单元重构实践创新教育研究——以小学科学“计量时间”单元为例

文∣张爱民

一、问题的提出

建设科技强国需要大批具有创新精神和实践能力的人才。“让学生了解科学、技术、社会和环境的关系，培养创新意识和社会责任感”是《义务教育小学科学课程标准(2017年版)》的课程目标要求。但目前在科学教学中，如何实践创新教育，仍需探索。例如教科版《科学》五年级上册第三单元“计量时间”中的计时器，它能充分体现科技发展，是教师开展创新教育的良好素材。但入选教材的相关创新内容较少，而且教材对计时器相关的科技创新实践育人和文化育人的关注还不够；虽然安排了很多动手实践的活动，但这些实践项目偏重制作，创新不足，且要求过高，学生难以成功。所以学生对该单元的学习兴趣不高，学习目标达成度偏低。

本文以“计量时间”单元教学为例，围绕培养学生的创新精神和实践能力，把相关科学背景知识资源融入课程，整体重构了单元教学目标、教学内容和教学活动，对创新教育的实施进行了深入探索，以其为创新教育实践提供经验。

HPS是history、philosophy、sociology of science的简称，中文译为“科学史、科学哲学和科学社会学”。本文中HPS资源中的H指的是计时科技的更替历程，S注重与计时科技相关的创新文化与社会影响，P强调基于科技创新育人的视角作哲学思考。

二、基于创新教育的“计量时间”单元教学设想

创新是一种创造性的实践。无论是培养目的、途径，还是结果，培养学生的创新能力都离不开实践。创新精神的培养则离不开思想上的引领。在课程中融入相关HPS资源，通过文化熏陶育人，创设创新、创造活动来实践育人。教学设想如图1所示。

图1 单元教学设想

(一)融入相关HPS资源，以文化人

中国古代的太阳钟、水钟和水运仪象台在当时处于世界领先水平，并形成了丰富的科技文化资源，如日晷、圭表、二十四节气、元代铜壶滴漏和水运仪象台等。教师在课堂上呈现太阳钟、水钟和摆钟相关HPS教育资料时，要凸显我国古人在计时科技创新方面的智慧和精益求精、刻苦钻研的科技创新精神，展示中国优秀的传统科技文化及其世界影响，让学生欣赏我国古人科技创新的智慧，感悟中国古代科技的博大精深，助力学生树立中国文化自信。

呈现近现代HPS资料时，教师可注重介绍国际先进的计时科技及其发展史，以增强学生科技创新的紧迫感和责任感，树立科技创新报国的理想信念与责任担当。

(二)创设创新、创造活动，实践育人

让学生亲历实践，体会科技创新的意义和价值，培养创新精神和意识，历练提高创新思维和实践能力。“太阳钟”模块教学“探究太阳钟科学原理”环节中，教师可新增体现科技进阶的模拟实验，让学生体验感悟科技创新带来的便利，培养创新意识。“摆钟”模块教学“做一个1分钟摆动60次钟摆”环节中，教师为学生提供有结构的材料超市，让学生尝试采用不同的材料，应用多种创新方法去做一个1分钟摆动60次的钟摆，以培养其科技创新精神，历练其创新思维与实践能力。

三、基于创新教育的“计量时间”单元教学实施

(一)单元重构

本文采用“增删补改”的策略重构了单元教学内容，如表1所示。以计时器从古到今的发展历程为主线呈现教学内容，让学生整体感知“计时器的发展史实际上就是一部科技创新史”。“计量时间”单元第一模块为第1课“时间在流逝”，教学重点为“让学生体验依据规律估算时间是不准确的，感悟人类需要计时器”。第二、第三、第四模块分别是“太阳钟”“水钟”和“摆钟”，各两课时，设计思路基本一致：首先，让学生学习该计时器的发明和发展史(HPS资料)，感悟科技创新的意义和价值；然后，实践探究该计时器的科学原理，体验感悟科学和科技发展对科技创新的推动作用；最后，在懂得原理的基础上制作尽量准确的该类计时器，落实科技创新的实践能力。第五模块为“从哲学视角看计时器的发展历程”，学习从摆钟到现代计时器发展的相关HPS资料，了解并分析中国在计时科技方面的发展；再以哲学的视角了解计时器的发展历程，辩证看待计时器及其科技发展的历程。

表1 重构“计量时间”单元

教科版《科学》五年级上册的“计量时间”单元偏重实践操作，关于计时器科技创新的发展历程及其社会影响内容不足；缺少应用科技创新文化在思想层面激发学生创造性完成实践的引导。学生对该单元的学习(包括实验)兴趣不高，学习效率和效果都欠佳。

重构后的“太阳钟”“水钟”和“机械摆钟”板块，新增了“日晷和圭表”“元代铜壶滴漏”“水运仪象台”等HPS资料，在第8课“从哲学视角看计时器的发展历程”的教学中，将计时器的发展历程延长到计时器科技的前沿阵地，新增了石英钟、原子钟和脉冲星钟等计时器的诞生及发展史；引导

学生不仅对“计时器的发展历程” 作哲学思考，还要深入感悟计时器科技文化与社会影响对我国科技发展的启迪。

通过HPS资料，学生了解到“科学和科技的迅猛发展推动了近现代和当代计时器的精确性得到了极大提高，计时器的发展史实际上就是一部科技创新史”。学生在思想上受到了教育，他们频频赞叹中国古代的计时科技在当时的先进，并为此感到骄傲与自豪。文化自豪感在他们心中油然而生，中国文化自信观念也因此树立。但在横向比较当今世界计时科技时，他们从近现代以来的石英钟、原子钟和脉冲星钟等先进计时器均由国外发明创造而感悟到：中华民族的伟大复兴离不开科技创新，每一个中国人都有责任参与科技创新。单元重构在部分模块增加了HPS资料，学生的学习兴趣大增，学习效果也非常显著。

计时器的发展史实际上是一部科技创新史，每一种计时器的发展都体现了科技创新。通过融入HPS资源，用古代中国的“日晷和圭表”“元代铜壶滴漏”“水运仪象台”等计时科技文化启迪学生，助力他们树立中国文化自信和科技创新意识；用伽利略、惠更斯等科学家的光辉事迹鼓舞学生，助力他们发扬探究精神和创新精神；用脉冲星钟等当今世界先进的计时设备激励学生，助力他们树立科技创新报国理想信念和责任担当。

(二)新增创新实践

“太阳钟”一课配套教师用书建议，如果时间充足，可以组织学生制作圭表或者日晷，然后用自己制作的“太阳钟”进行计时，以便更加深入太阳钟的科学原理，激发探究时间的积极性。而在实际教学中，由于课后测量活动持续较长时间，部分学生因时间问题没有完成测量。

由此，笔者重构“太阳钟”模块，新增了三个模拟实验，如表2所示。学生可以自主选择全做或者完成部分模拟实验。此设计让学生通过课内模拟实验，观察随着四季太阳运动轨迹的变化，日晷晷针的影子在晷面上发生变化，以理解日晷的工作原理。

“太阳钟”模拟实验克服了常规教学不能落实学习活动的问题。通过模拟实验，每个学生都看到了日晷晷针的影子在晷面上有规律地变化，明晰了其中的科学原理；知道了有光才有影子，日晷和圭表不能用于夜晚和阴雨天等没有太阳的时候，不能满足人类需要。模拟实验更为开展科技创新教育创设了机会：守候在太阳下用日晷计时，耗时长，而且在烈日下测量也很辛苦；而借助大量角器、地球仪和三球仪等仪器进行模拟实验，能够让学生在很短的时间里获得日晷的科学原理。大量角器、地球仪和三球仪分别代表初、中、高三个技术层阶。代表最先进技术的三球仪，操作最简单，可以单人操控，效果最好；代表最中档技术的地球仪，虽然需要多人合作才能完成，但操作难度低，学生基本能够观察到效果；代表最低档技术的大量角器，操作难度大，学生很难把握光照射的角度，实验效果最差。小学生擅长形象思维，效果差异显著的三个“太阳钟”模拟实验，为学生感悟科技创新的意义和价值等提供了情境化理解，有助于培养学生科技创新的意识。

(三)设计制作活动

教材中“做一个钟摆”一课偏重制作，每个学生利用同样器材做同一个操作，即调整摆长，基本上不涉及科技创新内容。知识学习和实践锻炼的容量都较少，缺乏挑战性，学生兴趣不高，对自己能否参与实验、实验是否成功抱着无所谓的态度。

笔者将制作活动重新设计，虽然要解决的问题仍然是“做一个1分钟摆动60次钟摆”，但新增了“历练提高的科技创新实践能力”的学习目标。课堂教学从观念和实践两个层面历练学生的科技创新能力。制作活动中，教师为学生搭建了三个支架。一是提供蕴含科技创新的材料“超市”(包括计时器、铁架台、铁球、一次性筷子、磁片、玉米棒、环形磁铁，细绳、橡皮筋和螺帽和控制绳长的旋转轮子)，学生利用“超市”材料可以组装四套不同的钟摆，如图2所示。其中用橡皮筋固定绳子代表创新方法，旋转轮子控制绳长代表创新技术，玉米棒摆和磁铁磁片摆代表创新材料。二是在创新实践层面提出挑战性要求：尽可能采用简便的方法策略，快速做出一个1分钟摆动60次钟摆。三是在创新观念层面引导学生从材料、技术和方法等角度，进行“做前思”：为了更简便、更快地调整出准确性高的钟摆，你会选择哪些材料？选择的理由是什么？怎样操作？进行“做中思”“思中做”和“做后思”：①我们先，观测到摆动次数(高于/低于)1分钟60次后，我们通过方法来(增加/减少)摆动次数。②我们现在操作(不简便较难/简便容易)，我们还可以选择哪些材料，或采用哪些方法步骤、或技术进行优化？

图2 “做一个钟摆”制作活动

制作活动的目标和内容重构后，学生在课堂表现很出彩，思维活跃，真正做到了“做前思”“做中思”“思中做”和“做后思”。如在选择材料时，各小组组员都能够各抒己见；在实验过程中，能够根据观察到的现象及时调整实验方法策略，并说明理由；实验结束后，能够正确分析四套不同钟摆的优越性。在课堂上真正做到了全员主动参与，各小组学生借助教师搭建的支架，发挥自己的创造性，采用优选材料、先进方法，利用先进技术，快速地调出了一个简便且准确性高的钟摆，且都能够正确描述创作钟摆的新方法，实现了创新思维和创新实践的高度融合。

在创作“钟摆”活动中，教师通过为学生提供蕴含科技创新的多样性实践材料，引导学生多角度思考解决问题的方案，为学生历练和提升创新思维和实践能力提供了关键性支持。引导学生通过个人独立思考和小组沟通后作出决定，允许他们犯错误，并鼓励他们换个角度去思考并纠正错误。大多数学生原来以为创新对于他们而言是一件高不可攀的事情。通过本课的学习，学生从中学到了一些创新的方法与策略，创新思维在创新活动中得到了训练，享受到了成功的喜悦，降低了对创新的恐惧感。学生在创新活动中感悟到了先进的技术、合适的材料和恰当的方法对创作活动的重要性，拓展了创新思维，提高了创新能力。

四、结语

重构后的教学以计时器的发展历程为明线，以科学和科技的创新发展促进计时器的发展为暗线。无论是资料学习环节还是实践操作活动，都紧紧围绕科技创新这条线展开。学习活动可操作性强，学生都能积极主动参与，学习过程没有出现游离于学习活动之外的现象。学生既通过HPS资料学到了丰富的计时科技文化，开阔了眼界，开拓了思维，在思想层面感悟科技创新的重要意义和价值，并树立中国文化自信和爱国情、报国志，又通过创新实践直观掌握了古代计时器的科学原理，在实践历练中提高了创新思维和实践能力。如此一来，突破了以往学习浅表化的不足，实现了深度学习。

培养学生的创新思维和实践能力是教师应有的责任与担当。教师应积极开展创新教育，深入挖掘中国的传统科技文化，培养学生的中国文化自信和创新精神。在教学中教师要积极探索有利于发挥学生主体性和主动性的创新实践活动，以实践育人，培养他们独立思考、大胆探索、勇于和善于创新的能力。

本文系广州教育学会2019年教育科研课题“小学中年段科学课程HPS资源开发与应用的研究”(KTLX1201930098)，广州市中小学、中等职业学校第十八届特约教研员研究课题“HPS教育融入小学科学课程教学的实践研究”的研究成果