基于情、知、言的应用延伸型小学科学工程设计课

陈航

【摘 要】工程教育融入科学教育是小学科学教育的必然趋势。文章针对学生在工程设计学习中存在的困难，以教科版三年级“我们的‘过山车”项目为例，针对应用延伸型这一工程设计课提出教學策略。从情、知、言三个方面开展教学，即创设真实情境，激发学习动机；突出核心要素，把握工程设计本质；变革对话方式，激发工程思维。

【关键词】小学科学 工程设计 应用延伸型 教学策略

【中图分类号】G613    【文献标识码】A  【文章编号】1002-3275（2023）12-60-03

在STEM教育理念的引领下，科学教育与工程教育的融合进一步加深。在科学课程中融入工程实践，把工程设计的能力视为科学素养的组成部分，是目前许多国家科学教育的创新变革。《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称课程标准）将工程设计与物化列为13个学科核心概念之一，并将工程实践能力和科学探究能力视为同等重要，组成“探究实践”核心素养。在课程标准的引领下，教科版小学科学教材新增技术与工程的相关内容，以工程设计为中心的内容占有一定比重。本文针对小学科学工程设计课提出教学策略，以期促进技术与工程的教学在科学教育中真正落实。

一、学生工程设计学习的困难

在教科版三年级“我们的‘过山车”项目教学中，学生上交的设计图作业存在以下问题：首先学生的设计图与课上尝试搭建的模型不一致，无法根据所给材料搭建模型；其次设计图表达不清，根据设计图无法正确将过山车模型搭建成型；最后学生对工程设计图的作用和意义缺乏正确认知。

另外，笔者采用前测问卷对学生的工程设计能力进行调查，发现学生懂得应用科学知识进行设计，借助模型作出方案决策，但在设计时缺少思考多种方案的意识，不能系统深入地考虑设计要求，设计图规范意识较弱。

结合“我们的‘过山车”项目作业和调查结果发现，学生由于缺少工程设计相关知识的学习，对工程设计本质缺少准确认知，工程设计能力相对较弱，因此如何在工程设计课教学中保证科学知识有效传授的同时，使学生更好地理解工程设计内容，提升工程设计能力，是教师面临的重要问题。

二、应用延伸型小学科学工程设计课

工程设计是学生工程活动的核心，是以解决某一真实问题为目的，在受到现实条件制约下，进行工程方案设计，并通过建模检验、优化迭代，得出最终问题解决方案的一个非线性过程。在工程设计中，往往会产生工程设计图、工程模型等成果。从目标上看，科学探究是人们探索和了解自然以获得知识和规律，而工程设计则是为了解决某一现实问题。从过程上看，科学探究更强调证据对结论的解释，而工程设计更关注客户需求等现实条件因素的制约，其所获得的数据是为了检验和修改解决方案。从成果上看，科学探究往往得到的是科学理论、定律等，而工程设计得到的是直接的设计方案。

梳理国外工程设计融入K-12教育的发展历程，发现工程设计经历了作为教学方法、作为学科实践融入科学教学、作为学科核心观念成为科学课程的一部分三个过程。［1］在具体的教学中，科学探究与工程设计的整合可以分为应用延伸型、工程框架型、设计即探究型三种教学过程模式。［2］应用延伸型模式关注学生应用已有科学知识完成具体的工程设计任务，培养学生的工程设计能力，以工程设计为主；工程框架型模式是学生在工程设计项目的总框架下，以设计需求带动科学探究，探究成果反馈于设计结果，其中工程和科学的重要程度相当；设计即探究型模式则以科学探究为主，在完成工程设计任务的过程中完成科学规律的探究，其中工程设计更像是一种探究手段。

在小学中段科学课程中，工程设计课通常出现在单元内容的最后，以工程设计学习为主，同时深化巩固已学知识，对应应用延伸型的工程设计教学类型。“我们的‘过山车”是教科版小学科学三年级第一单元“物体的运动”中的项目，学生需在明确设计要求的基础上，应用本单元前几课所学的直线运动、曲线运动、在斜面上的运动等相关知识，根据工程设计的基本步骤，完成设计、制作和评价过山车模型等任务，是非常典型的应用延伸型项目。

三、应用延伸型小学科学工程设计课教学策略

面对应用延伸型这类“科—工”整合课堂，可以从情、知、言三个方面开展教学，三个方面对应的教学策略如图1所示。三个方面的策略环环相扣，共同助力教学。

（一）创设真实情境，激发学习动机

真实的工程设计实践更有助于学生的深度学习。当学生听取用户需求，并围绕用户需求进行工程设计时，其论证能力更强，更能建立复杂的联系。在创设项目情境时，要考虑帮助学生形成工程师的身份意识，让学生面对真实的客户，明确现实条件限制和客户需求，使任务更复杂和更具挑战性。由此学生可以体会工程学习能服务于生活，促使学生结合已有经验，明白探索新知的价值。同时，赋予学生工程师的身份，可以引导学生了解工程师的工作任务，使学生体会工程师的职业责任感，从而更主动积极地参与活动。因此，教师在创设情境时，应更关注情境的真实性。

例如在“我们的‘过山车”项目中，创设情境“你所在的公司接到了游乐园的委托，需要设计一座过山车轨道，公司把这个任务交给了你，相信你能出色地完成”，让学生作为工程师解决情境问题。首先请学生谈谈印象中的过山车轨道，以及想要设计的过山车轨道，帮助学生初步熟悉设计对象。在初步交流后，学生能快速建立起工程师的形象轮廓，对设计任务表现出较强的学习兴趣。教师需向学生说明设计要求，包含过山车的结构、功能、材料等多方面要求，必要时教师应根据学生现有水平和能力特点对设计要求进行简化。这一要求突出了工程设计的现实性，也引导学生围绕用户需求提出合理的设计想法。

（二）突出核心要素，把握工程设计本质

教师应突出核心要素，并注重科学知识的有效运用，引领学生进入“设计世界”，把握工程设计的本质。

1．设计图样的规范绘制

学生在设计图纸的过程中可以与同伴自由交流想法，使工程设计成为一种共享认知的活动。另外，小学生仍然依靠具体事物完成形象感知，借助设计图更能帮助学生将设计想法外显化、思维可视化。在小学低段，可以指导学生以草图的形式呈现设计想法，而在小学中高段则应教授学生更规范的设计图绘制方法。规范、清晰的设计图更能体现设计想法的价值，使他人通过设计图能快速、清楚地了解并实施设计方案。因此，教师必须帮助学生形成规范制图的习惯，并根据不同学段调整绘图方式和要求。

在“我们的‘过山车”项目中，由于学生第一次接触规范的设计图绘制，因此设计图绘制是教学重点。呈现设计图案例可以为学生提供脚手架，提供思考、参照的真实对象。此外，还需要强调设计图的意义，引导学生思考设计图的绘制规范。接下来给予学生充分的时间，结合已有生活经验展开交流。针对学生未能说出的要点，教师则需要出示设计图案例引导学生自主发现。最后呈现完整的图示，总结设计图绘制的规范要求。

2．产品的迭代优化

设计不是一蹴而就的，迭代优化是工程设计的重要特点，这也说明工程设计过程是一个非线性的过程。工程师需要结合测试审视现有的解决方案是否满足用户需求，发现存在的问题及其原因，制订修改方案并改进，如此循环直到得到最终作品。相比于完成设计的过程，优化过程对学生的能力要求更高，更具有挑战性。因此，教师要让学生明白失败和重新尝试是工程设计的重要部分。对此，教师可以帮助学生分析设计要求，引导学生系统性地观察分析模型结构，找出改进方法，还可以组织学生分享在设计活动中的成功或失败经验，共同讨论改进策略，通过图式、写作等形式的反思性实践来记录反思优化的过程。总之，教师应帮助学生建立不断尝试的信心，使学生掌握迭代优化的方法和技能。

例如在“我们的‘过山车”项目中，学生通过测试很容易发现小球运动时间不满足要求，此时教师引导学生结合运动的快慢知识思考“小球在什么情况下会运动得更慢”，由此引导学生关注到运动快慢与运动时间和运动距离的关系，再进一步建议学生根据这个知识点改进设计图。在教师的鼓励和引导下，学生充满兴趣地投入讨论和改进工作中。小组测试成功后，根据改进的结果重新修改和完善设计图。

3．方案的比较权衡

在工程设计中需要比较多种方案，选择最优方案。不仅如此，还需要充分考量时间、人員的分配，材料、工具、机器的选择等方面，因此这个过程尤其考验学生比较权衡的能力。通过对两个相互竞争的标准进行权衡，可以使学生的优化能力得到发展。对小学生来说，比较权衡是较难的部分，因此可以鼓励每个学生进行独立设计，再通过小组讨论确定最优方案。另外，教师要注意在材料工具呈现上尽量多样化，使学生可以根据方案作出最合适的选择。

在“我们的‘过山车”项目中，学生同样会面对许多需要选择的环节，如选择不同的材料和轨道的连接方式。学生在未受到启发时容易出现单一的思考方式，因此教师可以引导学生发现不同材料和所有可能的连接方式，鼓励学生比较不同连接方式的优缺点和适用位置。通过开展比较选择环节，学生学会根据轨道的不同位置选择合适的连接方式，增加了作品的多样性。

（三）变革对话方式，激发工程思维

科学课堂中的对话有着非常重要的作用，通过变革师生对话和生生对话，能够帮助学生更好地参与工程设计，并进一步激发学生的工程思维。

M Windschitl、J Thompson、M Braaten在Ambitious Science Teaching中提出，应多和学生展开以下形式的对话：提醒（如这一点很重要）、挑战（如你怎么认为）、补充（如谁还想补充）、联系（如它们有怎样的联系）、验证和澄清（如所以你想说的是什么）、基于证据的推理（如我们是如何发现的）、进一步推理（如再多说一点）。在基于工程设计的课堂中，教师应该给予学生更多的表达机会，以问题来引导学习，这些问题应该是尽可能开放、建构式的，并且可以帮助学生代入工程师的角色来思考和解决问题，以此帮助学生发展技术，形成工程思维习惯。在布置任务时，教师可以提问：如果要满足这些要求，产品的结构应如何设计？谁还想补充其他想法？在巡回指导时，教师可以提出以下问题：①为什么这部分是这样设计的，你是如何考虑设计要求和限制的？②你打算用这部分工具做什么，为什么选择这个工具？③你对这些材料的了解有多少，这些材料最终应放在哪里？④你的原型测试达到了哪些设计要求，还有哪些未满足？如果对这部分作出改变，测试结果可能会发生什么改变？在评价交流环节，教师可以提问：你在组内的分工是什么？你做了哪些事帮助小组更好地合作？产品的测试结果是怎样的？所以它说明了什么？你满意你的设计吗？

工程设计是一种协同合作活动，同伴之间的对话有助于达成活动目的，学生在对话中应学会利用证据来支撑自己的想法和建议。有学生提出了一个改进方法，而其他学生对此表示怀疑，这在工程设计中是非常常见的，这时候学生应尝试获得数据，用证据来支撑自己的想法。教师要鼓励和引导学生积极对话，引导学生积极交流设计想法，学会工程设计中的表达方式。另外，对于小学生来说，利用材料工具来建立模型或原型，可以更好地帮助他们表达想法，提升对话的有效性。

对于学生来说，工程设计是工程活动的核心，教师通过有效的教学策略能让学生明白工程核心概念和方法，使学生形成工程思维，进一步提升科学素养。在教学实践中发现，在应用延伸型工程设计课中创设真实情境、突出核心方法和思想、改变课堂对话方式能够提升教学效果。教师把握“科—工”整合的思路，探索不同类型的工程设计任务、有效教学策略，是深化小学科学工程设计教学的重要方向。

【参考文献】

［1］黄桦．以工程设计为中心的“K-12工程教育”：源起、内涵与实施策略：美国《以调查和设计为中心的6-12年级科学与工程》之启示［J］．远程教育杂志，2019，37（4）：73-84．

［2］唐小为，王唯真．整合STEM发展我国基础科学教育的有效路径分析［J］．教育研究，2014（9）：61-68．