工程设计理念下校本科学课程的开发

陈艳秋

一、工程设计理念下校本科学课程开发的目的与意义

新冠肺炎疫情之下，各地的学校通过远程教学和家庭学习为学生提供了更多学习科学的机会。因此，适用于远程学习和家庭学习的校本课程开发尤为必要。

校本课程开发不能离开小学科学课标与课程。现行的小学科学课程主要包括工程实践与科学探究两方面内容。科学探究的目的是让学生认识世界、了解自然规律。例如，杯子里的热水为什么会变凉？小学生的科学探究任务是了解和诠释科学现象背后的科学概念。而工程实践课程的目的是在尊重自然规律的基础上引导学生学会改造世界、掌握解决实际问题的方法。例如，怎样让杯子里的热水凉得慢一些？

二、工程设计理念下校本科学课程开发的途径

基于工程学理念，为了支持远程学习和家庭学习，笔者开发了一种校本课程“宅家科技挑战周”。在挑战周，教师会分享一个感官化的任务，教师和家庭可以利用这个任务让学生参与相关的科学学习。参与这些实践活动，需要学生成为学习群体的一部分，这个学习群体可以是由同学组成的，也可以是由家庭成员组成的。学生可以在学习群体里分享自己的想法、评估别人的想法、给予和接受批评并达成共识。

三、工程设计理念下校本科学课程开发的流程

《小学科学课程标准》给出了工程设计的四个步骤——明确问题，确定方案，设计制作，改进完善。在此基础上，笔者参考了若干国家的技术与工程教育标准和教材以及本土的研究，将工程实践细化为六个要素，即明确问题、前期研究、设计方案、制作模型、测试改进、展示交流。

（一）明确问题

1.引入工程挑战

在今天的日常生活中，我们怎样才能使房间尽可能地黑暗？向学生介绍工程挑战：让一个房间尽可能地黑暗，以便让孩子睡午觉。學生调查在家中发现的常见材料，例如白纸、纸巾、被子、木板等。提问学生：“我们要解决的问题是什么？我们需要知道什么才能解决这个问题？”从而确定任务目标，即找出哪些材料最能阻挡光线、使用哪种材料能使我们的房间变暗。

2.与学生前概念建立联系

鼓励学生分享他们对材料的了解。让他们分享一些他们认为遮光效果好于其他材料的例子并追问：“为什么你认为这些材料比其他材料更能阻挡光线？”学生可能会给出许多不同的理由来解释为什么有些材料会阻挡光线或者反射光线的效果比其他材料好，但这里的目的不是要区分是非，而是促进关于这些材料的性质的讨论，以及是什么性质使一些材料比其他材料更适合用于阻挡光线而使房间黑暗。

（二）前期研究

1.验证猜想

学生通过头脑风暴、集思广益，已经搜集到一些信息：哪些材料最有效、哪些材料不行。但是他们如何知道他们的猜想符不符合事实？告诉学生需要亲自检验这些猜想。

如果学生很难想出一个调查的方法，则分享教师的调查视频。但如果学生提出了一个足够公平的测试来调查自己的材料，则鼓励学生执行他们自己的调查计划。提醒他们在调查的时候搜集数据。如果学生没有准备好自己的数据表，可以考虑提供数据表。要求学生调查尽可能多的材料，包括他们认为勉强可以或不会很好阻挡光线的材料，以确认他们的想法或帮助揭示错误的观念。

2.就调查结果达成共识

学生分享交流关于哪些材料遮光效果最好。学生可以演示或重现他们的调查步骤，展示他们的调查过程，并确认他们搜集的数据。

要求学生对比遮光最好的材料和遮光不好的材料，从中寻找影响遮光效果的因素。学生会发现较厚的材料比较薄的材料更容易阻挡所有的光，但是在实际应用中，太厚的材料缺乏柔韧性且过重，如何平衡好两者的关系是任务的难点。

（三）设计方案

在黑暗房间挑战的第一部分——挡住光源，要求学生独立绘制一个模型，说明他们将如何使用他们认为能够有效遮光的材料。

如果学生在开始绘制他们的模型时遇到困难，可以提问：什么东西能证明使房间变暗的材料起了作用？如何显示这些部件之间的相互作用？你可以选择让一个学生向其他小组解释他们的模型，而其他小组成员则注意分享者的模型和他们自己模型之间的相似性和差异性。

（四）制作模型

让学生同家长合作，利用之前共同设计创建的解决方案使所选房间变暗。学生在创作和测试过程中经常会进行修补，因此教师需要“控制节奏”，让学生将他们的解决方案落实到位，直到所有的解决方案都准备好再一起测试和比较。

（五）测试改进

强调依据要求商定科学的测试方法，根据测试结果判断是否满足要求，对不达标的情况分析原因，找到改进方法。

学生可以通过拍摄房间的前后照片来观察房间的暗度，以使设计效果可以与之前没有使用变暗方案的房间对照，再与其他使房间变暗的解决方案进行比较。如果时间允许，为学生提供重新设计的机会，以改善效果。

（六）展示交流

展示交流的目的是在相互评价中，互相学习，取长补短，收获成就感。宅家也可以通过视频分享、自我反思评价等方式实现多个家庭的交流。

远程学习和家庭学习可以为学生提供更多学习科学的机会，基于工程学理念，笔者开发的这一种校本课程，通过分享一个感官化的任务，教师和家庭可以利用这个任务让学生参与相关的科学学习;学生需要运用科学概念，结合数学、技术与工程等跨学科知识与技能，根据科学原理完成作品的设计与制作。这是一个创造性过程，具有一定的复杂性、多样性，学生可以像工程师一样，在家也能经历一个完整的工程活动过程。