公平杯里的新秘密

萬嵩海

技術設計是小學生科學探究學習的主要方式之一。本文以一則課堂教學實例引出，分析了基于技術設計的小學科學教學的四個目標和三種水平，提出了“原型啟發”、“設計制作”、“效能評價”、“建立關聯”四階段的科學課堂教學的實施策略。

一、再現“公平杯里的秘密”

在2012年秋的浙江省小學科學特級教師課堂教學展示活動中，特級教師喻伯軍執教了《公平杯里的秘密》。幾年前在西安地攤上淘到的這個奇妙的公平杯，現在竟然引發了孩子們的探究熱情。與普通杯子不同，孩子們發現，公平杯中央有一個龍形的立柱，杯底還有一個小洞。往杯中加水，孩子們驚奇地觀察到，當杯中的水積蓄到一定高度時，就會從小洞中不斷流出，直至杯中無水。喻老師笑問：“這個奇怪的現象與杯子的哪個結構有最大關系？”孩子們紛紛猜測：“可能和杯子中的龍嘴有關”、“可能和杯底的小洞有關”、“龍嘴和底部小洞之間可能有一根管子”、“可能在立柱的底部有一個進水的小孔”。猜測越來越接近事實。于是，喻老師揭示了公平杯的內部結構。原來，公平杯內的龍形立柱里有一個“n”形的連通管，而精美的龍頭只不過是裝飾品。

為了幫助孩子們理解公平杯這種奇特結構所隱含的科學原理，喻老師展示了用吸管和一次性塑料杯制成的公平杯簡易模型。由于材料簡單、操作便捷，孩子們很快想到了公平杯模型的制作技巧，躍躍欲試。此時，提一些活動要求是必要的，這些要求涉及獨立制作、多次檢驗、簡圖記錄、原理討論、操作常規五方面。20分鐘的小組活動結束了，孩子們展示了自制公平杯的效能，并交流了他們對公平杯工作原理的思考——杯中的水流出來是因為水的壓力。在這一點上，孩子們取得了共識。借助“公平杯工作原理示意圖”，孩子們了解了虹吸現象以及虹吸現象在生活中的存在和應用。

在《公平杯里的秘密》的教學活動中，教師引導孩子們通過對公平杯的觀察、制作、檢驗，來了解公平杯的結構、功能和原理之間存在的聯系，并逐漸建立“人們設計不同的結構來實現不同的功能”這一科學概念。這樣的教學過程，被視為基于“技術設計”的小學科學教學。

二、基于技術設計的教學目標

技術設計，是指孩子們通過制成某個具有特定功能的實物化的技術產品，來理解產品的結構、功能、原理之間的關系的科學學習過程。技術設計與科學探究是兩種并行的活動過程，它們相互促進、相互滲透。技術設計把孩子們通過科學探究所獲得的科學知識與他們的生活緊密地聯系在一起，通過對技術產品及其工作方式的了解來加深對科學概念和科學原理的理解，通過對技術產品的設計和制作來提升科學探究能力、決策能力、創造能力，通過對技術產品的評價和運用來發展科學情感，從而理解科學技術和社會之間的關系。

結合小學生科學學習的特點和需求加以分析，基于技術設計的小學科學教學目標主要應定位于四個方面：一是發展孩子們對技術產品的結構、功能和原理之間的關系的理解；二是發展孩子們的技術設計能力，比如設計圖稿的基本格式、在圖稿中如何使用文字和示意圖等；三是發展孩子們與設計過程相關的能力，包括合作能力、創造能力、空間能力、決策能力；四是發展孩子們對科學、技術、社會之間的種種聯系的理解。

孩子們的技術設計可以有三種不同的水平。一是在原型啟發下，利用身邊的簡單材料創制出結構、功能相似的技術產品，比如“做一個指南針”、“做一個小開關”、“做個太陽能熱水器”、“設計制作小賽車”等；二是在分析原型缺陷的基礎上，對其結構、功能或成本和效益等進行改進設計，創制出更為理想的技術產品；三是根據特定的目的，創造性地設計制作出具有一定功能的技術產品。對于小學生而言，更多的是第一種水平，即原型啟發下的技術設計。

三、基于技術設計的教學及策略

基于技術設計的科學課堂教學，教師大多通過提供生活中的產品原型來引導孩子們從中發現產品的結構、功能或原理。然后指導他們合作或獨立地設計制作出基于現實水平的技術產品并檢驗其工作效能。最后引導孩子進一步理解技術產品的結構、功能和原理之間的關系。因此，基于技術設計的小學科學課堂教學一般經歷“原型啟發”、“設計制作”、“效能評價”、“建立關聯”四個階段。

“原型啟發”階段。教師通常利用某種暗含技術設計的活動情境或問題情境，引發孩子對技術產品的探究需求。然后提供與所要設計的技術產品相似的實物或相關資料（即“原型”），引導孩子就原型的結構、功能或原理進行分析。比如，“該物品具有哪種結構”、“該物品有什么功能”、“該物品利用了哪種科學原理”。

“設計制作”階段，首先，孩子們根據設計制作的任務和要求提出相關的設計制作建議。一些難度較大的任務，比如“設計制作太陽能熱水器”，教師可引導孩子們將設計制作的思路通過圖紙轉化為方案（包括所需材料、產品圖樣、簡單制作過程等），并對方案進行交流和評價，就其中明顯的缺陷提出修改建議。然后，孩子們自主完成產品的制作加工工作，并在產品初成后檢驗其是否達到既定要求。

“效能評價”階段。首先，是展示和評價產品是否能達成既定功能，比如小開關放入電路中是不是能控制電路的通斷、小賽車是不是能行駛、保溫杯是不是能減緩熱量的流失。其次是關注產品是否符合設計制作的限制條件和其他要求。對于教師而言，除了在產品效能上做出客觀評價之外，還應該引導孩子們查找問題，提出改進建議。

“建立關聯”環節。首先，教師可利用實物、圖解、板書等手段，幫助孩子厘清產品的結構、功能、原理三者之間的聯系，建立或鞏固相關的科學概念。然后，引導孩子們運用所學知識去進一步解釋生活現象、完善技術產品、解決相關問題。

（浙江省杭州市拱墅區教育局教研室 310005）