基于工程設計的小學科學項目化學習內(nèi)涵價值、設計原則與實施路徑

摘 要：基于工程設計的科學學習應當是一種項目化學習，即學生在教師的引導下，圍繞具有挑戰(zhàn)性的工程問題，進行持續(xù)深入的探究實踐。通過設計方案與制造產(chǎn)品，學生能對核心知識進行再建構(gòu)，并實現(xiàn)思維的遷移，從而有效發(fā)展科學核心素養(yǎng)。著重闡述了基于工程設計的小學科學項目化學習的內(nèi)涵價值、設計原則與實施路徑。

關鍵詞：工程設計；項目化學習；內(nèi)涵價值；設計原則；實施路徑

作者簡介：范秋香（1987—），女，江蘇省張家港市暨陽湖實驗學校。

《義務教育科學課程標準（2022年版）》指出，工程是運用科學和技術進行設計、解決實際問題和制造產(chǎn)品的活動。工程活動的本質(zhì)是制造產(chǎn)品，工程設計與物化是工程活動的兩個重要環(huán)節(jié)。設計強調(diào)動腦思考，物化強調(diào)動手制作，因此，工程活動是將思考與實踐相結(jié)合的活動。在工程活動中，設計是關鍵。筆者將結(jié)合自身的科學教學實踐與反思，談談基于工程設計的小學科學項目化學習的內(nèi)涵價值、設計原則與實施路徑。

一、基于工程設計的小學科學項目化學習內(nèi)涵價值

工程設計是指根據(jù)一定的約束條件和指標，制定出人工實體的建造方案。它是一個探索問題解決思路和方法的過程，具有目的性、程序性、規(guī)范性等特點。工程設計的成果需要通過物化活動來檢驗與修正，因此，它包含了使用各種工具和材料來制造產(chǎn)品的活動。

基于工程設計的小學科學項目化學習是指在小學科學教學中，以工程設計理念為指導，以工程項目為載體，通過設置具有挑戰(zhàn)性的問題，驅(qū)動學生深入持續(xù)地探索，調(diào)動所有知識、方法、能力、品質(zhì)等來創(chuàng)造性地解決新問題，并通過物化活動形成公開成果。

基于工程設計的小學科學項目化學習是將工程思維和設計原則融入科學學習中的教學方法，以工程問題為驅(qū)動，能讓學生在“做工程”的過程中體驗成功的喜悅和樂趣。它以學生為中心，不僅能激發(fā)學生科學探究的興趣，還能提升他們的科學技能，培養(yǎng)他們的實踐能力、思維能力、問題解決能力以及科學創(chuàng)新能力。

工程設計項目具有一定的綜合性與復雜性，往往需要整合科學、工程、技術、數(shù)學等多個學科的知識來解決問題。這要求學生通過跨學科學習來構(gòu)建綜合性知識結(jié)構(gòu)，并通過實踐操作來完成真實或模擬的工程制造任務。學生需要通過團隊合作來共同完成方案的設計與產(chǎn)品的制作?；诠こ淘O計的小學科學項目化學習不僅有助于學生整合跨學科知識，發(fā)展高階思維，而且能提高學生的工程實踐能力，加深學生對科學核心概念的理解和掌握，培養(yǎng)學生的團隊合作精神，促進學生科學核心素養(yǎng)的發(fā)展。

二、基于工程設計的小學科學項目化學習設計原則

（一）工程性原則

基于工程設計的小學科學項目化學習設計應當堅持工程性原則，即立足工程問題，聚焦工程項目，開展項目學習，在工程設計與物化過程中，建構(gòu)科學知識，鍛煉科學技能，形成科學能力，發(fā)展科學品格。教師要設計合理的項目、科學的內(nèi)容，要有明確的工程目標、完整的工程流程，要設置規(guī)劃、設計、制作、測試、改進等一系列活動環(huán)節(jié)，以體現(xiàn)工程設計的程序性、結(jié)構(gòu)性與系統(tǒng)性。

（二）趣味性原則

激發(fā)學生的科學學習興趣是有效教學的前提?；诠こ淘O計的小學科學項目化學習設計應當堅持趣味性原則，用有趣的工程活動來點燃學生的學習熱情，喚醒學生的主體意識，使學生真正成為學習的主人。教師要設置有趣的工程活動主題，選擇學生熟悉的、真實的、新穎的、富有想象力的主題，以吸引學生的注意力；要設計豐富多彩的學習內(nèi)容、真實具體的學習情境、靈活多變的活動形式，讓學生在有趣好玩的工程實踐活動中進行探究學習；要設計互動環(huán)節(jié)，通過小組合作、師生合作等方式，促進學生間的交流，加強師生間的溝通，提升學習的交互性，從而提高學生的活動參與度［1］。

（三）融合性原則

基于工程設計的小學科學項目化學習以問題為驅(qū)動，以素養(yǎng)為導向。由于工程問題具有復雜性、綜合性，因此，科學項目化學習設計需要具有融合性，融合多學科知識內(nèi)容、多方的智慧力量以及學生的多元智能，為學生的探究實踐賦能，同時助推學生核心素養(yǎng)提升。小學科學項目化學習設計的融合性主要體現(xiàn)為學科間的融合，旨在打破傳統(tǒng)科學學科的界限，將其他學科關聯(lián)起來。學生需要融合工程、技術、數(shù)學等多學科的知識和方法，運用工程思維、技術思維、數(shù)學思維等多學科的思維來思考問題解決的路徑和方法，以提高問題解決的效果和效率［2］。

（四）開放性原則

基于工程設計的小學科學項目化學習融合了技術與工程領域的知識，是基于問題解決的工程實踐過程，是能產(chǎn)生可見的公開成果的活動。教師應當遵循開放性原則，確保學生有廣闊的想象空間和寬闊的學習時空，做到問題開放、方法開放、時空開放。教師要確保項目中的問題答案不止有一種；完成項目的方法靈活多變；學習時間不局限于一節(jié)課，可以有更長的周期，形成持續(xù)的探究學習過程；學習空間不局限于教室，可以擴展到自然環(huán)境和家庭中。

三、基于工程設計的小學科學項目化學習實施路徑

基于工程設計的小學項目化學習活動是一種復雜且系統(tǒng)的活動，整個活動以項目成果為導向，以學生為學習主體，以探究實踐為方式，包含了啟動項目、前期研究、設計方案等多個環(huán)節(jié)。筆者以《沖出地球》一課為例，談談基于工程設計的小學科學項目化學習實施路徑。

（一）情境引發(fā)，啟動項目

項目從哪里來？如何啟動？這是進行項目化學習首先要考慮的問題。好的項目聚焦科學核心概念，融合多學科的知識，不僅能激發(fā)學生的探究興趣，還能促進他們深入探究學習?；诠こ淘O計的科學學習項目應當從生活中來、從社會中來。教師應當站在學生的角度，從他們比較熟悉的事物入手，結(jié)合科技熱點、時事要聞、社會問題等，開發(fā)和設計工程項目，以滿足學生的科學學習需求。

情境是項目化學習活動設計的重要元素，項目化學習應當從真實問題情境出發(fā)。生活情境是項目主題生發(fā)的沃土，在工程類科學項目化學習中，教師應當巧妙創(chuàng)設項目情境，借助情境引出工程項目，并在情境中啟動項目。融入真實情境的工程問題，不僅能使科學內(nèi)容變得生動有趣，激發(fā)學生的好奇心，引發(fā)學生的想象，而且能啟發(fā)學生思考，驅(qū)動學生探究，促進學生理解。例如，在教學《沖出地球》一課時，筆者給學生播放了神舟十八號飛船發(fā)射的視頻，以此激發(fā)學生的自豪感，并巧妙引出“制作火箭模型”的任務。學生對火箭模型制作非常感興趣，個個摩拳擦掌。然而，筆者并未立即讓學生動手制作，而是提出了相關條件，規(guī)定了火箭模型的尺寸——長6厘米、寬6厘米、高30厘米，并要求以一根橡皮筋的彈力為發(fā)射動力，完成時間為一節(jié)課。制作完成后，火箭模型需要接受檢測，通過測試火箭發(fā)射的高度來評估質(zhì)量，火箭飛得越高，質(zhì)量越好。

（二）遷移知識，前期研究

工程項目啟動后，在學生動手制作之前，教師需要引導學生進行前期研究，將科學原理與工程實踐有機結(jié)合起來，通過知識、方法的遷移，幫助學生了解相關知識，弄清科學原理，為設計方案做好準備。

在教學《沖出地球》一課時，筆者在引出“制作火箭模型”項目后，給學生提供了科學閱讀資料，讓學生通過閱讀了解太空觀測工具的發(fā)展歷程，認識伽利略望遠鏡、射電望遠鏡、哈勃空間望遠鏡、“中國天眼”等觀測工具，使學生懂得技術對航天工程具有極其重要的價值。通過閱讀，學生了解了人類沖出地球的探索歷程，知道了人類之所以能沖出地球主要是依靠火箭這一重要工具，認識了古代火箭、現(xiàn)代火箭的結(jié)構(gòu)功能，并對“火箭為什么能飛向太空”有了初步理解，明白了火箭是依靠噴射氣體產(chǎn)生的強大推力升空的。接著，筆者引導學生聚焦“火箭沖出地球有哪些困難”這一問題展開探討。通過小組討論交流，學生認識到最大的困難是產(chǎn)生足夠的反沖力，使火箭獲得足以掙脫地球引力的速度。在此基礎上，筆者引導學生結(jié)合生活中放煙花、爆竹等現(xiàn)象，想象“反沖力”，讓學生通過拋沙包、小球、羽毛，感受地球引力，通過放飛充氣球，感受反作用力產(chǎn)生的推力，將“反作用力”的概念遷移到火箭發(fā)射這一類似事件中。通過前期研究，學生初步了解了火箭設計中的科學原理，從中獲得啟發(fā)和靈感，這為火箭設計與制作奠定了理論基礎，為設計觀點的形成提供了必要的支撐。

（三）集思廣益，設計方案

工程建設的關鍵是設計，設計的質(zhì)量直接決定了工程建設的質(zhì)量，優(yōu)質(zhì)的工程離不開優(yōu)秀的設計方案。工程設計是對項目進行整體規(guī)劃，運用專業(yè)的知識、技能，借助文字、圖畫等方式，闡明自己的創(chuàng)意，形成可行的方案。工程設計不僅包括對作品造型、外觀的設計，還包括對材料特性、數(shù)量的選擇，以及對作品功能、安全性的設計等內(nèi)容。

由于工程項目的復雜性，工程設計要兼顧眾多因素，光靠一個人的力量是很難設計出好的方案的。在工程方案設計環(huán)節(jié)，常常需要采取團隊合作的方式，依靠集體的力量和智慧，通過凝心聚力，集思廣益，設計出科學合理的工程方案。例如，在教學《沖出地球》一課時，在學生初步了解火箭的發(fā)展歷史以及相關知識后，筆者組織學生合作設計火箭模型制作方案?；鸺Ｐ偷闹谱鞣桨钢饕婕皟蓚€方面，一是火箭箭體設計，二是發(fā)射支架設計。學生需要重點考慮如何設計火箭的外觀造型，以降低空氣阻力，提升火箭的美觀性、穩(wěn)定性；如何設計發(fā)射支架和選擇合適的動力裝置，以增強火箭發(fā)射時的動力，提高其飛行速度。在設計方案時，筆者先讓學生小組合作研討，圍繞這兩個設計點進行討論交流，商討火箭的結(jié)構(gòu)造型、制作步驟、材料選用等。經(jīng)過小組討論，學生集聚智慧，形成如下設計思路：火箭應設計成流線型以減少空氣阻力，箭體應為空心結(jié)構(gòu)以減輕重量。小組合作研討后，筆者組織小組匯報，讓學生集體交流和相互評議，修改和完善方案，并根據(jù)方案繪制出火箭結(jié)構(gòu)的草圖以及發(fā)射裝置的示意圖。

（四）制作模型，實施計劃

工程是設計方案物化的結(jié)果，其核心在于建造?；诠こ淘O計的小學科學項目化學習的核心環(huán)節(jié)是制作模型，強調(diào)讓學生自己動手實踐，利用工具、材料來完成實物模型的制作。制作模型不僅是實踐操作的過程，也是應用科學原理的過程，有助于學生更好地理解“結(jié)構(gòu)與功能”的概念，培養(yǎng)他們對工程操作的興趣，并提高他們的工程實踐與創(chuàng)新能力。

制作模型是實施計劃的關鍵步驟。在此環(huán)節(jié)，教師要給學生提供結(jié)構(gòu)性材料以及充足的時間，讓學生獲得豐富的實踐體驗，在探究中建構(gòu)科學知識，了解工程實踐的要素，形成科學技能，積累活動經(jīng)驗。在教學《沖出地球》一課時，筆者在組織學生完成火箭制作方案設計后，給學生提供了牛皮紙、輕木片、紙筒、橡皮筋、膠水、剪刀等材料，讓學生分組制作火箭模型以及發(fā)射裝置。在組長的帶領下，小組成員合理分工，相互協(xié)作：有的將牛皮紙卷成圓柱形，并用膠水粘連，制成火箭筒段；有的將牛皮紙卷成圓錐形，制成火箭頭錐；有的將輕木片分成四小片，作為火箭尾翼。在各自完成火箭零部件的制作后，再將它們組裝起來，一個完整的火箭模型就制作完成了。還有一名學生負責制作火箭發(fā)射裝置。這項任務比較簡單，只要將橡皮筋固定在紙筒口的正中間，并在橡皮筋上安裝一個連著線的三腳架就可以了。小組成員齊心協(xié)力，各組成功完成了模型制作任務?？吹阶约河H手制作的火箭模型，學生感到無比快樂與自豪，成就感油然而生。

（五）測試檢驗，完善作品

完成工程作品并不意味著項目化學習的結(jié)束，還需要進行測試檢驗，對作品質(zhì)量進行評估，發(fā)現(xiàn)其優(yōu)點及不足，并據(jù)此進行改進，進一步完善其功能，使其更加完美。測試檢驗是基于工程設計的小學科學項目化學習中不可或缺的一個環(huán)節(jié)，教師應當組織學生展示他們的作品或?qū)嵨锬Ｐ?，對其進行性能測試，同時引導學生發(fā)現(xiàn)問題，尋找對策，完善作品，迭代更新。

在教學《沖出地球》一課時，筆者在火箭模型制作活動結(jié)束后，利用電子白板向?qū)W生展示了檢測火箭性能的方法：將火箭模型固定在三腳架上，用手拉動三腳架下方的細線，模擬發(fā)射。通過逐步增大拉力——分別將橡皮筋向下拉伸1cm、2cm、3cm，來模擬不同強度的發(fā)射力，測量記錄火箭的發(fā)射高度。通過數(shù)據(jù)分析，學生發(fā)現(xiàn)了火箭發(fā)射高度與橡皮筋彈力之間的關系：拉力越大，橡皮筋彈力越強，火箭的發(fā)射速度越快，飛行高度越高。測試之后，筆者讓學生重新審視自己的火箭設計，找出設計上的缺陷，并思考如何改進。有的小組發(fā)現(xiàn)橡皮筋的彈力不足，提出將單股橡皮筋改為雙股，以增強彈力，提升火箭發(fā)射時的動力，從而提升火箭的飛行速度和高度；有的小組在測試中發(fā)現(xiàn)火箭發(fā)射時不夠穩(wěn)定，無法垂直上升，他們發(fā)現(xiàn)原因是火箭頭部過輕，于是提出使用雙層紙來制作火箭頭部，以增加重量，提高火箭發(fā)射的穩(wěn)定性。經(jīng)過改進完善，學生再次進行檢測，火箭的性能得到了顯著提升，無論是在飛行穩(wěn)定性還是速度和高度方面，都有所提高。

工程與人類生活息息相關，與科學、技術等相互影響、相互促進。我們要基于工程設計，實施項目化學習，讓學生進行探究實踐，以此促進學生科學核心素養(yǎng)發(fā)展。

［參考文獻］

吳章德.小學科學項目化作業(yè)的設計與實施研究［J］.教學與管理，2023（14）：69-71.

王幼華.小學科學工程類課程微項目教學策略研究［J］.教學與管理，2024（2）：54-57.