基于情、知、言的應用延伸型小學科學工程設計課

陳航

【摘 要】工程教育融入科學教育是小學科學教育的必然趨勢。文章針對學生在工程設計學習中存在的困難，以教科版三年級“我們的‘過山車”項目為例，針對應用延伸型這一工程設計課提出教學策略。從情、知、言三個方面開展教學，即創設真實情境，激發學習動機；突出核心要素，把握工程設計本質；變革對話方式，激發工程思維。

【關鍵詞】小學科學 工程設計 應用延伸型 教學策略

【中圖分類號】G613? ? 【文獻標識碼】A? 【文章編號】1002-3275（2023）12-60-03

在STEM教育理念的引領下，科學教育與工程教育的融合進一步加深。在科學課程中融入工程實踐，把工程設計的能力視為科學素養的組成部分，是目前許多國家科學教育的創新變革。《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱課程標準）將工程設計與物化列為13個學科核心概念之一，并將工程實踐能力和科學探究能力視為同等重要，組成“探究實踐”核心素養。在課程標準的引領下，教科版小學科學教材新增技術與工程的相關內容，以工程設計為中心的內容占有一定比重。本文針對小學科學工程設計課提出教學策略，以期促進技術與工程的教學在科學教育中真正落實。

一、學生工程設計學習的困難

在教科版三年級“我們的‘過山車”項目教學中，學生上交的設計圖作業存在以下問題：首先學生的設計圖與課上嘗試搭建的模型不一致，無法根據所給材料搭建模型；其次設計圖表達不清，根據設計圖無法正確將過山車模型搭建成型；最后學生對工程設計圖的作用和意義缺乏正確認知。

另外，筆者采用前測問卷對學生的工程設計能力進行調查，發現學生懂得應用科學知識進行設計，借助模型作出方案決策，但在設計時缺少思考多種方案的意識，不能系統深入地考慮設計要求，設計圖規范意識較弱。

結合“我們的‘過山車”項目作業和調查結果發現，學生由于缺少工程設計相關知識的學習，對工程設計本質缺少準確認知，工程設計能力相對較弱，因此如何在工程設計課教學中保證科學知識有效傳授的同時，使學生更好地理解工程設計內容，提升工程設計能力，是教師面臨的重要問題。

二、應用延伸型小學科學工程設計課

工程設計是學生工程活動的核心，是以解決某一真實問題為目的，在受到現實條件制約下，進行工程方案設計，并通過建模檢驗、優化迭代，得出最終問題解決方案的一個非線性過程。在工程設計中，往往會產生工程設計圖、工程模型等成果。從目標上看，科學探究是人們探索和了解自然以獲得知識和規律，而工程設計則是為了解決某一現實問題。從過程上看，科學探究更強調證據對結論的解釋，而工程設計更關注客戶需求等現實條件因素的制約，其所獲得的數據是為了檢驗和修改解決方案。從成果上看，科學探究往往得到的是科學理論、定律等，而工程設計得到的是直接的設計方案。

梳理國外工程設計融入K-12教育的發展歷程，發現工程設計經歷了作為教學方法、作為學科實踐融入科學教學、作為學科核心觀念成為科學課程的一部分三個過程。［1］在具體的教學中，科學探究與工程設計的整合可以分為應用延伸型、工程框架型、設計即探究型三種教學過程模式。［2］應用延伸型模式關注學生應用已有科學知識完成具體的工程設計任務，培養學生的工程設計能力，以工程設計為主；工程框架型模式是學生在工程設計項目的總框架下，以設計需求帶動科學探究，探究成果反饋于設計結果，其中工程和科學的重要程度相當；設計即探究型模式則以科學探究為主，在完成工程設計任務的過程中完成科學規律的探究，其中工程設計更像是一種探究手段。

在小學中段科學課程中，工程設計課通常出現在單元內容的最后，以工程設計學習為主，同時深化鞏固已學知識，對應應用延伸型的工程設計教學類型。“我們的‘過山車”是教科版小學科學三年級第一單元“物體的運動”中的項目，學生需在明確設計要求的基礎上，應用本單元前幾課所學的直線運動、曲線運動、在斜面上的運動等相關知識，根據工程設計的基本步驟，完成設計、制作和評價過山車模型等任務，是非常典型的應用延伸型項目。

三、應用延伸型小學科學工程設計課教學策略

面對應用延伸型這類“科—工”整合課堂，可以從情、知、言三個方面開展教學，三個方面對應的教學策略如圖1所示。三個方面的策略環環相扣，共同助力教學。

（一）創設真實情境，激發學習動機

真實的工程設計實踐更有助于學生的深度學習。當學生聽取用戶需求，并圍繞用戶需求進行工程設計時，其論證能力更強，更能建立復雜的聯系。在創設項目情境時，要考慮幫助學生形成工程師的身份意識，讓學生面對真實的客戶，明確現實條件限制和客戶需求，使任務更復雜和更具挑戰性。由此學生可以體會工程學習能服務于生活，促使學生結合已有經驗，明白探索新知的價值。同時，賦予學生工程師的身份，可以引導學生了解工程師的工作任務，使學生體會工程師的職業責任感，從而更主動積極地參與活動。因此，教師在創設情境時，應更關注情境的真實性。

例如在“我們的‘過山車”項目中，創設情境“你所在的公司接到了游樂園的委托，需要設計一座過山車軌道，公司把這個任務交給了你，相信你能出色地完成”，讓學生作為工程師解決情境問題。首先請學生談談印象中的過山車軌道，以及想要設計的過山車軌道，幫助學生初步熟悉設計對象。在初步交流后，學生能快速建立起工程師的形象輪廓，對設計任務表現出較強的學習興趣。教師需向學生說明設計要求，包含過山車的結構、功能、材料等多方面要求，必要時教師應根據學生現有水平和能力特點對設計要求進行簡化。這一要求突出了工程設計的現實性，也引導學生圍繞用戶需求提出合理的設計想法。

（二）突出核心要素，把握工程設計本質

教師應突出核心要素，并注重科學知識的有效運用，引領學生進入“設計世界”，把握工程設計的本質。

1．設計圖樣的規范繪制

學生在設計圖紙的過程中可以與同伴自由交流想法，使工程設計成為一種共享認知的活動。另外，小學生仍然依靠具體事物完成形象感知，借助設計圖更能幫助學生將設計想法外顯化、思維可視化。在小學低段，可以指導學生以草圖的形式呈現設計想法，而在小學中高段則應教授學生更規范的設計圖繪制方法。規范、清晰的設計圖更能體現設計想法的價值，使他人通過設計圖能快速、清楚地了解并實施設計方案。因此，教師必須幫助學生形成規范制圖的習慣，并根據不同學段調整繪圖方式和要求。

在“我們的‘過山車”項目中，由于學生第一次接觸規范的設計圖繪制，因此設計圖繪制是教學重點。呈現設計圖案例可以為學生提供腳手架，提供思考、參照的真實對象。此外，還需要強調設計圖的意義，引導學生思考設計圖的繪制規范。接下來給予學生充分的時間，結合已有生活經驗展開交流。針對學生未能說出的要點，教師則需要出示設計圖案例引導學生自主發現。最后呈現完整的圖示，總結設計圖繪制的規范要求。

2．產品的迭代優化

設計不是一蹴而就的，迭代優化是工程設計的重要特點，這也說明工程設計過程是一個非線性的過程。工程師需要結合測試審視現有的解決方案是否滿足用戶需求，發現存在的問題及其原因，制訂修改方案并改進，如此循環直到得到最終作品。相比于完成設計的過程，優化過程對學生的能力要求更高，更具有挑戰性。因此，教師要讓學生明白失敗和重新嘗試是工程設計的重要部分。對此，教師可以幫助學生分析設計要求，引導學生系統性地觀察分析模型結構，找出改進方法，還可以組織學生分享在設計活動中的成功或失敗經驗，共同討論改進策略，通過圖式、寫作等形式的反思性實踐來記錄反思優化的過程。總之，教師應幫助學生建立不斷嘗試的信心，使學生掌握迭代優化的方法和技能。

例如在“我們的‘過山車”項目中，學生通過測試很容易發現小球運動時間不滿足要求，此時教師引導學生結合運動的快慢知識思考“小球在什么情況下會運動得更慢”，由此引導學生關注到運動快慢與運動時間和運動距離的關系，再進一步建議學生根據這個知識點改進設計圖。在教師的鼓勵和引導下，學生充滿興趣地投入討論和改進工作中。小組測試成功后，根據改進的結果重新修改和完善設計圖。

3．方案的比較權衡

在工程設計中需要比較多種方案，選擇最優方案。不僅如此，還需要充分考量時間、人員的分配，材料、工具、機器的選擇等方面，因此這個過程尤其考驗學生比較權衡的能力。通過對兩個相互競爭的標準進行權衡，可以使學生的優化能力得到發展。對小學生來說，比較權衡是較難的部分，因此可以鼓勵每個學生進行獨立設計，再通過小組討論確定最優方案。另外，教師要注意在材料工具呈現上盡量多樣化，使學生可以根據方案作出最合適的選擇。

在“我們的‘過山車”項目中，學生同樣會面對許多需要選擇的環節，如選擇不同的材料和軌道的連接方式。學生在未受到啟發時容易出現單一的思考方式，因此教師可以引導學生發現不同材料和所有可能的連接方式，鼓勵學生比較不同連接方式的優缺點和適用位置。通過開展比較選擇環節，學生學會根據軌道的不同位置選擇合適的連接方式，增加了作品的多樣性。

（三）變革對話方式，激發工程思維

科學課堂中的對話有著非常重要的作用，通過變革師生對話和生生對話，能夠幫助學生更好地參與工程設計，并進一步激發學生的工程思維。

M Windschitl、J Thompson、M Braaten在Ambitious Science Teaching中提出，應多和學生展開以下形式的對話：提醒（如這一點很重要）、挑戰（如你怎么認為）、補充（如誰還想補充）、聯系（如它們有怎樣的聯系）、驗證和澄清（如所以你想說的是什么）、基于證據的推理（如我們是如何發現的）、進一步推理（如再多說一點）。在基于工程設計的課堂中，教師應該給予學生更多的表達機會，以問題來引導學習，這些問題應該是盡可能開放、建構式的，并且可以幫助學生代入工程師的角色來思考和解決問題，以此幫助學生發展技術，形成工程思維習慣。在布置任務時，教師可以提問：如果要滿足這些要求，產品的結構應如何設計？誰還想補充其他想法？在巡回指導時，教師可以提出以下問題：①為什么這部分是這樣設計的，你是如何考慮設計要求和限制的？②你打算用這部分工具做什么，為什么選擇這個工具？③你對這些材料的了解有多少，這些材料最終應放在哪里？④你的原型測試達到了哪些設計要求，還有哪些未滿足？如果對這部分作出改變，測試結果可能會發生什么改變？在評價交流環節，教師可以提問：你在組內的分工是什么？你做了哪些事幫助小組更好地合作？產品的測試結果是怎樣的？所以它說明了什么？你滿意你的設計嗎？

工程設計是一種協同合作活動，同伴之間的對話有助于達成活動目的，學生在對話中應學會利用證據來支撐自己的想法和建議。有學生提出了一個改進方法，而其他學生對此表示懷疑，這在工程設計中是非常常見的，這時候學生應嘗試獲得數據，用證據來支撐自己的想法。教師要鼓勵和引導學生積極對話，引導學生積極交流設計想法，學會工程設計中的表達方式。另外，對于小學生來說，利用材料工具來建立模型或原型，可以更好地幫助他們表達想法，提升對話的有效性。

對于學生來說，工程設計是工程活動的核心，教師通過有效的教學策略能讓學生明白工程核心概念和方法，使學生形成工程思維，進一步提升科學素養。在教學實踐中發現，在應用延伸型工程設計課中創設真實情境、突出核心方法和思想、改變課堂對話方式能夠提升教學效果。教師把握“科—工”整合的思路，探索不同類型的工程設計任務、有效教學策略，是深化小學科學工程設計教學的重要方向。

【參考文獻】

［1］黃樺．以工程設計為中心的“K-12工程教育”：源起、內涵與實施策略：美國《以調查和設計為中心的6-12年級科學與工程》之啟示［J］．遠程教育雜志，2019，37（4）：73-84．

［2］唐小為，王唯真．整合STEM發展我國基礎科學教育的有效路徑分析［J］．教育研究，2014（9）：61-68．