选择有结构的材料 提高有效“方案设计”

江苏丹阳市华南实验学校 朱小琴

2017年，教育部发布新修订的《义务教育小学科学课程标准》新增了“技术与工程”领域的学习内容，重在引导学生“像工程师一样”，经历“明确问题、前期探索、方案设计、制作模型、评价改进、展示分享”的工程活动过程，培养学生的工程实践能力。体验工程的核心在于设计，所以，学生在工程体验活动过程中的“方案设计”尤为重要，直接影响作品制作或解决问题的效果。

有结构的材料是指教师经过精心设计的典型材料的组合。这种材料组合，既能揭示与教学内容有关的科学概念或原理，又符合学生的年龄特征和认知规律，使学生通过对材料的探索来合理解决问题。因此，在学生“方案设计”环节中，要为学生准备有结构的材料，这样才能提高“方案设计”的有效性。

一、选择有结构的材料，细化设计重点

在工程施工前为什么要先“设计方案”？其目的就是尽可能地降低工作过程中的返工、错误与偏差。同样，在体验工程实践的活动中，“设计方案”的目的也是让学生在制作作品（模型）时有图可依，否则，就失去了“方案设计”的意义。但在教学实践过程中，我们发现学生在作品制作或模型制作环节，并没有按照“设计方案”来制作，有的制作出来的作品与方案设计分明就是两码事。

例如，在教学二年级的“自制小温室”时，笔者为学生准备了保鲜膜、塑料袋、吸管、细木条、铁丝段等丰富的材料，学生利用这些材料也设计出了许多方案，有大棚式的、小屋式的、立体式的。但在制作“小温室”的过程中，很多小组都没有制作完成，即使完成的小组，与“设计方案”比对也相差甚远。为什么会出现这样的情况呢？笔者通过与学生交流，发现方案中没有考虑材料尺寸、材料数量是最主要的原因。学生在设计方案的过程中，主要考虑的是“小温室”的结构和形状，缺少对材料尺寸、材料数量、材料连接的细节考虑，从而导致在作品制作环节中边做边想。于是，在后来的教学中，笔者不仅给材料标上了长度、数量，如铁丝段长60厘米，共10根；吸管长15厘米，共有12根；细木条长50厘米，共10根等。而且以“设计温馨提示”的形式提醒学生在设计图上标出“小温室”的尺寸、材料的长度、材料的数量，让学生明白设计“小温室”不能随心所欲，需要考虑“小温室”的大小，然后根据“小温室”的大小来确定材料的尺寸、材料的数量，学生呈现出来的“小温室设计图”一目了然，有据可依。在后来的制作过程中，学生基本都能根据方案完成，即使有方案考虑不全，在制作过程中稍做完善就可以了。

二、选择有结构的材料，突破设计难点

在平时的教学中，总有教师会这样想：为什么学生的“设计方案”都差不多呢？怎么就没有有价值的“设计方案”出现呢？“设计方案”对于小学生来说是不是太难了？其实问题的关键在于要用有结构的材料加以突破，也就是说，教师在给学生提供制作材料的时候，一定要明确为什么要选择这些材料，选择这些材料要达到什么目标，而不是简单的依据教材提供材料。

例如，在教学二年级的“制作风向标”时，教材为学生提供了一组制作材料：一张卡纸、一根吸管、一支带橡皮的铅笔、一根大头针。学生根据材料进行“风向标”方案设计。从学生设计的方案来看，很多学生都知道用吸管来做指针，然后用大头针将吸管插在铅笔的橡皮头上，但是没有学生考虑大头针应插在吸管的什么位置。大头针插在吸管的位置很重要，只有将大头针插在指针的重心位置，指针才会平稳转动。对于二年级的学生来说，在设计方案的过程中能主动考虑重心位置确实有些难度，但是重心位置又是制作的一个难点，怎么办？经过思考，笔者对吸管进行了改进，提供给学生的吸管上扎有三个孔：吸管的中心位置一个孔，在中心位置两边各一个孔。从制作材料上为学生突破设计难点搭建一个支架。这样，学生在设计方案的时候就有意识地对吸管上的小孔进行思考、选择，而且还出现两种观点的争论：一种观点认为大头针应插在吸管的中心位置；另一种观点却认为不应该插在吸管的中心位置，因为箭头、箭尾不一样大，应该稍稍偏一点，学生们的观点正是“重心位置”和“中心位置”的争论。笔者认为，这样有争论的方案设计才是有思维深度的方案设计，才是最有效的方案设计。

三、选择有结构的材料，丰富设计想法

“技术与工程”领域中的“方案设计”，主要是学生根据自己已有的知识、技能和生活经验，利用现有材料进行的一项创造性活动。“巧妇难为无米之炊”，制作材料无疑就是学生方案设计的“米”，无“米”肯定不行，而且“米”的好坏也直接决定了“饭”的质量。

例如，“自制望远镜”在设计上就有两个重点：要有合适的透镜组合和合适的镜筒长度。为了突破“合适的透镜组合”，笔者在执教时，试图在“方案设计”环节让学生通过尝试透镜的各种组合“发明”望远镜。在最初设计时，笔者给每个小组（每组4人）提供了8块透镜——4块凸透镜、4块凹透镜，但最后学生设计出来的方案并非笔者预期的那样，大部分小组只有一种组合，有的小组有两种组合，个别小组有三种组合，没有一个小组全面考虑到四种组合，而且学生的思维一点也不活跃。这是什么原因造成的呢？通过仔细分析，笔者觉得提供给学生的镜片数量不足可能是主要原因。学生看到材料，每人拿了两块透镜后，就没有多余镜片了，而且学生的注意力都在自己拿到的镜片上，不会相互交换镜片，所以想法就被限定了，仅仅考虑到自己拿在手上的透镜组合，没有能进行多种组合的思考。于是，在后来的教学中，笔者给每组的透镜数量加倍：8块凸透镜、8块凹透镜。由于学生每人取两块，每组还多余8块，学生可以随意更换透镜，最后几乎每组学生都设计出了四种不同的镜片组合。

实验材料是学生探究活动的重要载体，同样，制作材料也是学生设计方案的重要载体。因此，教师应该根据方案设计的重难点，提供合适、多样的材料，通过材料引发学生深入思考，丰富学生的设计方案，培养学生缜密的思维。

四、选择有结构的材料，完善设计层次。

兰本达教授认为，有结构的材料就意味科学概念。科学概念的结构是有层次的，因而给学生的材料的结构也应是有层次的，不同层次的结构材料能引导学生获得不同的发现。同样，在“设计方案”过程中，学生的认知是需要过程的，而且设计的需求也会随着问题逐步解决而发生变化，是需要不断完善、不断深入的。因此，材料也需要满足这样的过程与变化。

例如，在执教《拧螺丝》一课时，笔者就为学生准备了一组材料：十字螺丝（1号）、一字螺丝（2号）、大十字螺丝刀（A号）、小十字螺丝刀（B号）、一字螺丝刀（C号），而且选择的十字螺丝用大十字螺丝刀（A号）和小十字螺丝刀（B号）都能固定。为什么这么选择？目的就是用简单的材料让学生在解决问题的过程中，层层推进，不断完善设计方案。首先给学生提出设计任务：用拧螺丝的方法固定小板凳，你打算选择几号螺丝？哪把螺丝刀？面对这个任务，学生都很有信心地提出了自己的解决方案：有学生提出选择十字螺丝（1号）和大十字螺丝刀（A号）；有学生提出选择十字螺丝（1号）和小十字螺丝刀（B号）；还有的学生提出选择一字螺丝（2号）和一字螺丝刀（C号）。当学生按照自己的设计选择了螺丝、螺丝刀进行操作后，发现固定十字螺丝，大小两把十字螺丝刀都可以完成。当学生都认为自己设计的方案可行时，教师提出了第二个任务：大、小两把十字螺丝刀都可以用来固定十字螺丝，那用大十字螺丝刀和小十字螺丝刀来固定同样的螺丝会有什么不一样呢？学生通过操作比较，发现用大十字螺丝刀来固定更省力，从而让学生明白在选择工具的时候不仅要选对，而且要选择最合适的，这样工作的效率才能提高。

总之，小学科学教师应根据学生的认知基础，结合教学内容，增强材料的结构性，帮助学生细化设计重点、突破设计难点、丰富设计想法、完善设计层次，努力提高“方案设计”的有效性。