工程與技術類拓展性課程的實踐與認識

如何在科學拓展性課程中，激發學生創新潛能，培養他們的創新意識，提高他們運用跨學科知識綜合解決實際問題的能力？在2016年第四屆全國中小學科學特級教師名師論壇活動中，我們設計并展示了工程與技術類的拓展性課《挑戰大力繩》。下面以本課的研究為例，談談我們的實踐與認識。

一、教學設計一：指向操作實踐的教學設計

最初思考教學設計時，我們采用的主要策略是通過任務驅動，讓學生反復試錯，摸索出制作大力紙繩和連接掛鉤提起重物的方法，教學設計的主要思路如下：

1.教學設計一流程圖

2.教學設計一的思路

在導入環節，教師通過PPT出示學生用四分之一張報紙疊出50厘米、103厘米、168.5厘米的不同高度高塔的挑戰圖片，讓學生感受到用四分之一張報紙可以疊出不同高度的高塔，意識到通過努力，我們可以將“不可能”變成“可能”，從而導入新課。然后提出個人挑戰任務：利用四分之一張報紙和一個S 形掛鉤，做一條長度至少為25厘米的繩子（不計手臂和掛鉤的長度）提起重物，挑戰時間6分鐘。

通過任務驅動，學生人人動手嘗試個人挑戰，然后交流表達個人在挑戰中遇到的困難，共同研討，尋找解決問題的方法。在總結梳理可行的方法后，教師提出團隊挑戰任務：利用四分之一張報紙和一個S 形掛鉤做一條長度至少為40厘米的繩子（不計手臂和掛鉤的長度）提起重物，挑戰時間6分鐘。明確任務后進行團隊挑戰，最后進行課堂小結。

3.教學反思

試教兩次后，通過反思教學，我們發現這樣的教學設計有如下問題：

（1）教學容量大，教學進行到團隊挑戰環節時就下課了，沒有基于學情和學習進階規律來設計符合學生認知水平的教學內容。

（2）導入環節只是簡單地播放圖片讓學生比較，不夠直觀，不易激發學生的思維，且學生沒有經過充分思考就立即進行個人挑戰，導致他們盲目動手，不利于培養他們正確的思維方式和問題解決的能力。

（3）鉤子和紙繩的連接問題是學生的操作難點，教師指導不充分，影響了學生后續的問題解決。且個人挑戰失敗后，通過交流研討，立即要求團隊挑戰新任務，難以了解學生通過個人挑戰后，他們的科學認知或思維究竟有什么發展，發展到什么程度。

（4）缺乏關于大力繩承受力和紙繩結構的分析。

二、教學設計二：指向發展科學思維的教學設計

通過研討，我們對教學中產生的問題一一進行了剖析。大家覺得這樣的教學設計過于關注學生的操作結果成功與否，學生的科學思維發展不夠，于是對教學設計進行了改進優化。

1.教學設計二流程圖

2.教學設計二的思路

在導入新課時，教師出示用四分之一張報紙疊出的不同高度高塔的實物模型讓學生觀察、類比，然后提出個人挑戰任務。學生明確任務后，教師引導他們獨立思考，初步設計方案；之后通過任務驅動，讓他們對照自己的設計方案，動手挑戰制作大力繩。第一次挑戰，只有一位同學成功。

教師組織學生匯報挑戰中碰到的問題，引導他們梳理聚焦到“怎樣才能讓紙繩更結實”和“怎樣連接紙繩和鉤子”兩個問題，引導他們研討、分析解決兩個問題的方法。問題解決后，針對同一任務再次進行個人挑戰，同樣是6分鐘的時間。這次，大多數學生挑戰成功了，他們的成就感和喜悅之情溢于言表。

這時老師提出問題：為什么在一張報紙上掛鉤子，提不起重物，而做成紙繩就可以了呢？你能對這一現象嘗試解釋嗎？一石激起千層浪，學生的已有認知被喚醒和激活，他們紛紛表達和交流自己的見解。

教師趁熱打鐵，提出團隊挑戰任務，并引導學生思考：在這個任務中，我們需要解決的關鍵問題是什么呢？最后，老師帶領學生共同總結了工程問題解決的一般思路，并讓他們談談學習體會。

3.教學反思

改進后的教學設計不僅讓學生通過獨立設計方案增加了思考的時間，初步學會如何正確地解決問題，而且讓他們開展了一次任務兩次獨立自主的長時探究。第一次是在自己原有經驗基礎上嘗試完成紙繩、掛鉤制作連接的任務；第二次是交流研討后有意識、有目的、有方法的問題解決。兩次實踐是不同層次不同深度的探索，這樣的設計不僅體現以生為本的理念，保證了學生的科學探究有序地、深入地進行，而且促進了他們科學思維的發展，使他們獲得了豐富的成功體驗。

本堂課仍有值得改進之處，如在研討交流環節，采用何種方式可以充分激發學生的思維，讓學生思維更發散，想到更多、更好的讓紙繩變結實的方法等。

三、認識和體會

比對前后兩種不同教學設計的目標達成和學生發展情況，反思教學研究過程，我們對工程與技術類的拓展性課程有了更多的認識和體會。

1.基于學情確定教學內容

本節課的教學內容確定并不是一蹴而就的。究竟是設計同一個任務兩次挑戰，還是不同任務兩次不同形式的挑戰？我們認為，教學應著眼于學生的最近發展區，為學生提供具有挑戰性的內容，調動他們的積極性，發揮其潛能。過易或過難的教學內容都不利于學生潛能的激發。要考慮同一個任務是不是只設計一次挑戰活動，關鍵是看學生在個人挑戰時的成功率的高低。如果個人挑戰成功率高，可以在第二次挑戰時設計團隊挑戰任務；如果第一次個人挑戰成功率低，說明這個挑戰任務高于多數學生的認知和技能水平，就要設計同一個挑戰任務的兩次挑戰。

陶行知先生說過：“我們必須變成小孩子，才配做小孩子的先生。”教學設計之前，我們估計學生在6分鐘時間內個人挑戰成功率會比較高，于是找了一名五年級水平較高的學生進行前測：提供材料讓她進行個人挑戰。孩子拿到四分之一張報紙后，非常自信、不假思索地用剪刀把它剪成了很多條小紙帶。我們一開始很愕然，當看到她把小紙條與小紙條交叉編織，使紙繩變長時，才恍然大悟，原來該生受到前一課《報紙疊高塔》的影響，只是單純地讓紙繩變長，沒有考慮新任務要挑戰成功，紙繩的承重問題是關鍵。她花了15分鐘也沒有挑戰成功。

基于這個前測，我們發現即使對于水平較高的孩子，制作大力繩的第一次挑戰任務成功率仍然很低。原因是學生面對問題沒有養成先思考后動手的思維習慣，還會受到之前所學知識的負遷移的影響。于是我們果斷決定選擇同一個挑戰任務進行二次挑戰，讓更多學生在二次挑戰中可以體驗成功，掌握解決問題的方法。這個研究過程讓我們認識到，教師要蹲下身子看孩子，教師會不等于學生會，教師認為簡單的內容，學生并不一定覺得簡單，所以教學內容的設計要基于學情，要順應學生的認知水平。在教學實施中，第一次挑戰只有一個學生挑戰成功，第二次挑戰大部分學生能獲得成功，這也說明了基于學情合理選擇教學內容的重要性。

2.踐行科學方法教育

科學方法是指習得科學知識以及用科學決策、處理實際問題的思維方式和行為方式。科學方法主要有觀察、猜想與假設、測量、推理、控制變量、解釋、比較、類比、建模、估算（測）、圖示、表達與交流、數學等。

在本堂課的教學導入環節，教師分別出示高度為50厘米、103厘米高塔圖片的同時呈現50厘米、103厘米高度的報紙高塔實物模型。出示高度為168.5厘米高塔圖片時，教師問：你們知道168.5厘米有多高嗎？一個學生說比自己高30多厘米，另一學生補充說跟老師您差不多高，學生形象有趣的回答把在場聽課的老師都逗笑了。

改進前的設計只是讓學生通過觀察圖片和具體的數字來感知高塔的高度，對于四年級的小學生來說過于抽象，他們對用四分之一張報紙能疊出168.5厘米高塔難以產生驚奇感。新設計中增加了實物模型，有利于學生對高度的具象理解，調動了他們的已有經驗。他們用自己身高和老師的身高作為參照進行對比，不僅真切感受了高塔的高度，而且滲透了測量、類比分析等科學方法。

3.設計能促進理解的探究活動

科學探究過程中學生是否進行科學思維，這是判別科學探究“真”與“偽”的最基本尺度。課堂教學是教師的教和學生的學構成的一個有機整體，是教師有計劃、有目的地創設教學情境、促進學生發展的過程。在這個過程中，教師和學生的核心活動是思維。

為了發展學生的科學思維，本節課以一小張報紙和一個鉤子為活動材料，讓學生利用材料做出能提起一定重物的大力繩，設計了一系列有結構的、體現了學習進階的科學活動。

導入新課后，教師出示挑戰任務，讓學生自己獨立思考，用簡圖和文字的方式設計方案，通過畫圖建模使內隱的思維顯性化，這樣，學生不僅掌握了解決問題的基本方法，也培養了他們的思維習慣。一位學生在小結中感慨地說：“我知道了以后碰到問題或任務時，不要急于動手，要先想一想怎么做，再動手做。”

在第一次個人挑戰環節中，教師提供材料后，完全放手讓學生獨立實踐操作，方式不限、方法不限、思維不限。學生在沒有任何干擾、完全開放的空間一次次設計、一次次制作、一遍遍試錯，不斷發現問題并嘗試解決問題。這樣的教學，培養了學生的創新思維和創新意識，體現了以生為本的教學觀。

在研討交流論證環節，教師引導學生聚焦兩大問題：怎樣才能讓紙變結實？怎樣連接紙繩和鉤子？然后引導他們分析問題，尋找解決問題的合適方法。如學生運用卷、編、折、擰等方法讓紙繩變得更結實，運用打結、戳洞、環扣、打孔等方法來連接紙繩和鉤子。不同的方式方法既是學生已有經驗的呈現，也是他們在實踐中思考的結果。提出問題、分析問題是學生對問題的一種認知過程，這個過程影響著學生對問題的理解，也影響著如何選擇問題解決的策略。

4.科學論證要指向科學概念

在小學科學課教學中圍繞科學概念來組織教學，對提高學生的學習效率，促進他們的發展是十分重要的。有些事情他們可能并沒有遇到，但是可以運用已經建立的概念去理解、去擴展，學會運用核心知識和模型來“觸類旁通”。可以說，概念是兒童建構復雜能力的基石。

科學論證應當指向科學概念的理解與運用，發展學生已有的科學認知。改進后的教學設計中，大多數學生挑戰成功后，教學進程沒有就此打住。老師繼續引導學生嘗試用自己的話去解釋“為什么剛開始的一張報紙提不起重物，后來又提起了”。 學生們的思維閘門被打開： “團結力量大！”“因為力被分散了。”“就好像是一根筷子容易折斷，而十根筷子不容易折斷。”“因為紙繩變厚了，承受的力就更大了。”學生在一系列活動之后，通過梳理自己解決問題的策略，發現其中的奧秘，經歷了一次有意義的科學實踐。

在拓展提升環節，教師提出團隊挑戰任務并引導學生分析，使他們認識到要挑戰成功，關鍵問題是解決紙繩長度如何變為40厘米。 然后帶領學生梳理工程任務解決的一般思路，加深他們對工程技術、創新實踐的認識，拓展他們的科學思維。

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