“設計類”科學拓展課的課型模式探微
2018-04-12 00:00:00章雅菁
湖北教育·科學課 2018年3期
“設計類”科學拓展課的特征剖析
科學課中傳統的、經典的教學流程是從問題出發，設計方案并付諸探究，解決問題或了解物件的結構原理。我們將這種構思嫁接到科學拓展課上，并衍生出一類具備實踐價值的課型——“設計類”科學拓展課。這里，“設計類”科學拓展課是一個相對模糊的稱謂，即其概念外延不夠明晰，而其概念內涵在一定程度上是相對明確的，我們可以概括出該類課型的若干特征。
第一，以人工產品為學習對象?！霸O計類”科學拓展課在教學中的關鍵活動為“通過設計和制作一件作品或產品，了解設計作品、完成項目的基本過程”。例如，已經有老師以“公平杯”“尿娃”“欹器”“平衡鷹”“比重計”等器具為教學載體，給我們呈現了極其精彩的課例。
第二，以學生實踐為課堂重心。這類拓展課指向大概念“科學發現的知識可以用于開發技術和產品，為人類服務”，使學生在課堂中體會到“做”的成功和樂趣，真正經歷做中學和學中思，進一步體驗科學技術對人類生活和社會發展的影響。
第三，以建模方式為教學手段。這類課型在具體展開的過程中，很少會直接拿出實物進行解剖分析，而是往往借助建模的方式展開教學，以提高學生的分析和設計能力，實現學生對所學知識的綜合應用。
“設計類”科學拓展課的課型模式
依據課型特征，并結合前期大量的、優秀的課例，我們可以提煉出“設計類”科學拓展課的課型模式（如圖1）。
“設計類”科學拓展課的教學主線首先就是“聚焦問題—設計作品—制作應用—效能評估”，而后學生在試用中再次發現、聚焦問題后，經過多次設計、改進作品，進行二次效能評估（有可能是多次），最終才能指向真正的產品。
在這一過程中，學生始終在問題的驅動下，興趣和求知欲得以激發，同時在動手實踐的過程中真正體悟到“設計”的魅力。本文將結合課例《自制比重計》對此課型模式作進一步的闡述和說明。
“設計類”科學拓展課的課例剖析
拓展課《自制比重計》源自教材《探索馬鈴薯沉浮的原因》一課中的插圖（如圖2）。教材只是點到為止地提及有一種能夠比較液體輕重的儀器叫做比重計，并沒有對其原理進行探究，而是重在工具的應用。緣于此，我們以此為基點，并遵照“設計類”科學拓展課的課型模式，進行了課堂實踐。
1.聚焦：觀察現象，提出問題
從生活現象和生活經歷中發現可探究的科學問題是對學生科學素養的一種培養，也是促進學生進行自主探究的興趣激發點，更是引導學生將書本中所學的科學知識運用到生活中的一種方式。
在《自制比重計》一課中，教師先出示塑料塊、清水、濃鹽水、酒精等物體每立方厘米的質量，然后讓學生聯系已學過的知識，利用所給數據判斷塑料塊在這些液體中的沉浮情況。接著，教師將同一個塑料塊放在清水和濃鹽水中，并標記出吃水線，引導學生發現塑料塊在清水和濃鹽水中上浮的高度不同。教師再從這一發現中順勢引出問題：是不是可以用塑料塊來判斷不同液體的輕重？
這樣的問題聚焦方式一方面基于學生對《沉與浮》單元的認知能力，另一方面也源于他們的生活積淀，自然而貼切。在本環節教學中，先根據數據從理論層面進行沉浮判斷，再利用實物進行實驗驗證，讓學生親眼驗證自己的判斷，考查自己的已有知識水平。尤為關鍵的是最后引出問題的點睛之筆：教師要讓學生的思維不僅僅停留在觀察到的現象上，而是從“塑料塊上的兩個標記”出發，經歷新的思維碰撞，為構建新知識做好準備。這種溫故知新既符合學生的認知規律，又能直接切入主題，讓學生直截了當地明確本節課的課堂教學目標，也為學生提供了有探究價值和可行性的科學問題。從課程開發角度而言，屬于從學科教材的某個基點出發作進一步拓展延伸，是常見拓展課的開發方式之一。
2.感悟：初次設計，嘗試制作
工程的關鍵是設計，設計的方向是為了滿足人類與社會的使用需求，需要考慮可利用的條件和制約因素。由于小學生的年齡及認知能力有限，因此這一過程需要教師的適當引導和指導，但教師不可過度指導而扼制學生的創意和想象力。光有設計等同紙上談兵，學生還要根據自己的設計意圖分析可利用的資源，盡可能嘗試著將自己的設計制作成實物。
承接《自制比重計》一課前面的流程，教師引導：類似塑料塊這樣，可以比較液體輕重的儀器就叫做比重計。你覺得比重計應該具有怎樣的特點？像塑料塊這樣方便嗎？學生在交流中逐步明確制作比重計的材料需要具備細、長、可以浮在水面上等條件后，教師又根據學生的建議提供了3種細長條材料：木條、塑料吸管和泡沫條。將吸管插入水中，一松手，吸管馬上傾倒漂浮在了水面上。這一現象使學生進一步考慮到比重計還需要直立浮于水面，而不僅僅是浮起來就可以了。教師利用一個不倒翁進行引導，再給學生提供橡皮泥和焊錫絲2種配重材料。此時，學生已經明確了設計目標，他們能將5種材料自由組合，在記錄表上進行設計。最后，再讓學生根據自己的設計圖紙制作比重計，并在清水中不斷嘗試、調整，制作出盡可能多的、不同材料組合的、能成功直立浮于水面的比重計。
上述教學環環緊扣、逐層遞進，讓學生感悟到產品的制作離不開設計，設計的方向源于人們使用的需求。提供3種細長條的材料和2種配重材料使學生有更多的選擇，設計方案得以豐富，能更好地培養學生思維的深度和廣度。從學生的嘗試制作過程來看，學生在不斷改進自己的設計方案，一步步向達到使用需求這一目標靠近。這一學習過程使學生對新知識的獲取不再是簡單的接收，而是自主習得，收獲顯然更多。此外，為了更好地凸顯設計這一理念，對比重計的探究采用了建模的方式逐步揭開暗箱，指向原型的結構和原理。
3.理解：二次設計，檢測效能
學生通過之前的嘗試設計和制作對產品的工作原理有了初步感悟，但產品從最開始的雛形到成品，是一個不斷改進的過程。學生再次設計、反復嘗試的過程，也是對產品原理不斷理解和深入的過程。
自制比重計的過程中，學生已經將自己的設計創意轉化為了實物，每組基本都有幾種形態各異的比重計。教師再出示新任務：用自制比重計區分濃鹽水和淡鹽水。活動中不斷淘汰、改進比重計，最后挑出一支最理想的比重計。
看似一個很簡單的任務，但學生在實際操作中遇到了種種困難：塑料吸管上加焊錫絲的量很難把握；塑料吸管加橡皮泥的組合比較容易進水；木條的吸水性強導致不夠精確；泡沫條雖然使用起來較準確，但是比較容易斷，不易制作和攜帶等。教師引導學生對比重計的每一次改進，都要從使比重計更加精準、便于使用、方便攜帶和節約成本等方面進行考慮，使學生感受到利用科學技術設計和開發產品是為了更好地適應人類與社會的需求。
4.應用：三次設計，趨向產品
工程的設計和評估過程具有反復性，這種反復的評估和再設計可以不斷地優化設計方案。當學生在不斷優化設計、改進產品、自認為產品越來越接近市場需求時，教師應引導學生進行進一步的檢測與評估，這種對新知的應用與遷移會再次沖擊學生的思維，使學生意識到設計產品不是簡單的手工制作，需要有科學理論依據的支撐，更需要設計的不斷優化和制作的持續跟進。
《自制比重計》的教學中，學生借助濃鹽水和淡鹽水的判斷活動，淘汰存在明顯缺陷的比重計后，教師引導學生作進一步篩選，挑出自己組內制作最為滿意的比重計再檢測。筆者為學生提供了清水、濃鹽水、牛奶、酒精、食用油這5種常見的液體，請學生用組內最滿意的比重計來測試比較這幾種液體的比重大小。檢測結束后，請學生互相交流實驗過程中所遇到的問題，引發學生進一步思考：推向市場的比重計還需要做什么樣的改進？
經過多次設計改進后的比重計雖仍有欠缺，但是學生經歷了這一再設計和檢測的過程后，他們對于目標產品（市場上的比重計）有了更加深刻的認識。這一活動，以進一步篩選改進比重計為主，以比較不同液體的比重為輔，這既是對知識的一種應用和遷移，也是進一步優化和完善比重計這一產品的重要步驟。
“設計類”科學拓展課的課型模式，始終抓住“聚焦問題—設計作品—制作應用—效能評估”等基本環節，在反復設計、發現、討論、再設計、再改進的過程中，實現產品的最優化。這一過程，培養了學生的創新意識，激發了他們的創新潛能，實現了技術設計、制造產品和解決實際問題的目的。這一類型的課既要指向大概念，又要符合兒童的認知規律，在兒童的能力范圍內進行設計開發，兼具一定的挑戰性和創新性，使學生的科學思維水平和創新能力得到真正的拓展和提升。
浙江省杭州市景成實驗學校
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