以“設計”為核心的項目教學實踐

李情義 何彩霞

摘要： 以學生科學精神和實踐創新能力的培養為目標，提出以“設計”為核心的項目框架，開發“制作凈水器”項目教學案例。通過讓學生經歷運用科學和技術進行設計、制作產品和解決實際問題的過程，感受科學、技術與社會的聯系，培養學生理性思維、批判性思維和勇于探究的科學精神。并且結合教學實踐，從凸顯設計思維培養、體現科學概念及原理的理解及應用、小組合作探討實際問題的解決三個主要方面闡述以“設計”為核心的項目教學的教育價值實施策略。

關鍵詞： 科學教育； 設計； 項目學習

文章編號： 10056629（2018）9004205 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

在大力提倡發展學生核心素養的教育改革背景下，科學教育強調學生科學精神和實踐創新能力的培養。與之相對應，新頒布的《義務教育小學科學課程標準（2017年版）》[1]增設了“技術與工程”領域方面的內容，《義務教育初中科學課程標準（2011年版）》[2]也設有“技術設計”主題內容，期望通過這些內容的學習，學生能夠運用科學和技術進行設計和制造產品以解決相關實際問題，發展學生的實踐創新能力。如何在科學教學中開展體現以“設計”為核心的項目教學已成為教學研究的重要內容。

1 以“設計”為核心的項目框架及教學案例

1.1 項目框架

項目學習是學生面對復雜、真實問題展開的探究過程，也是精心設計項目作品、規劃和實施項目任務的過程[3]。以“設計”為核心的項目是指從實際需求出發，通過設計、制作及測試、改進，形成能夠解決實際問題的產品[4]，其基本框架（見圖1），包括： 實際需求——設計與制作產品（模型或原型）——產品測試與改進優化等要素。其中，“設計與制作產品”的過程體現了科學和技術的融合，即學生運用科學和技術進行設計，針對實際問題，從科學原理分析問題的實質，并依據科學原理從材料、結構及工藝等技術角度找尋解決問題的思路與方法；“產品測試與改進優化”是從產品效果、效率等方面測試產品功能，進而改進設計方案、優化產品，最終解決實際問題，這一過程重在培養學生質疑、批判性思維和不斷改進創新的科學精神。

1.2 “制作凈水器”項目教學案例

以上述項目框架為依據，結合不同階段學生學習和發展需要，在科學教學和化學教學中開展“制作凈水器”項目教學，其教學流程包括“明確任務——設計制作凈水器——產品測試與改進——分享與反思”（見表1）[5]。該項目教學以生活中產生大量污水、造成水資源的浪費為問題，引導學生明確設計簡易凈水器凈化生活廢水的任務；學生在小組中開展學習，通過觀察教師提供的一杯“污水”，分析討論得出污水中雜質的種類大致可分為難溶物、可溶物、微生物等。在教師問題引導下，學生了解混合物分離的先后順序： 先分離水中的難溶物雜質，再分離水中可溶性雜質；并且在分離難溶物雜質時還需要遵從顆粒由大到小的先后分離順序。基于這樣的分離順序，學生從結構、性質、用途的角度分析教師所提供的多種材料（包括小礫石、石英砂、脫脂棉紗布、高密度PP棉、低密度PP棉、厚PP棉、活性炭和礦泉水瓶）的特點并進行選擇。在充分理解科學原理和材料屬性之后，學生通過小組交流畫出設計草圖，進一步討論確定設計方案，畫出凈水器設計圖。按照設計方案和圖紙制作凈水器，在設計和制作的過程中，學生依據需要使用一些工具，如剪刀、裁紙刀、直尺、鑷子、攪拌棒等。對所制作的凈水器進行測試，記錄實驗數據進行分析，反思并優化設計方案和改進產品，展示與交流心得。

2 以“設計”為核心的項目教學的教育價值實施策略

2.1 凸顯學生設計思維的培養

設計思維是指人們在遭遇復雜現實問題時，能夠綜合運用自己已有智能，通過設計與思維雙螺旋結構的相互依賴與促進，不斷生成新問題解決策略，進而創造性地形成解決問題的思路與方案[6]。培養學生設計思維，是為了學生在面對復雜實際問題時，能夠對已有知識和經驗進行檢索和應用，搭建一個問題解決體系，并找到知識與現實問題之間的聯系。以“設計”為核心的項目，在規劃設計方案過程中學生需要對科學、數學、技術、藝術等領域知識進行聯合與集成，通過產品應用對象、應用情境分析，確定產品技術要求和目標，分析得出問題解決的框架，根據材料屬性尋找實現目標的方案。這一系列學生活動體現應用設計思維解決問題的過程。

在“制作凈水器”項目學習中（見圖2），學生確定產品應用對象和應用情境，分析得出“凈水器”產品要求，包括結構穩定、易于制作、過濾效率高等。想要達到這樣設計目標，學生確定問題解決框架，即材料、結構和功能，從這三個方面去思考每一個產品的要求，最終得到解決方案。例如想要凈水器過濾效率高，從材料角度可以充分利用高效的高密度PP棉，從結構角度考慮得到解決方案是遵從混合物分離原理、分級過濾的原則、層狀結構、結構緊實等等。

學生經歷的上述設計過程，體現了從“設計目標、根據目標建立問題解決框架、尋找解決問題的方案”等設計思維模型[7]，這一系列學生活動體現應用設計思維解決問題的過程。

2.2 通過畫圖將學生設計思維外顯

設計圖是產品設計中所應用的一種技術語言。以“設計”為核心的項目學習實施過程中，在方案設計環節要求學生通過勾勒草圖不斷完善設計方案，通過“設計圖”呈現確定的設計方案。學生作為設計者在畫草圖時不僅僅是通過圖樣的方式呈現大腦中的設計方案，而且草圖中蘊含了設計者畫圖時并未注意的靈感，設計者在設計過程中會根據草圖提供的原始意象與“草圖對話”[8]，激發、引入設計主體長時記憶內的、與該設計主題相關信息，對原草圖進行重新解釋，促使新意象（image）在頭腦中形成，激發產生新的創意[9]。

在“制作凈水器”項目學習中，學生在制定設計方案過程中，著重考慮的方面就是由不同材料組合而成的凈水器的結構，在畫草圖之前，學生在小組內對材料的選擇和使用先后順序等問題基本達到共識，然而在畫草圖過程中他們會發現很多沒有預想到的問題，例如礦泉水瓶能夠容納多少材料呢？每一種材料畫多厚呢？基于這一發現，學生開始拿起尺子測量瓶身高度和材料厚度，并將尺寸標注在草圖中（見圖3）。這些發現引導學生從材料用量角度重新規劃設計并調整方案。確定設計方案后，學生以設計圖的方式進行呈現，感受“設計”活動中畫圖的規范性。

學生經歷畫草圖的過程激發新的設計靈感進而完善設計方案，并通過設計圖的方式呈現最終設計，這一教學環節將學生創造性的設計思維外顯，使學生體會到畫圖在“設計”中的重要性，提升學生技術素養。

2.3 體現科學概念及原理的理解和應用

科學概念及原理是科學教學的重要內容。以 “設計”為核心的項目教學中，科學概念及原理是設計的重要依據，學生經歷設計、制作、測試、優化等產品設計整個過程體現其對科學概念及原理的理解和應用。

“制作凈水器”項目教學，學生進行初步設計時依據“水的凈化”相關的科學概念及原理，具體包括“生活廢水”中的雜質分類、材料的結構決定其性質和用途、溶解、過濾、混合物分離原則等[10]。若在小學5年級開展“制作凈水器”項目學習時，考慮到學生的認知基礎，其所涉及的相關原理見表2。

學生在制定方案之前了解“生活廢水”中的雜質可以分為難溶物和可溶物，通過閱讀資料得到“雜質顆粒物由大到小”的混合物分離原則，從結構的角度認識材料屬性和功能。在項目中應用混合物分離原則確定凈水器的功能結構先后為去除大顆粒難溶物、去除小顆粒難溶物、去除可溶性有機物。根據對材料的認識確定凈水器的材料應用順序大致為紗布、礫石、石英砂、PP棉、活性炭。依據產品要求思考材料的工藝處理方式，結合“凈水單元重復操作”等凈水技術完善設計方案。在產品改進優化階段，應用科學知識及原理從科學性、材料及工藝的角度分析問題并得到改進方案。

由此可見，學生在進行此類項目學習過程中，對相關的科學概念及原理有了更加深入的理解，并學會應用這些科學知識對產品進行檢驗和分析。

2.4 小組合作探討實際問題的解決

以“設計”為核心的項目學習采取小組合作的方式進行，小組成員提出創造性的問題解決方案并進行討論和篩選，通過動手制作模型再次思考設計方案的合理性，根據科學的測試結果綜合分析，改進方案并優化產品，整個過程學生在小組內合作探討解決實際問題，體會團隊的力量和合作精神的重要。

例如，“制作凈水器”項目學習以4人為一個小組進行，小組成員每人都有自己的身份和職責[11]（見表3）。在這樣的小組中，每個成員從不同角度監督和控制整個團隊任務完成的進度和效度，最終的“產品”體現著每一個成員的智慧和付出，使每個學生的使命感和成就感更強。學生在履行職責的同時，全程參與到小組活動的每一個環節中，使得活動參與度更高。

小組合作學習的方式中，教師的角色從科學知識傳授者轉變為以學生為研究主體的共同學習者。教師以任務驅動、問題啟發的形式與學生一起交流和研究，為學生搭建思維臺階，引導學生深入思考[12]。對學生遇到的問題不做“對或錯”的判斷，鼓勵學生“試一試”，通過實踐探究的方式尋找答案，為學生營造一個敢于發表自我想法的安全心理氛圍，為學生創造力的培養提供充足的空間[13]。

3 結束語

以“設計”為核心的項目框架對開發科學學習與實踐活動具有方法性意義，依據這一框架設計的制作水火箭、小氧吧、制作凈水器等項目學習活動，可直接應用于中小學科學教學和化學學科實踐活動。此外，“制作凈水器”項目學習已應用于中小學科學教師培訓，參與培訓的教師通過體驗式學習對以“設計”為核心的項目教學有了深刻的理解，這將有助于今后進一步在科學教學和化學教學中開展項目教學。

參考文獻：

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