科學學科項目化學習實施策略
——以“玩轉泡泡機”為例

張 健,薛苗苗

(南京市櫻花小學,江蘇南京,210018)

21世紀的科學教育目標是培養擁有科學素養的人,我國小學科學課程的總目標是培養學生的科學素養。科學素養包括科學知識、科學研究過程和方法、科學技術對社會和個人產生的影響三個部分。[1]指向科學素養的科學教育不僅要注重科學知識的學習,還要注重知識與發展世界的聯系,更要注重學生的技能、思維與人文精神,強調的是任務驅動學習和主題式學習。[2]在這樣的素養時代背景下,項目化學習應運而生。在進行項目化學習的過程中,學生在工程思維的指導下對工程問題進行科學的認知、判斷和解決,能夠像工程師一樣解決實際問題。本文以“玩轉泡泡機”活動為例,探討科學學科項目化學習在小學課堂中的實施策略,旨在為相關領域學者提供經驗借鑒。

一、內涵及特點

(一)項目化學習

有學者將項目化學習定義為基于項目的學習,即在一定時間內學生對一個真實的、復雜的、有挑戰性的問題持續探究,并從中獲得知識和技能。[3]因此,項目化學習強調通過設計巧妙的問題為學生學科知識的學習創設良好的問題化教學情境,旨在強化學生對學科知識的認識和理解,促進學生學科核心素養的有效培養,讓學生在問題的導向作用下更有效地提升對學科知識的綜合運用能力。項目化學習要求教師通過具體項目問題的設計,結合學生的實際學習情況,有針對性地采用綜合性教學方案和教學策略,對教學實踐活動進行符合社會現代化發展趨勢的優化創新。項目化學習在教學實踐活動過程中廣泛應用,能夠緩解以往的教學模式下教師過分關注學生的學習成績的問題。通過教師在教學中對學生的正確指引,培養學生在實際生活實踐中發現問題、提出問題、分析問題、探究問題和解決問題的能力,有助于教師貫徹落實新時代發展背景下的培養目標,滿足學生對學科知識的實際需求。項目化學習能夠加深課堂學習與真實世界的關聯性,培養學生的團隊協作、批判思維、口頭表達及寫作能力,有助于促進學生對已有知識的遷移與重構。項目化學習根據學科可以分為學科項目化學習、跨學科項目化學習和超學科項目化學習。其中,學科項目化學習是以學科內的關鍵概念或能力為載體、指向學科的本質的一種學習方式。[4]

(二)工程思維

工程思維是工程活動的主體在解決工程實際問題中運用的思維,是工程活動的主體必須具備的核心能力,是在工程決策、工程項目設計和工程運行的過程中形成的一種思維方式,是工程工作者能否成為卓越工程人才的關鍵。[5]小學科學教學實踐活動中培養學生的工程思維已成為小學科學課程教學發展的必然趨勢。小學科學教師在素質教育改革的推進過程中注重在教學實踐活動中培養學生的工程思維,對學生科學素養的全面發展具有重要作用和深遠教育價值。教師要注重在課堂中提升學生的科學素養,并通過相關訓練為學生科學素養的培養和提升奠定基礎。在具體的教學實踐活動中,小學科學教師可以根據自身的教學實踐經驗,并充分探究新型的小學科學教學模式,在教學實踐活動中不斷對教學結構進行優化和創新。教師要在教學中引導學生積極主動地對科學現象進行深入思考和探究。在小學科學課堂教學實踐活動中,教師要給予學生充分的時間和空間親自動手實踐,鍛煉學生的動手操作能力,落實學生工程思維的培養目標。

二、研究現狀及改進思路

(一)研究現狀

目前,我國教育領域對工程思維的認識尚處于起步階段。雖然高等教育階段的“新工科”建設如火如荼,但基礎教育階段的工程教育觀念比較缺乏,直至近幾年才逐漸開展。在《普通高中通用技術課程標準(2017年版)》中,工程思維被確定為通用技術學科五大核心素養之一[6];2017年教育部頒布的《小學科學課程標準》中,雖然未對“工程思維”提出明確的教學目標,但新增了工程與技術領域課程內容。盡管如此,各地中小學課程體系中關于工程教育的相關教學內容仍較少。此外,中小學一線教師對基礎教育階段工程教育的重要性認識不足,導致我國基礎教育階段的工程教育相關成果較少,缺乏可供開展實踐參考的經驗。

(二)改進思路

結合蘇教版科學教材的專項學習板塊,可以將項目化學習的實施細化為6個關鍵要素:明確問題、前期研究、設計方案、制作模型、測試改進、展示交流。借鑒顧容等人的教學設計模型[7],可以將項目化學習中學生工程思維的培養過程分為以下步驟:第一,明確問題環節重點培養學習興趣;第二,前期研究環節重點培養批判性思維;第三,設計方案環節重點培養創造性思維;第四,制作模型環節重點培養計算思維和設計思維;第五,測試改進環節重點培養批判性思維;第六,展示交流環節重點培養系統性思維。

小學生還未發展抽象邏輯思維,因此,本文暫未討論學生的計算思維和設計思維,僅以五個步驟設計活動。在項目化學習中,教師要通過日常教學實踐活動,積極與學生進行有效溝通交流,充分掌握學生對學科知識的實際認識和理解情況。在課堂上通過有效互動了解學生的心理變化及認知發展水平等,進而開展多元化的教學實踐活動,在教學中有效鍛煉學生的工程思維。教師還可以利用信息技術為教學活動帶來技術方面的支持,尋找豐富多元的教學資源,在課堂上通過多媒體為學生呈現更加直觀、生動、形象的科學知識,拓寬學生對科學知識的認知視野,培養學生對生活中事物的發現能力與探索能力。

項目化學習是有目的的、系統的、迭代的、創造的,該學習方式需要教師開發各種可能的方案,予以最優化的機會,以滿足特定的需求。以項目化學習促進學生工程思維的提升需要尊重學生的真實生活,以真實的情景、學生產生的真實問題、學生真實創造的作品搭建項目化學習與工程思維的橋梁。這樣的思維提升是面向學生未來的。因此,在教學設計時,教師切忌僅以科學知識、操作方法為中心,而是要充分預設學生可能出現的真實反應,靈活地指導學生思考問題進行、學習,鍛煉學生的工程思維。下文以項目化學習“玩轉泡泡機”活動的部分實踐為例,闡述小學科學的課程實施過程。

三、課程實施

(一)明確具體任務,激發學習興趣

小學科學教師在具體的教學實踐過程中,要系統分析、歸納與整合教材中相關的教學內容,利用信息技術搜集與教學內容相關的信息資源。在課堂上,小學科學教師可以通過多媒體為學生呈現圖片、視頻、動畫等形式的教學內容,通過視覺、聽覺等多種感官強化學生對科學知識的認識和理解,提高學生對課題任務的興趣。小學科學教師可以根據學生的年齡、性格特征、興趣愛好及心理狀況和認知發展水平等,設計明確的課題任務,有針對性地培養學生獨立自主思考問題的能力,讓學生有充裕的機會鍛煉動手實踐能力。

如在“玩轉泡泡機”的教學實踐活動中,小學科學教師根據上述維度將教學目標確定為:學生能夠理解泡泡水的制作過程;學生能夠認識到單一材料生產效果的有限性;學生能夠通過動手制作泡泡機認識到不同泡泡機的局限性并主動尋求有效的改進方法;學生能夠通過科學知識與技能的學習,體會到科學知識在實際生活中的魅力。教師可以在具體的教學實踐活動過程中,通過多媒體為學生呈現泡泡機在運行中產生出泡泡的美好景象,吸引學生對泡泡機制作產生向往,激發學生的學習興趣。接下來,教師可以通過單一的材料制作泡泡水,為學生進行演示操作,讓學生根據個人實際生活經驗及所學學科知識思考生活中能夠制作泡泡水的材料。根據上述回答,讓學生以小組合作探究的方式進行具體的實踐操作。學生通過親自動手操作對科學知識進行驗證和檢驗,既能夠激發對科學知識的學習興趣,也能夠充分調動學習科學知識與技能的主觀能動性,有利于促進學生的身心健康成長和全面發展。

(二)以啟發誘導式問題,培養批判性思維

批判性思維是個體對知識的產生過程(包括理論、方法、背景、證據和評價知識的標準等)正確與否作出綜合性判斷的一種思維品質。培養批判性思維首先要培養學生的問題意識,讓學生在教師的啟發下成為提問的主體。啟發誘導式問題并非教師故意設計的問題,也并非教材中的顯性問題,而是以學生為主體,引導學生在真正動手操作時發現的問題。教師要提醒學生在深思熟慮的基礎上對任何事實有懷疑、提問題。

在“玩轉泡泡機”活動的前期研究時,教師可以引導學生思考:面對“自制創意自動泡泡機”這一任務需要解決哪些問題,有什么辦法解決這些問題。學生想到可以查閱資料或拆解一個市面上的泡泡機等研究的方法。在拆解泡泡機時,教師可以設問進一步引起學生思考:市面上的泡泡機原理有何相同或不同之處?市面上泡泡機對自己的設計制作有什么啟發?最后,教師以海報的形式將學生的思維顯性化。

在測試改進時,教師要引導學生自己發現制作的泡泡機的問題,鼓勵學生獨立思考出現問題的原因,與同伴交流討論尋找合適的解決辦法。教師可以借助這樣指導語指導全班:想一想測試是為了什么?你們的泡泡機達到預期了嗎?泡泡機出現了哪些問題?除了小組討論,你還可以通過什么樣的方法解決?同時,教師還需要針對每組出現的不同問題進行個性化啟發:減小/增大風速可以通過哪些辦法?形成泡泡膜但吹不出去可能是什么原因導致的?用啟發的方式讓學生發現問題,而非立即獲得答案。

學生在發現問題、進行質疑時必定伴隨著評價的過程。批判性思維的另一特征是有依據地進行判斷。在學生回答問題后,教師需要及時追問:你為什么會這么想?你判斷的依據是什么?這樣的設問可以引導學生進行自我判斷與自我糾正,有助于培養學生工程思維中的批判性思維。

(三)以劣構問題式設計,培養創造性思維

工程思維的首要本質是創造性。教師在開展項目化學習時,全過程都可以使用劣構問題式的學習,以此激發學生更多的創造力。劣構問題是指定義不完整的問題。同時,教師應創設開放式問題情境,指導學生使用頭腦風暴法(集體研討)、屬性列舉法(針對事物特性提出改良構想)、心智圖法(以線條圖形等方式將思考圖像化)等方法,發揮學生的聯想力,激發其思維的擴散性。

在“玩轉泡泡機”活動中,在設計方案階段,教師可以為學生提供豐富的結構性材料。結構性材料是指材料間具有某種關系,思考材料間的組合方式能促進學生思維的發展。例如,教師給出電池、馬達、齒輪、鋼軸、連桿等材料,學生能聯想列舉出不同的動力產生方式;給出紙杯、吸管、木板等,學生能聯想列舉出泡泡膜的多種出泡口。教師可以組織學生根據材料設計出自己的泡泡機動力方案和出泡口方式,然后再將學生分組,讓學生進行小組內頭腦風暴,互相借鑒,討論自己方案的可改進之處。在設計方案時,教師可以引導學生拆解市面上的泡泡機,在此基礎上對泡泡機進行改進,也可以指導學生用畫圖的方法呈現自己的設計,將自己的想象創造具象化。提供材料、不提供解決方案的項目化學習為學生的創作留下了更廣闊的操作空間,更有利于鍛煉學生的創造性思維。

(四)以跟蹤式工程報告,培養系統性思維

項目化學習過程是一個由各種因素組成的系統,該系統存在許多不確定因素及限制性因素。系統性思維要求在思維中把多變量的復雜系統當成整體并加以思考,它著眼于整體和局部之間,從整體與環境的相互聯系、相互作用的關系中綜合地、精確地思考對象。系統性思維是一種從整體出發,先綜合,后分析,最后再綜合的思維模式。在學生的項目化學習過程中,教師要教授學生工程報告書的使用方法,將工程報告書作為重要的輔助工具,幫助學生將自己的思考、設計過程全面呈現出來,也可以在最終評價時幫助學生反思評價。

明確問題階段是項目化學習的第一階段,教師可以創設“學校舉辦泡泡科技節”這一真實情境,在有針對性的情境引導中,使學生明確任務。教師要引導學生尋找獲得資源信息的渠道,合理將任務分配給每個學生,分小組讓學生思考、討論其面對的任務或情景的局限性。學生需要根據項目任務明確具體任務,對整個項目化學習開展的步驟進行規劃探索。學生分組對以上問題進行討論,并記錄在每組的工程報告書中。這樣的方式可以將操作思路具象化,既能夠及時回顧前置任務的不足,又能保證后續活動的有序開展,更重要的是培養了學生的系統性思維。在項目實施的每個環節中,教師要時刻提醒學生做好記錄,以便為下一個環節提供事實依據。在最后的展示交流階段,教師要留給學生充分的時間,對工程報告書中的設計圖和實踐心得等進行整理,鼓勵學生用實物、課件、海報和視頻等多種方式交流。在首尾兩個環節中都要求學生以全局的眼光看待問題,有效鍛煉學生的系統性思維。

社會現代化的快速發展推動了素質教育的改革創新,也對小學科學教師的教學提出了新的要求。小學科學教師在具體的教學實踐過程中,要積極學習新課程標準改革的內容與要求,并結合自身的教學實踐經驗,積極轉變傳統的教學理念和教學模式,堅持以學生為中心,根據學生的實際學習情況、身心發展規律、心理變化及認知水平等情況,有針對性地設計科學的教學目標與具體的教學活動。在教學實踐過程中,教師要充分尊重學生的個性化差異,通過多元化的教學活動滿足不同學習程度的學生對科學知識的實際需求,全面促進學生的身心健康發展。貼近學生真實生活的項目化學習,能有效培養學生的工程思維。通過具體的項目化學習方式激發學生的學習興趣,培養學生的批判性思維、創造性思維和系統性思維,聯結起學生的當下知識與未來生活,推動其終身發展。