基于工程設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)內(nèi)涵價(jià)值、設(shè)計(jì)原則與實(shí)施路徑

摘 要：基于工程設(shè)計(jì)的科學(xué)學(xué)習(xí)應(yīng)當(dāng)是一種項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，即學(xué)生在教師的引導(dǎo)下，圍繞具有挑戰(zhàn)性的工程問題，進(jìn)行持續(xù)深入的探究實(shí)踐。通過設(shè)計(jì)方案與制造產(chǎn)品，學(xué)生能對核心知識進(jìn)行再建構(gòu)，并實(shí)現(xiàn)思維的遷移，從而有效發(fā)展科學(xué)核心素養(yǎng)。著重闡述了基于工程設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的內(nèi)涵價(jià)值、設(shè)計(jì)原則與實(shí)施路徑。

關(guān)鍵詞：工程設(shè)計(jì)；項(xiàng)目化學(xué)習(xí)；內(nèi)涵價(jià)值；設(shè)計(jì)原則；實(shí)施路徑

作者簡介：范秋香（1987—），女，江蘇省張家港市暨陽湖實(shí)驗(yàn)學(xué)校。

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》指出，工程是運(yùn)用科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、解決實(shí)際問題和制造產(chǎn)品的活動(dòng)。工程活動(dòng)的本質(zhì)是制造產(chǎn)品，工程設(shè)計(jì)與物化是工程活動(dòng)的兩個(gè)重要環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)動(dòng)腦思考，物化強(qiáng)調(diào)動(dòng)手制作，因此，工程活動(dòng)是將思考與實(shí)踐相結(jié)合的活動(dòng)。在工程活動(dòng)中，設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。筆者將結(jié)合自身的科學(xué)教學(xué)實(shí)踐與反思，談?wù)劵诠こ淘O(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的內(nèi)涵價(jià)值、設(shè)計(jì)原則與實(shí)施路徑。

一、基于工程設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)內(nèi)涵價(jià)值

工程設(shè)計(jì)是指根據(jù)一定的約束條件和指標(biāo)，制定出人工實(shí)體的建造方案。它是一個(gè)探索問題解決思路和方法的過程，具有目的性、程序性、規(guī)范性等特點(diǎn)。工程設(shè)計(jì)的成果需要通過物化活動(dòng)來檢驗(yàn)與修正，因此，它包含了使用各種工具和材料來制造產(chǎn)品的活動(dòng)。

基于工程設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)是指在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，以工程設(shè)計(jì)理念為指導(dǎo)，以工程項(xiàng)目為載體，通過設(shè)置具有挑戰(zhàn)性的問題，驅(qū)動(dòng)學(xué)生深入持續(xù)地探索，調(diào)動(dòng)所有知識、方法、能力、品質(zhì)等來創(chuàng)造性地解決新問題，并通過物化活動(dòng)形成公開成果。

基于工程設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)是將工程思維和設(shè)計(jì)原則融入科學(xué)學(xué)習(xí)中的教學(xué)方法，以工程問題為驅(qū)動(dòng)，能讓學(xué)生在“做工程”的過程中體驗(yàn)成功的喜悅和樂趣。它以學(xué)生為中心，不僅能激發(fā)學(xué)生科學(xué)探究的興趣，還能提升他們的科學(xué)技能，培養(yǎng)他們的實(shí)踐能力、思維能力、問題解決能力以及科學(xué)創(chuàng)新能力。

工程設(shè)計(jì)項(xiàng)目具有一定的綜合性與復(fù)雜性，往往需要整合科學(xué)、工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)等多個(gè)學(xué)科的知識來解決問題。這要求學(xué)生通過跨學(xué)科學(xué)習(xí)來構(gòu)建綜合性知識結(jié)構(gòu)，并通過實(shí)踐操作來完成真實(shí)或模擬的工程制造任務(wù)。學(xué)生需要通過團(tuán)隊(duì)合作來共同完成方案的設(shè)計(jì)與產(chǎn)品的制作。基于工程設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)不僅有助于學(xué)生整合跨學(xué)科知識，發(fā)展高階思維，而且能提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，加深學(xué)生對科學(xué)核心概念的理解和掌握，培養(yǎng)學(xué)生的團(tuán)隊(duì)合作精神，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展。

二、基于工程設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)原則

（一）工程性原則

基于工程設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持工程性原則，即立足工程問題，聚焦工程項(xiàng)目，開展項(xiàng)目學(xué)習(xí)，在工程設(shè)計(jì)與物化過程中，建構(gòu)科學(xué)知識，鍛煉科學(xué)技能，形成科學(xué)能力，發(fā)展科學(xué)品格。教師要設(shè)計(jì)合理的項(xiàng)目、科學(xué)的內(nèi)容，要有明確的工程目標(biāo)、完整的工程流程，要設(shè)置規(guī)劃、設(shè)計(jì)、制作、測試、改進(jìn)等一系列活動(dòng)環(huán)節(jié)，以體現(xiàn)工程設(shè)計(jì)的程序性、結(jié)構(gòu)性與系統(tǒng)性。

（二）趣味性原則

激發(fā)學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)興趣是有效教學(xué)的前提。基于工程設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)堅(jiān)持趣味性原則，用有趣的工程活動(dòng)來點(diǎn)燃學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，喚醒學(xué)生的主體意識，使學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主人。教師要設(shè)置有趣的工程活動(dòng)主題，選擇學(xué)生熟悉的、真實(shí)的、新穎的、富有想象力的主題，以吸引學(xué)生的注意力；要設(shè)計(jì)豐富多彩的學(xué)習(xí)內(nèi)容、真實(shí)具體的學(xué)習(xí)情境、靈活多變的活動(dòng)形式，讓學(xué)生在有趣好玩的工程實(shí)踐活動(dòng)中進(jìn)行探究學(xué)習(xí)；要設(shè)計(jì)互動(dòng)環(huán)節(jié)，通過小組合作、師生合作等方式，促進(jìn)學(xué)生間的交流，加強(qiáng)師生間的溝通，提升學(xué)習(xí)的交互性，從而提高學(xué)生的活動(dòng)參與度［1］。

（三）融合性原則

基于工程設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)以問題為驅(qū)動(dòng)，以素養(yǎng)為導(dǎo)向。由于工程問題具有復(fù)雜性、綜合性，因此，科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)需要具有融合性，融合多學(xué)科知識內(nèi)容、多方的智慧力量以及學(xué)生的多元智能，為學(xué)生的探究實(shí)踐賦能，同時(shí)助推學(xué)生核心素養(yǎng)提升。小學(xué)科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)的融合性主要體現(xiàn)為學(xué)科間的融合，旨在打破傳統(tǒng)科學(xué)學(xué)科的界限，將其他學(xué)科關(guān)聯(lián)起來。學(xué)生需要融合工程、技術(shù)、數(shù)學(xué)等多學(xué)科的知識和方法，運(yùn)用工程思維、技術(shù)思維、數(shù)學(xué)思維等多學(xué)科的思維來思考問題解決的路徑和方法，以提高問題解決的效果和效率［2］。

（四）開放性原則

基于工程設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)融合了技術(shù)與工程領(lǐng)域的知識，是基于問題解決的工程實(shí)踐過程，是能產(chǎn)生可見的公開成果的活動(dòng)。教師應(yīng)當(dāng)遵循開放性原則，確保學(xué)生有廣闊的想象空間和寬闊的學(xué)習(xí)時(shí)空，做到問題開放、方法開放、時(shí)空開放。教師要確保項(xiàng)目中的問題答案不止有一種；完成項(xiàng)目的方法靈活多變；學(xué)習(xí)時(shí)間不局限于一節(jié)課，可以有更長的周期，形成持續(xù)的探究學(xué)習(xí)過程；學(xué)習(xí)空間不局限于教室，可以擴(kuò)展到自然環(huán)境和家庭中。

三、基于工程設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)實(shí)施路徑

基于工程設(shè)計(jì)的小學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)活動(dòng)是一種復(fù)雜且系統(tǒng)的活動(dòng)，整個(gè)活動(dòng)以項(xiàng)目成果為導(dǎo)向，以學(xué)生為學(xué)習(xí)主體，以探究實(shí)踐為方式，包含了啟動(dòng)項(xiàng)目、前期研究、設(shè)計(jì)方案等多個(gè)環(huán)節(jié)。筆者以《沖出地球》一課為例，談?wù)劵诠こ淘O(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)實(shí)施路徑。

（一）情境引發(fā)，啟動(dòng)項(xiàng)目

項(xiàng)目從哪里來？如何啟動(dòng)？這是進(jìn)行項(xiàng)目化學(xué)習(xí)首先要考慮的問題。好的項(xiàng)目聚焦科學(xué)核心概念，融合多學(xué)科的知識，不僅能激發(fā)學(xué)生的探究興趣，還能促進(jìn)他們深入探究學(xué)習(xí)。基于工程設(shè)計(jì)的科學(xué)學(xué)習(xí)項(xiàng)目應(yīng)當(dāng)從生活中來、從社會(huì)中來。教師應(yīng)當(dāng)站在學(xué)生的角度，從他們比較熟悉的事物入手，結(jié)合科技熱點(diǎn)、時(shí)事要聞、社會(huì)問題等，開發(fā)和設(shè)計(jì)工程項(xiàng)目，以滿足學(xué)生的科學(xué)學(xué)習(xí)需求。

情境是項(xiàng)目化學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)的重要元素，項(xiàng)目化學(xué)習(xí)應(yīng)當(dāng)從真實(shí)問題情境出發(fā)。生活情境是項(xiàng)目主題生發(fā)的沃土，在工程類科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中，教師應(yīng)當(dāng)巧妙創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目情境，借助情境引出工程項(xiàng)目，并在情境中啟動(dòng)項(xiàng)目。融入真實(shí)情境的工程問題，不僅能使科學(xué)內(nèi)容變得生動(dòng)有趣，激發(fā)學(xué)生的好奇心，引發(fā)學(xué)生的想象，而且能啟發(fā)學(xué)生思考，驅(qū)動(dòng)學(xué)生探究，促進(jìn)學(xué)生理解。例如，在教學(xué)《沖出地球》一課時(shí)，筆者給學(xué)生播放了神舟十八號飛船發(fā)射的視頻，以此激發(fā)學(xué)生的自豪感，并巧妙引出“制作火箭模型”的任務(wù)。學(xué)生對火箭模型制作非常感興趣，個(gè)個(gè)摩拳擦掌。然而，筆者并未立即讓學(xué)生動(dòng)手制作，而是提出了相關(guān)條件，規(guī)定了火箭模型的尺寸——長6厘米、寬6厘米、高30厘米，并要求以一根橡皮筋的彈力為發(fā)射動(dòng)力，完成時(shí)間為一節(jié)課。制作完成后，火箭模型需要接受檢測，通過測試火箭發(fā)射的高度來評估質(zhì)量，火箭飛得越高，質(zhì)量越好。

（二）遷移知識，前期研究

工程項(xiàng)目啟動(dòng)后，在學(xué)生動(dòng)手制作之前，教師需要引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行前期研究，將科學(xué)原理與工程實(shí)踐有機(jī)結(jié)合起來，通過知識、方法的遷移，幫助學(xué)生了解相關(guān)知識，弄清科學(xué)原理，為設(shè)計(jì)方案做好準(zhǔn)備。

在教學(xué)《沖出地球》一課時(shí)，筆者在引出“制作火箭模型”項(xiàng)目后，給學(xué)生提供了科學(xué)閱讀資料，讓學(xué)生通過閱讀了解太空觀測工具的發(fā)展歷程，認(rèn)識伽利略望遠(yuǎn)鏡、射電望遠(yuǎn)鏡、哈勃空間望遠(yuǎn)鏡、“中國天眼”等觀測工具，使學(xué)生懂得技術(shù)對航天工程具有極其重要的價(jià)值。通過閱讀，學(xué)生了解了人類沖出地球的探索歷程，知道了人類之所以能沖出地球主要是依靠火箭這一重要工具，認(rèn)識了古代火箭、現(xiàn)代火箭的結(jié)構(gòu)功能，并對“火箭為什么能飛向太空”有了初步理解，明白了火箭是依靠噴射氣體產(chǎn)生的強(qiáng)大推力升空的。接著，筆者引導(dǎo)學(xué)生聚焦“火箭沖出地球有哪些困難”這一問題展開探討。通過小組討論交流，學(xué)生認(rèn)識到最大的困難是產(chǎn)生足夠的反沖力，使火箭獲得足以掙脫地球引力的速度。在此基礎(chǔ)上，筆者引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合生活中放煙花、爆竹等現(xiàn)象，想象“反沖力”，讓學(xué)生通過拋沙包、小球、羽毛，感受地球引力，通過放飛充氣球，感受反作用力產(chǎn)生的推力，將“反作用力”的概念遷移到火箭發(fā)射這一類似事件中。通過前期研究，學(xué)生初步了解了火箭設(shè)計(jì)中的科學(xué)原理，從中獲得啟發(fā)和靈感，這為火箭設(shè)計(jì)與制作奠定了理論基礎(chǔ)，為設(shè)計(jì)觀點(diǎn)的形成提供了必要的支撐。

（三）集思廣益，設(shè)計(jì)方案

工程建設(shè)的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接決定了工程建設(shè)的質(zhì)量，優(yōu)質(zhì)的工程離不開優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案。工程設(shè)計(jì)是對項(xiàng)目進(jìn)行整體規(guī)劃，運(yùn)用專業(yè)的知識、技能，借助文字、圖畫等方式，闡明自己的創(chuàng)意，形成可行的方案。工程設(shè)計(jì)不僅包括對作品造型、外觀的設(shè)計(jì)，還包括對材料特性、數(shù)量的選擇，以及對作品功能、安全性的設(shè)計(jì)等內(nèi)容。

由于工程項(xiàng)目的復(fù)雜性，工程設(shè)計(jì)要兼顧眾多因素，光靠一個(gè)人的力量是很難設(shè)計(jì)出好的方案的。在工程方案設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，常常需要采取團(tuán)隊(duì)合作的方式，依靠集體的力量和智慧，通過凝心聚力，集思廣益，設(shè)計(jì)出科學(xué)合理的工程方案。例如，在教學(xué)《沖出地球》一課時(shí)，在學(xué)生初步了解火箭的發(fā)展歷史以及相關(guān)知識后，筆者組織學(xué)生合作設(shè)計(jì)火箭模型制作方案。火箭模型的制作方案主要涉及兩個(gè)方面，一是火箭箭體設(shè)計(jì)，二是發(fā)射支架設(shè)計(jì)。學(xué)生需要重點(diǎn)考慮如何設(shè)計(jì)火箭的外觀造型，以降低空氣阻力，提升火箭的美觀性、穩(wěn)定性；如何設(shè)計(jì)發(fā)射支架和選擇合適的動(dòng)力裝置，以增強(qiáng)火箭發(fā)射時(shí)的動(dòng)力，提高其飛行速度。在設(shè)計(jì)方案時(shí)，筆者先讓學(xué)生小組合作研討，圍繞這兩個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行討論交流，商討火箭的結(jié)構(gòu)造型、制作步驟、材料選用等。經(jīng)過小組討論，學(xué)生集聚智慧，形成如下設(shè)計(jì)思路：火箭應(yīng)設(shè)計(jì)成流線型以減少空氣阻力，箭體應(yīng)為空心結(jié)構(gòu)以減輕重量。小組合作研討后，筆者組織小組匯報(bào)，讓學(xué)生集體交流和相互評議，修改和完善方案，并根據(jù)方案繪制出火箭結(jié)構(gòu)的草圖以及發(fā)射裝置的示意圖。

（四）制作模型，實(shí)施計(jì)劃

工程是設(shè)計(jì)方案物化的結(jié)果，其核心在于建造。基于工程設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的核心環(huán)節(jié)是制作模型，強(qiáng)調(diào)讓學(xué)生自己動(dòng)手實(shí)踐，利用工具、材料來完成實(shí)物模型的制作。制作模型不僅是實(shí)踐操作的過程，也是應(yīng)用科學(xué)原理的過程，有助于學(xué)生更好地理解“結(jié)構(gòu)與功能”的概念，培養(yǎng)他們對工程操作的興趣，并提高他們的工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力。

制作模型是實(shí)施計(jì)劃的關(guān)鍵步驟。在此環(huán)節(jié)，教師要給學(xué)生提供結(jié)構(gòu)性材料以及充足的時(shí)間，讓學(xué)生獲得豐富的實(shí)踐體驗(yàn)，在探究中建構(gòu)科學(xué)知識，了解工程實(shí)踐的要素，形成科學(xué)技能，積累活動(dòng)經(jīng)驗(yàn)。在教學(xué)《沖出地球》一課時(shí)，筆者在組織學(xué)生完成火箭制作方案設(shè)計(jì)后，給學(xué)生提供了牛皮紙、輕木片、紙筒、橡皮筋、膠水、剪刀等材料，讓學(xué)生分組制作火箭模型以及發(fā)射裝置。在組長的帶領(lǐng)下，小組成員合理分工，相互協(xié)作：有的將牛皮紙卷成圓柱形，并用膠水粘連，制成火箭筒段；有的將牛皮紙卷成圓錐形，制成火箭頭錐；有的將輕木片分成四小片，作為火箭尾翼。在各自完成火箭零部件的制作后，再將它們組裝起來，一個(gè)完整的火箭模型就制作完成了。還有一名學(xué)生負(fù)責(zé)制作火箭發(fā)射裝置。這項(xiàng)任務(wù)比較簡單，只要將橡皮筋固定在紙筒口的正中間，并在橡皮筋上安裝一個(gè)連著線的三腳架就可以了。小組成員齊心協(xié)力，各組成功完成了模型制作任務(wù)。看到自己親手制作的火箭模型，學(xué)生感到無比快樂與自豪，成就感油然而生。

（五）測試檢驗(yàn)，完善作品

完成工程作品并不意味著項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的結(jié)束，還需要進(jìn)行測試檢驗(yàn)，對作品質(zhì)量進(jìn)行評估，發(fā)現(xiàn)其優(yōu)點(diǎn)及不足，并據(jù)此進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步完善其功能，使其更加完美。測試檢驗(yàn)是基于工程設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié)，教師應(yīng)當(dāng)組織學(xué)生展示他們的作品或?qū)嵨锬Ｐ停瑢ζ溥M(jìn)行性能測試，同時(shí)引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，尋找對策，完善作品，迭代更新。

在教學(xué)《沖出地球》一課時(shí)，筆者在火箭模型制作活動(dòng)結(jié)束后，利用電子白板向?qū)W生展示了檢測火箭性能的方法：將火箭模型固定在三腳架上，用手拉動(dòng)三腳架下方的細(xì)線，模擬發(fā)射。通過逐步增大拉力——分別將橡皮筋向下拉伸1cm、2cm、3cm，來模擬不同強(qiáng)度的發(fā)射力，測量記錄火箭的發(fā)射高度。通過數(shù)據(jù)分析，學(xué)生發(fā)現(xiàn)了火箭發(fā)射高度與橡皮筋彈力之間的關(guān)系：拉力越大，橡皮筋彈力越強(qiáng)，火箭的發(fā)射速度越快，飛行高度越高。測試之后，筆者讓學(xué)生重新審視自己的火箭設(shè)計(jì)，找出設(shè)計(jì)上的缺陷，并思考如何改進(jìn)。有的小組發(fā)現(xiàn)橡皮筋的彈力不足，提出將單股橡皮筋改為雙股，以增強(qiáng)彈力，提升火箭發(fā)射時(shí)的動(dòng)力，從而提升火箭的飛行速度和高度；有的小組在測試中發(fā)現(xiàn)火箭發(fā)射時(shí)不夠穩(wěn)定，無法垂直上升，他們發(fā)現(xiàn)原因是火箭頭部過輕，于是提出使用雙層紙來制作火箭頭部，以增加重量，提高火箭發(fā)射的穩(wěn)定性。經(jīng)過改進(jìn)完善，學(xué)生再次進(jìn)行檢測，火箭的性能得到了顯著提升，無論是在飛行穩(wěn)定性還是速度和高度方面，都有所提高。

工程與人類生活息息相關(guān)，與科學(xué)、技術(shù)等相互影響、相互促進(jìn)。我們要基于工程設(shè)計(jì)，實(shí)施項(xiàng)目化學(xué)習(xí)，讓學(xué)生進(jìn)行探究實(shí)踐，以此促進(jìn)學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)發(fā)展。

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