選擇有結構的材料 提高有效“方案設計”

江蘇丹陽市華南實驗學校 朱小琴

2017年，教育部發布新修訂的《義務教育小學科學課程標準》新增了“技術與工程”領域的學習內容，重在引導學生“像工程師一樣”，經歷“明確問題、前期探索、方案設計、制作模型、評價改進、展示分享”的工程活動過程，培養學生的工程實踐能力。體驗工程的核心在于設計，所以，學生在工程體驗活動過程中的“方案設計”尤為重要，直接影響作品制作或解決問題的效果。

有結構的材料是指教師經過精心設計的典型材料的組合。這種材料組合，既能揭示與教學內容有關的科學概念或原理，又符合學生的年齡特征和認知規律，使學生通過對材料的探索來合理解決問題。因此，在學生“方案設計”環節中，要為學生準備有結構的材料，這樣才能提高“方案設計”的有效性。

一、選擇有結構的材料，細化設計重點

在工程施工前為什么要先“設計方案”？其目的就是盡可能地降低工作過程中的返工、錯誤與偏差。同樣，在體驗工程實踐的活動中，“設計方案”的目的也是讓學生在制作作品（模型）時有圖可依，否則，就失去了“方案設計”的意義。但在教學實踐過程中，我們發現學生在作品制作或模型制作環節，并沒有按照“設計方案”來制作，有的制作出來的作品與方案設計分明就是兩碼事。

例如，在教學二年級的“自制小溫室”時，筆者為學生準備了保鮮膜、塑料袋、吸管、細木條、鐵絲段等豐富的材料，學生利用這些材料也設計出了許多方案，有大棚式的、小屋式的、立體式的。但在制作“小溫室”的過程中，很多小組都沒有制作完成，即使完成的小組，與“設計方案”比對也相差甚遠。為什么會出現這樣的情況呢？筆者通過與學生交流，發現方案中沒有考慮材料尺寸、材料數量是最主要的原因。學生在設計方案的過程中，主要考慮的是“小溫室”的結構和形狀，缺少對材料尺寸、材料數量、材料連接的細節考慮，從而導致在作品制作環節中邊做邊想。于是，在后來的教學中，筆者不僅給材料標上了長度、數量，如鐵絲段長60厘米，共10根；吸管長15厘米，共有12根；細木條長50厘米，共10根等。而且以“設計溫馨提示”的形式提醒學生在設計圖上標出“小溫室”的尺寸、材料的長度、材料的數量，讓學生明白設計“小溫室”不能隨心所欲，需要考慮“小溫室”的大小，然后根據“小溫室”的大小來確定材料的尺寸、材料的數量，學生呈現出來的“小溫室設計圖”一目了然，有據可依。在后來的制作過程中，學生基本都能根據方案完成，即使有方案考慮不全，在制作過程中稍做完善就可以了。

二、選擇有結構的材料，突破設計難點

在平時的教學中，總有教師會這樣想：為什么學生的“設計方案”都差不多呢？怎么就沒有有價值的“設計方案”出現呢？“設計方案”對于小學生來說是不是太難了？其實問題的關鍵在于要用有結構的材料加以突破，也就是說，教師在給學生提供制作材料的時候，一定要明確為什么要選擇這些材料，選擇這些材料要達到什么目標，而不是簡單的依據教材提供材料。

例如，在教學二年級的“制作風向標”時，教材為學生提供了一組制作材料：一張卡紙、一根吸管、一支帶橡皮的鉛筆、一根大頭針。學生根據材料進行“風向標”方案設計。從學生設計的方案來看，很多學生都知道用吸管來做指針，然后用大頭針將吸管插在鉛筆的橡皮頭上，但是沒有學生考慮大頭針應插在吸管的什么位置。大頭針插在吸管的位置很重要，只有將大頭針插在指針的重心位置，指針才會平穩轉動。對于二年級的學生來說，在設計方案的過程中能主動考慮重心位置確實有些難度，但是重心位置又是制作的一個難點，怎么辦？經過思考，筆者對吸管進行了改進，提供給學生的吸管上扎有三個孔：吸管的中心位置一個孔，在中心位置兩邊各一個孔。從制作材料上為學生突破設計難點搭建一個支架。這樣，學生在設計方案的時候就有意識地對吸管上的小孔進行思考、選擇，而且還出現兩種觀點的爭論：一種觀點認為大頭針應插在吸管的中心位置；另一種觀點卻認為不應該插在吸管的中心位置，因為箭頭、箭尾不一樣大，應該稍稍偏一點，學生們的觀點正是“重心位置”和“中心位置”的爭論。筆者認為，這樣有爭論的方案設計才是有思維深度的方案設計，才是最有效的方案設計。

三、選擇有結構的材料，豐富設計想法

“技術與工程”領域中的“方案設計”，主要是學生根據自己已有的知識、技能和生活經驗，利用現有材料進行的一項創造性活動。“巧婦難為無米之炊”，制作材料無疑就是學生方案設計的“米”，無“米”肯定不行，而且“米”的好壞也直接決定了“飯”的質量。

例如，“自制望遠鏡”在設計上就有兩個重點：要有合適的透鏡組合和合適的鏡筒長度。為了突破“合適的透鏡組合”，筆者在執教時，試圖在“方案設計”環節讓學生通過嘗試透鏡的各種組合“發明”望遠鏡。在最初設計時，筆者給每個小組（每組4人）提供了8塊透鏡——4塊凸透鏡、4塊凹透鏡，但最后學生設計出來的方案并非筆者預期的那樣，大部分小組只有一種組合，有的小組有兩種組合，個別小組有三種組合，沒有一個小組全面考慮到四種組合，而且學生的思維一點也不活躍。這是什么原因造成的呢？通過仔細分析，筆者覺得提供給學生的鏡片數量不足可能是主要原因。學生看到材料，每人拿了兩塊透鏡后，就沒有多余鏡片了，而且學生的注意力都在自己拿到的鏡片上，不會相互交換鏡片，所以想法就被限定了，僅僅考慮到自己拿在手上的透鏡組合，沒有能進行多種組合的思考。于是，在后來的教學中，筆者給每組的透鏡數量加倍：8塊凸透鏡、8塊凹透鏡。由于學生每人取兩塊，每組還多余8塊，學生可以隨意更換透鏡，最后幾乎每組學生都設計出了四種不同的鏡片組合。

實驗材料是學生探究活動的重要載體，同樣，制作材料也是學生設計方案的重要載體。因此，教師應該根據方案設計的重難點，提供合適、多樣的材料，通過材料引發學生深入思考，豐富學生的設計方案，培養學生縝密的思維。

四、選擇有結構的材料，完善設計層次。

蘭本達教授認為，有結構的材料就意味科學概念。科學概念的結構是有層次的，因而給學生的材料的結構也應是有層次的，不同層次的結構材料能引導學生獲得不同的發現。同樣，在“設計方案”過程中，學生的認知是需要過程的，而且設計的需求也會隨著問題逐步解決而發生變化，是需要不斷完善、不斷深入的。因此，材料也需要滿足這樣的過程與變化。

例如，在執教《擰螺絲》一課時，筆者就為學生準備了一組材料：十字螺絲（1號）、一字螺絲（2號）、大十字螺絲刀（A號）、小十字螺絲刀（B號）、一字螺絲刀（C號），而且選擇的十字螺絲用大十字螺絲刀（A號）和小十字螺絲刀（B號）都能固定。為什么這么選擇？目的就是用簡單的材料讓學生在解決問題的過程中，層層推進，不斷完善設計方案。首先給學生提出設計任務：用擰螺絲的方法固定小板凳，你打算選擇幾號螺絲？哪把螺絲刀？面對這個任務，學生都很有信心地提出了自己的解決方案：有學生提出選擇十字螺絲（1號）和大十字螺絲刀（A號）；有學生提出選擇十字螺絲（1號）和小十字螺絲刀（B號）；還有的學生提出選擇一字螺絲（2號）和一字螺絲刀（C號）。當學生按照自己的設計選擇了螺絲、螺絲刀進行操作后，發現固定十字螺絲，大小兩把十字螺絲刀都可以完成。當學生都認為自己設計的方案可行時，教師提出了第二個任務：大、小兩把十字螺絲刀都可以用來固定十字螺絲，那用大十字螺絲刀和小十字螺絲刀來固定同樣的螺絲會有什么不一樣呢？學生通過操作比較，發現用大十字螺絲刀來固定更省力，從而讓學生明白在選擇工具的時候不僅要選對，而且要選擇最合適的，這樣工作的效率才能提高。

總之，小學科學教師應根據學生的認知基礎，結合教學內容，增強材料的結構性，幫助學生細化設計重點、突破設計難點、豐富設計想法、完善設計層次，努力提高“方案設計”的有效性。