一致，無法根據(jù)所給材料搭建模型；其次設(shè)計(jì)圖表達(dá)不清，根據(jù)設(shè)計(jì)圖無法正確將過山車模型搭建成型；最后學(xué)生對(duì)工程設(shè)計(jì)圖的作用和意義缺乏正確認(rèn)知。

另外，筆者采用前測(cè)問卷對(duì)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)學(xué)生懂得應(yīng)用科學(xué)知識(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)，借助模型作出方案決策，但在設(shè)計(jì)時(shí)缺少思考多種方案的意識(shí)，不能系統(tǒng)深入地考慮設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)圖規(guī)范意識(shí)較弱。

結(jié)合“我們的‘過山車”項(xiàng)目作業(yè)和調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，學(xué)生由于缺少工程設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)，對(duì)工程設(shè)計(jì)本質(zhì)缺少準(zhǔn)確認(rèn)知，工程設(shè)計(jì)能力相對(duì)較弱，因此如何在工程設(shè)計(jì)課教學(xué)中保證科學(xué)知識(shí)有效傳授的同時(shí)，使學(xué)生更好地理解工程設(shè)計(jì)內(nèi)容，提升工程設(shè)計(jì)能力，是教師面臨的重要問題。

二、應(yīng)用延伸型小學(xué)科學(xué)工程設(shè)計(jì)課

工程設(shè)計(jì)是學(xué)生工程活動(dòng)的核心，是以解決某一真實(shí)問題為目的，在受到現(xiàn)實(shí)條件制約下，進(jìn)行工程方案設(shè)計(jì)，并通過建模檢驗(yàn)、優(yōu)化迭代，得出最終問題解決方案的一個(gè)非線性過程。在工程設(shè)計(jì)中，往往會(huì)產(chǎn)生工程設(shè)計(jì)圖、工程模型等成果。從目標(biāo)上看，科學(xué)探究是人們探索和了解自然以獲得知識(shí)和規(guī)律，而工程設(shè)計(jì)則是為了解決某一現(xiàn)實(shí)問題。從過程上看，科學(xué)探究更強(qiáng)調(diào)證據(jù)對(duì)結(jié)論的解釋，而工程設(shè)計(jì)更關(guān)注客戶需求等現(xiàn)實(shí)條件因素的制約，其所獲得的數(shù)據(jù)是為了檢驗(yàn)和修改解決方案。從成果上看，科學(xué)探究往往得到的是科學(xué)理論、定律等，而工程設(shè)計(jì)得到的是直接的設(shè)計(jì)方案。

梳理國外工程設(shè)計(jì)融入K-12教育的發(fā)展歷程，發(fā)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)經(jīng)歷了作為教學(xué)方法、作為學(xué)科實(shí)踐融入科學(xué)教學(xué)、作為學(xué)科核心觀念成為科學(xué)課程的一部分三個(gè)過程。［1］在具體的教學(xué)中，科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)的整合可以分為應(yīng)用延伸型、工程框架型、設(shè)計(jì)即探究型三種教學(xué)過程模式。［2］應(yīng)用延伸型模式關(guān)注學(xué)生應(yīng)用已有科學(xué)知識(shí)完成具體的工程設(shè)計(jì)任務(wù)，培養(yǎng)學(xué)生的工程設(shè)計(jì)能力，以工程設(shè)計(jì)為主；工程框架型模式是學(xué)生在工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目的總框架下，以設(shè)計(jì)需求帶動(dòng)科學(xué)探究，探究成果反饋于設(shè)計(jì)結(jié)果，其中工程和科學(xué)的重要程度相當(dāng)；設(shè)計(jì)即探究型模式則以科學(xué)探究為主，在完成工程設(shè)計(jì)任務(wù)的過程中完成科學(xué)規(guī)律的探究，其中工程設(shè)計(jì)更像是一種探究手段。

在小學(xué)中段科學(xué)課程中，工程設(shè)計(jì)課通常出現(xiàn)在單元內(nèi)容的最后，以工程設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)為主，同時(shí)深化鞏固已學(xué)知識(shí)，對(duì)應(yīng)應(yīng)用延伸型的工程設(shè)計(jì)教學(xué)類型。“我們的‘過山車”是教科版小學(xué)科學(xué)三年級(jí)第一單元“物體的運(yùn)動(dòng)”中的項(xiàng)目，學(xué)生需在明確設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)用本單元前幾課所學(xué)的直線運(yùn)動(dòng)、曲線運(yùn)動(dòng)、在斜面上的運(yùn)動(dòng)等相關(guān)知識(shí)，根據(jù)工程設(shè)計(jì)的基本步驟，完成設(shè)計(jì)、制作和評(píng)價(jià)過山車模型等任務(wù)，是非常典型的應(yīng)用延伸型項(xiàng)目。

三、應(yīng)用延伸型小學(xué)科學(xué)工程設(shè)計(jì)課教學(xué)策略

面對(duì)應(yīng)用延伸型這類“科—工”整合課堂，可以從情、知、言三個(gè)方面開展教學(xué)，三個(gè)方面對(duì)應(yīng)的教學(xué)策略如圖1所示。三個(gè)方面的策略環(huán)環(huán)相扣，共同助力教學(xué)。

（一）創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境，激發(fā)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)

真實(shí)的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐更有助于學(xué)生的深度學(xué)習(xí)。當(dāng)學(xué)生聽取用戶需求，并圍繞用戶需求進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)，其論證能力更強(qiáng)，更能建立復(fù)雜的聯(lián)系。在創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目情境時(shí)，要考慮幫助學(xué)生形成工程師的身份意識(shí)，讓學(xué)生面對(duì)真實(shí)的客戶，明確現(xiàn)實(shí)條件限制和客戶需求，使任務(wù)更復(fù)雜和更具挑戰(zhàn)性。由此學(xué)生可以體會(huì)工程學(xué)習(xí)能服務(wù)于生活，促使學(xué)生結(jié)合已有經(jīng)驗(yàn)，明白探索新知的價(jià)值。同時(shí)，賦予學(xué)生工程師的身份，可以引導(dǎo)學(xué)生了解工程師的工作任務(wù)，使學(xué)生體會(huì)工程師的職業(yè)責(zé)任感，從而更主動(dòng)積極地參與活動(dòng)。因此，教師在創(chuàng)設(shè)情境時(shí)，應(yīng)更關(guān)注情境的真實(shí)性。

例如在“我們的‘過山車”項(xiàng)目中，創(chuàng)設(shè)情境“你所在的公司接到了游樂園的委托，需要設(shè)計(jì)一座過山車軌道，公司把這個(gè)任務(wù)交給了你，相信你能出色地完成”，讓學(xué)生作為工程師解決情境問題。首先請(qǐng)學(xué)生談?wù)動(dòng)∠笾械倪^山車軌道，以及想要設(shè)計(jì)的過山車軌道，幫助學(xué)生初步熟悉設(shè)計(jì)對(duì)象。在初步交流后，學(xué)生能快速建立起工程師的形象輪廓，對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)表現(xiàn)出較強(qiáng)的學(xué)習(xí)興趣。教師需向?qū)W生說明設(shè)計(jì)要求，包含過山車的結(jié)構(gòu)、功能、材料等多方面要求，必要時(shí)教師應(yīng)根據(jù)學(xué)生現(xiàn)有水平和能力特點(diǎn)對(duì)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行簡化。這一要求突出了工程設(shè)計(jì)的現(xiàn)實(shí)性，也引導(dǎo)學(xué)生圍繞用戶需求提出合理的設(shè)計(jì)想法。

（二）突出核心要素，把握工程設(shè)計(jì)本質(zhì)

教師應(yīng)突出核心要素，并注重科學(xué)知識(shí)的有效運(yùn)用，引領(lǐng)學(xué)生進(jìn)入“設(shè)計(jì)世界”，把握工程設(shè)計(jì)的本質(zhì)。

1．設(shè)計(jì)圖樣的規(guī)范繪制

學(xué)生在設(shè)計(jì)圖紙的過程中可以與同伴自由交流想法，使工程設(shè)計(jì)成為一種共享認(rèn)知的活動(dòng)。另外，小學(xué)生仍然依靠具體事物完成形象感知，借助設(shè)計(jì)圖更能幫助學(xué)生將設(shè)計(jì)想法外顯化、思維可視化。在小學(xué)低段，可以指導(dǎo)學(xué)生以草圖的形式呈現(xiàn)設(shè)計(jì)想法，而在小學(xué)中高段則應(yīng)教授學(xué)生更規(guī)范的設(shè)計(jì)圖繪制方法。規(guī)范、清晰的設(shè)計(jì)圖更能體現(xiàn)設(shè)計(jì)想法的價(jià)值，使他人通過設(shè)計(jì)圖能快速、清楚地了解并實(shí)施設(shè)計(jì)方案。因此，教師必須幫助學(xué)生形成規(guī)范制圖的習(xí)慣，并根據(jù)不同學(xué)段調(diào)整繪圖方式和要求。

在“我們的‘過山車”項(xiàng)目中，由于學(xué)生第一次接觸規(guī)范的設(shè)計(jì)圖繪制，因此設(shè)計(jì)圖繪制是教學(xué)重點(diǎn)。呈現(xiàn)設(shè)計(jì)圖案例可以為學(xué)生提供腳手架，提供思考、參照的真實(shí)對(duì)象。此外，還需要強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)圖的意義，引導(dǎo)學(xué)生思考設(shè)計(jì)圖的繪制規(guī)范。接下來給予學(xué)生充分的時(shí)間，結(jié)合已有生活經(jīng)驗(yàn)展開交流。針對(duì)學(xué)生未能說出的要點(diǎn)，教師則需要出示設(shè)計(jì)圖案例引導(dǎo)學(xué)生自主發(fā)現(xiàn)。最后呈現(xiàn)完整的圖示，總結(jié)設(shè)計(jì)圖繪制的規(guī)范要求。

2．產(chǎn)品的迭代優(yōu)化

設(shè)計(jì)不是一蹴而就的，迭代優(yōu)化是工程設(shè)計(jì)的重要特點(diǎn)，這也說明工程設(shè)計(jì)過程是一個(gè)非線性的過程。工程師需要結(jié)合測(cè)試審視現(xiàn)有的解決方案是否滿足用戶需求，發(fā)現(xiàn)存在的問題及其原因，制訂修改方案并改進(jìn)，如此循環(huán)直到得到最終作品。相比于完成設(shè)計(jì)的過程，優(yōu)化過程對(duì)學(xué)生的能力要求更高，更具有挑戰(zhàn)性。因此，教師要讓學(xué)生明白失敗和重新嘗試是工程設(shè)計(jì)的重要部分。對(duì)此，教師可以幫助學(xué)生分析設(shè)計(jì)要求，引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)性地觀察分析模型結(jié)構(gòu)，找出改進(jìn)方法，還可以組織學(xué)生分享在設(shè)計(jì)活動(dòng)中的成功或失敗經(jīng)驗(yàn)，共同討論改進(jìn)策略，通過圖式、寫作等形式的反思性實(shí)踐來記錄反思優(yōu)化的過程?？傊?，教師應(yīng)幫助學(xué)生建立不斷嘗試的信心，使學(xué)生掌握迭代優(yōu)化的方法和技能。

例如在“我們的‘過山車”項(xiàng)目中，學(xué)生通過測(cè)試很容易發(fā)現(xiàn)小球運(yùn)動(dòng)時(shí)間不滿足要求，此時(shí)教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合運(yùn)動(dòng)的快慢知識(shí)思考“小球在什么情況下會(huì)運(yùn)動(dòng)得更慢”，由此引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注到運(yùn)動(dòng)快慢與運(yùn)動(dòng)時(shí)間和運(yùn)動(dòng)距離的關(guān)系，再進(jìn)一步建議學(xué)生根據(jù)這個(gè)知識(shí)點(diǎn)改進(jìn)設(shè)計(jì)圖。在教師的鼓勵(lì)和引導(dǎo)下，學(xué)生充滿興趣地投入討論和改進(jìn)工作中。小組測(cè)試成功后，根據(jù)改進(jìn)的結(jié)果重新修改和完善設(shè)計(jì)圖。

3．方案的比較權(quán)衡

在工程設(shè)計(jì)中需要比較多種方案，選擇最優(yōu)方案。不僅如此，還需要充分考量時(shí)間、人員的分配，材料、工具、機(jī)器的選擇等方面，因此這個(gè)過程尤其考驗(yàn)學(xué)生比較權(quán)衡的能力。通過對(duì)兩個(gè)相互競爭的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行權(quán)衡，可以使學(xué)生的優(yōu)化能力得到發(fā)展。對(duì)小學(xué)生來說，比較權(quán)衡是較難的部分，因此可以鼓勵(lì)每個(gè)學(xué)生進(jìn)行獨(dú)立設(shè)計(jì)，再通過小組討論確定最優(yōu)方案。另外，教師要注意在材料工具呈現(xiàn)上盡量多樣化，使學(xué)生可以根據(jù)方案作出最合適的選擇。

在“我們的‘過山車”項(xiàng)目中，學(xué)生同樣會(huì)面對(duì)許多需要選擇的環(huán)節(jié)，如選擇不同的材料和軌道的連接方式。學(xué)生在未受到啟發(fā)時(shí)容易出現(xiàn)單一的思考方式，因此教師可以引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)不同材料和所有可能的連接方式，鼓勵(lì)學(xué)生比較不同連接方式的優(yōu)缺點(diǎn)和適用位置。通過開展比較選擇環(huán)節(jié)，學(xué)生學(xué)會(huì)根據(jù)軌道的不同位置選擇合適的連接方式，增加了作品的多樣性。

（三）變革對(duì)話方式，激發(fā)工程思維

科學(xué)課堂中的對(duì)話有著非常重要的作用，通過變革師生對(duì)話和生生對(duì)話，能夠幫助學(xué)生更好地參與工程設(shè)計(jì)，并進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的工程思維。

M Windschitl、J Thompson、M Braaten在Ambitious Science Teaching中提出，應(yīng)多和學(xué)生展開以下形式的對(duì)話：提醒（如這一點(diǎn)很重要）、挑戰(zhàn)（如你怎么認(rèn)為）、補(bǔ)充（如誰還想補(bǔ)充）、聯(lián)系（如它們有怎樣的聯(lián)系）、驗(yàn)證和澄清（如所以你想說的是什么）、基于證據(jù)的推理（如我們是如何發(fā)現(xiàn)的）、進(jìn)一步推理（如再多說一點(diǎn)）。在基于工程設(shè)計(jì)的課堂中，教師應(yīng)該給予學(xué)生更多的表達(dá)機(jī)會(huì)，以問題來引導(dǎo)學(xué)習(xí)，這些問題應(yīng)該是盡可能開放、建構(gòu)式的，并且可以幫助學(xué)生代入工程師的角色來思考和解決問題，以此幫助學(xué)生發(fā)展技術(shù)，形成工程思維習(xí)慣。在布置任務(wù)時(shí)，教師可以提問：如果要滿足這些要求，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)應(yīng)如何設(shè)計(jì)？誰還想補(bǔ)充其他想法？在巡回指導(dǎo)時(shí)，教師可以提出以下問題：①為什么這部分是這樣設(shè)計(jì)的，你是如何考慮設(shè)計(jì)要求和限制的？②你打算用這部分工具做什么，為什么選擇這個(gè)工具？③你對(duì)這些材料的了解有多少，這些材料最終應(yīng)放在哪里？④你的原型測(cè)試達(dá)到了哪些設(shè)計(jì)要求，還有哪些未滿足？如果對(duì)這部分作出改變，測(cè)試結(jié)果可能會(huì)發(fā)生什么改變？在評(píng)價(jià)交流環(huán)節(jié)，教師可以提問：你在組內(nèi)的分工是什么？你做了哪些事幫助小組更好地合作？產(chǎn)品的測(cè)試結(jié)果是怎樣的？所以它說明了什么？你滿意你的設(shè)計(jì)嗎？

工程設(shè)計(jì)是一種協(xié)同合作活動(dòng)，同伴之間的對(duì)話有助于達(dá)成活動(dòng)目的，學(xué)生在對(duì)話中應(yīng)學(xué)會(huì)利用證據(jù)來支撐自己的想法和建議。有學(xué)生提出了一個(gè)改進(jìn)方法，而其他學(xué)生對(duì)此表示懷疑，這在工程設(shè)計(jì)中是非常常見的，這時(shí)候?qū)W生應(yīng)嘗試獲得數(shù)據(jù)，用證據(jù)來支撐自己的想法。教師要鼓勵(lì)和引導(dǎo)學(xué)生積極對(duì)話，引導(dǎo)學(xué)生積極交流設(shè)計(jì)想法，學(xué)會(huì)工程設(shè)計(jì)中的表達(dá)方式。另外，對(duì)于小學(xué)生來說，利用材料工具來建立模型或原型，可以更好地幫助他們表達(dá)想法，提升對(duì)話的有效性。

對(duì)于學(xué)生來說，工程設(shè)計(jì)是工程活動(dòng)的核心，教師通過有效的教學(xué)策略能讓學(xué)生明白工程核心概念和方法，使學(xué)生形成工程思維，進(jìn)一步提升科學(xué)素養(yǎng)。在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在應(yīng)用延伸型工程設(shè)計(jì)課中創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境、突出核心方法和思想、改變課堂對(duì)話方式能夠提升教學(xué)效果。教師把握“科—工”整合的思路，探索不同類型的工程設(shè)計(jì)任務(wù)、有效教學(xué)策略，是深化小學(xué)科學(xué)工程設(shè)計(jì)教學(xué)的重要方向。

【參考文獻(xiàn)】

［1］黃樺．以工程設(shè)計(jì)為中心的“K-12工程教育”：源起、內(nèi)涵與實(shí)施策略：美國《以調(diào)查和設(shè)計(jì)為中心的6-12年級(jí)科學(xué)與工程》之啟示［J］．遠(yuǎn)程教育雜志，2019，37（4）：73-84．

［2］唐小為，王唯真．整合STEM發(fā)展我國基礎(chǔ)科學(xué)教育的有效路徑分析［J］．教育研究，2014（9）：61-68．