設計制作便攜式干鞋器

楊曉娟

【摘要】工程技術的關鍵是設計，工程是運用科學和技術進行設計、解決實際問題和制造產品的活動。本課例的開發目的在于引導學生從生活中遇到的實際問題出發，將科學原理與技術進行巧妙的融合，引導學生在頭腦中的表象運作指導下完成手眼協調的操作過程。

【關鍵詞工程技術 ?便攜式干鞋器

【中圖分類號】G623 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2020）09-0250-02

本課選自教科版《科學》四年級下冊第一單元《電》最后一課。

從認識論角度來看本課：以學生在戶外運動時遇到的真實問題（唯一攜帶的鞋被弄濕，需要快速干鞋）引入，通過對市售干鞋器（電熱干鞋器）的調研——安全性、速干性和便攜性都無法滿足消費者的需求，從而產生發明一個新型便攜干鞋器的需求。支撐這項發明的科學原理正是學生們所學習的關于加速水份蒸發的知識，以及電路連接方法的應用。在這個過程中學生的認識實現了兩次倒轉，第一次是利用已有生活經驗解決生活問題的倒轉（在戶外如何解決快速干鞋），第二次倒轉是利用已有知識去設計制作技術實物的倒轉（水份蒸發和電路連接的綜合應用設計制作便攜式干鞋器）。經歷了兩次倒轉后，學生的已有經驗和知識均被喚醒，真正實現了科學原理和技術發明的鏈接。

從方法論角度來看本課：技術的對象是客觀實體，是在對客觀實體認識的基礎上，對各種實體的表象進行組合改造。本課由加速蒸發的方法（加熱、風吹、干燥空氣）之——風吹法為突破口，引導學生深入討論影響風吹法速干鞋子的影響因素（風速、蒸發面積、通風環境），基于此打開設計思路，對各種開放性材料進行改造和重組最終達成速干、便攜目標。在這個過程中學生既經歷了對便攜式干鞋器結構的設計也經歷了對技術實物加工流程的設計，形象思維方法貫穿設計過程始終。

一、教學背景分析

1.課標分析

2017版《小學科學課程標準》關于科學、技術和工程的關系是這樣描述的：工程技術的關鍵是設計，工程是運用科學和技術進行設計、解決實際問題和制造產品的活動。其中，明確指出3-4年級學生所要達成的學習目標是知道工程設計的基本步驟包括明確問題、確定方案、設計制作、改進完善等。針對一個具體的任務，按照設計的基本步驟來設計一個產品或完成指定的任務。對自己或他人設計的想法、草圖、模型等提出改進建議，并說明理由。

2.教材分析

本課的設計源于學生生活情境中遇到的實際問題（如何在戶外實現快速干鞋），需要學生綜合應用蒸發（加速水分蒸發的方法：加熱、風吹、干燥空氣）和電路（串并聯電路的特點和連接方式）的科學原理來解決。因此，將本課安排在學生學習了三（下）《水和水蒸氣》、四（下）《不一樣的電路連接》后，于教材四（下）《電》單元最后一課教授。

3.學情分析

本課重點關注通過對學生技術教育因素的培養提升學生問題的解決能力。為了解學生真實的認知水平，教師課前做了調查、訪談：

知識基礎：通過三（下）《溫度與水的變化》單元的學習，學生能夠說出加快水蒸發的方法。通過四（下）《電》單元的學習，能夠區別串聯和并聯電路是兩種不同的電路連接方法。但這些知識大部分是零散的，在遇到實際問題時，學生缺乏對所學科學原理的整合，缺乏綜合運用知識解決實際問題的能力。

設計基礎：由于“工程與技術”領域在新課標頒布之前一直沒有涉及，學生缺乏設計方面的經驗：空間想象能力不足，頭腦中構思的技術實物不能很好的轉化為設計圖，導致依圖制作時圖物不符;設計方面沒有全局觀念，只關注技術物（干鞋器）的局部結構，不能整體考慮技術物的功能，導致設計制作的技術物功能性和穩定性都不能達到理想的效果。

制作基礎：本次教學中使用的材料和工具雖然大都是生活中常見的，但是學生在選擇恰當的工具對材料進行加工以解決生活實際問題的經驗相對不足。

二、教學目標及重點、難點

科學知識目標：綜合運用水的蒸發、電路連接等方面知識，設計制作便攜式干鞋器;了解干鞋器的各部分組成及作用;在設計過程中了解簡單結構設計應考慮的主要因素;在制作過程中體會工具的使用技巧，探尋使作品符合要求的有效方法。

科學探究目標：通過設計制作便攜式干鞋器的活動，嘗試將所學的科學知識與實際問題相結合，提高動手操作能力及分析問題、解決問題的能力和創造能力。

科學態度目標：經歷設計制作便攜式干鞋器的過程，體驗這一過程中遇到的困難，感受解決問題之后獲得的喜悅。

科學、技術、社會與環境目標：了解并意識到人類對產品的改進以適應自己不斷增加的需求;了解人類的需求是影響科學技術發展的關鍵因素。

教學重點：設計制作便攜式干鞋器

教學難點：有目的地進行設計，能根據設計圖的信息，合理選擇材料與工具，并在制作過程中發現問題及時調整與修改設計圖。

三、教學過程設計及評析

（一）聚焦問題

近幾年有一項運動特別火爆——戶外徒步，在享受運動快樂的同時也難免遇上這樣的尷尬（出示PPT：你的旅行箱里唯一的鞋被弄濕了），通常你們是怎么處理的？

在解決戶外快速干鞋的問題時，你們覺得哪種方法更實用更可行呢？（頭腦風暴產生可行的解決方案）

如何利用風吹法設計制作一款便攜式干鞋器？這節課，我們一起設計制作一款便攜式干鞋器。（板書：設計制作便攜干鞋器）

【設計意圖】從認識論看，技術是滿足某種需求符合技術目的的操作流程形式。表現在設計制造過程是由需求出發，從而產生技術目標（觀念中的技術物）。教師以戶外徒步這樣一個學生們熟悉的生活場景引入，以弄濕鞋子后解決快速干鞋的問題聚焦，更容易喚醒學生已有生活經驗解決問題。

（二）引導設計

1.確認約束條件

（1）利用風吹法干鞋，它的效果可能受哪些因素的影響？

（2）哪些材料的設計可以增大風速？哪些材料的設計更利于增大蒸發面積？（PPT出示材料及工具，學生根據實際需要進行選擇）

（3）提出作品要求：速干、便攜。

2.設計草圖

（1）教師展示自己設計的干鞋器。在同學們設計之前，楊老師也想全方位展示一下自己的作品，同學們看看我的設計能否達成速干、便攜的目標。（生1：干鞋器設計得太大，不便攜。生2：風扇的角度設計的不合理，只能吹到鞋子的側面，吹不到鞋里）

如何在你們的設計中突破這些設計缺陷呢？

（2）小組討論，確定最佳方案;完成設計草圖的繪制，嘗試描述設計思路。（學生認識上的第二次倒轉）

從第一組學生的設計圖中可以看出，學生的設計具有干鞋器的基本結構（風扇安裝面板、支架、供電裝置），但受鞋盒子的影響學生把干鞋器設計成全封閉的，使濕的鞋子處于一個不通風的環境中，這樣的設計實際上不利于速干目標的達成，因此在評價時教師需要引導學生對全封閉干鞋器的設計展開討論并提出改進建議。

第二組學生的設計就更加趨于合理，有意識的對風扇吹鞋子的角度（通過增大蒸發面積加速水份蒸發）進行了設計，還兼顧了吹干襪子的功能。但是學生的初步設計都沒有考慮到便攜性，需要在匯報交流環節通過評價的方式改進設計。

通過本環節發現學生之間的設計還是有差異的，因此自然過渡到下面環節：評價改進本組設計。

（3）評價改進設計圖（學生經歷對干鞋器結構設計）

以組為單位向其他同學介紹本組的設計，在觀察和交流的基礎上，對他人的想法、草圖等提出自己的意見和建議，并能取長補短，有針對性的對自己的設計進行改進。

從改進后的設計圖中可以看出，學生不僅關注到影響速干效果的各個因素（風速、蒸發面積、通），還能通過可折疊和支架拼插的結構設計來解決便攜的問題

【設計意圖】本課所體現的技術類型屬于科學原理應用的技術，體現科學原理對技術產品生產的指導作用。此環節屬于原理設計部分，教師引導學生回顧水的蒸發和簡單電路串、并聯方法及原理，讓學生綜合運用已有的科學知識解決真實生活問題（如何設計便攜式干鞋器的結構以實現速干、便攜功能）。

（三）組織制作

1.引導學生進行制作前的思考（學生經歷對干鞋器制作流程設計）

①制作干鞋器的面板（考慮鞋的尺碼、干鞋的數量、風扇大小進行裁剪）②制作干鞋器的支架（考慮鞋面的高度、吹鞋的角度、通風、可否折疊）③粘合面板與支架④并聯風扇⑤安轉風扇⑥測試

2.以小組為單位展開制作，制作過程中發現設計中不完善的地方，及時修改設計方案。教師深入各組巡視，進行基本技法的講解，發現問題及時糾正與探討，做必要的指導。

【設計意圖】按照設計進行加工的過程，從人類技術化歷程看，至少經歷了兩個發展階段：一是以技巧為核心的動作技能階段;二是以設計為核心的智能技術階段。技術教育的過程體現在心智技能與動作技能結合的技術物設計制作過程。從方法論看，技術制作是頭腦中的表象運作指導下手眼協調的操作過程。

（四）展示評價

師：一項偉大的發明即將在我們課堂上誕生了，你們的作品如何打動在座的各位同學和老師，下面就請第一個設計師團隊登場。

1.以小組為單位進行作品展示，向其他同學介紹本組作品的功能、特色及創造性，也可介紹制作中遇到什么困難，是怎樣克服的，整個制作過程中有什么收獲、體會和感受等。

2.教師和學生共同對操作過程和作品質量進行評價，最后學生根據評價指標對自己的作品進行打分。

【設計意圖】通過結構設計與流程設計思路的的分享，初步建立設計思維模式;通過作品的展示與評價滲透工程設計批判性解決實際問題的思維方式。本環節引導學生通過合理的流程設計和工具使用解決實際問題（如何在有限的時間依圖完成便攜式干鞋器的制作）。經歷平面思維向立體思維的轉變，體驗簡單創意轉化為技術實物的過程。

（五）拓展延伸

今天，我們經歷了設計制作便攜式干鞋器過程，下節課我們將繼續對作品的實際干鞋效果進行測試，關于測試方法你們有什么想法？（生1：稱重比較干鞋器使用前后的效果;生2：在鞋表面畫上格子，計算格數比較）

【設計意圖】引導學生理解執行制作過程中及完成后有必要對產品進行機能測試與調整。

四、教學反思

1.通過科學與技術工程問題的有效結合，幫助學生將零碎的知識轉變成有效解決實際問題的知識體系。

科學問題源于自然，源于對某一現象的疑問，如水在什么條件下會變成水蒸氣？技術工程學則源于需要解決的某個問題，例如怎樣讓鞋子速干？這兩個貌似不相同的問題，其本質卻都是水的三態變化問題。本課的教學不是簡單地將科學與技術工程組合起來，而是以設計制作便攜式干鞋器這個活動為載體，把學生的零碎知識與機械學習過程轉變成一個探究世界相互聯系的過程。

2.關注對學生設計思維能力的培養。

在設計制作便攜式干鞋器的實踐活動中，學生經歷了兩次設計：結構設計與制作流程設計。通過學生認識上的兩次倒轉達成了對便攜式干鞋器結構的設計（結構的設計：首先，不同性質的技術物需要不同的材料。其次，材料的形狀和各種形狀的材料構建起結構并實現技術物的功能。最后，技術物的工作或驅動需要動力，本課主要是電力）。在團隊的協作中體驗制作流程的設計（①制作干鞋器的面板②制作干鞋器的支架③粘合面板與支架④并聯風扇⑤安轉風扇⑥測試）。綜上，學生在設計干鞋器的過程中始終在權衡與對比中達成對問題的最佳解決路徑，進而豐富和完善自身的設計思維層次;通過對對設計自身的不斷顛覆與重構以促進思維的發展。

3.學生的技術體驗遵從技術產品的生產過程。

技術產品產生的全過程是依目的進行產品結構設計與生產流程設計，根據設計生產出產品，通過試驗進行評估與改進，再通過產品的應用或使用，對產品的功能、效果進行評價 。 不同于以往對成熟技術產品的模仿，便攜式干鞋器的選題因學生實際生活的需要而產生，是一個能夠解決真實生活問題的技術產品。從最初的創意到結構的設計，從結構的設計到加工流程的設計，從設計轉化為技術產品，最后進行測試評價。學生的技術體驗完全沉浸在真實技術產品生產的氛圍中。