基于工程设计的小学科学项目化学习内涵价值、设计原则与实施路径

摘要：基于工程设计的科学学习应当是一种项目化学习，即学生在教师的引导下，围绕具有挑战性的工程问题，进行持续深入的探究实践。通过设计方案与制造产品，学生能对核心知识进行再建构，并实现思维的迁移，从而有效发展科学核心素养。着重阐述了基于工程设计的小学科学项目化学习的内涵价值、设计原则与实施路径。关键词：工程设计；项目化学习；内涵价值；设计原则；实施路径《义务教育科学课程标准（2022年版）》指出，工程是运用科学和技术进行设计、解决实际问题和制造产品的活动。工程活动的本质是制造产品，工程设计与物化是工程活动的两个重要环节。设计强调动脑思考，物化强调动手制作，因此，工程活动是将思考与实践相结合的活动。在工程活动中，设计是关键。笔者将结合自身的科学教学实践与反思，谈谈基于工程设计的小学科学项目化学习的内涵价值、设计原则与实施路径。一、基于工程设计的小学科学项目化学习内涵价值工程设计是指根据一定的约束条件和指标，制定出人工实体的建造方案。它是一个探索问题解决思路和方法的过程，具有目的性、程序性、规范性等特点。工程设计的成果需要通过物化活动来检验与修正，因此，它包含了使用各种工具和材料来制造产品的活动。基于工程设计的小学科学项目化学习是指在小学科学教学中，以工程设计理念为指导，以工程项目为载体，通过设置具有挑战性的问题，驱动学生深入持续地探索，调动所有知识、方法、能力、品质等来创造性地解决新问题，并通过物化活动形成公开成果。基于工程设计的小学科学项目化学习是将工程思维和设计原则融入科学学习中的教学方法，以工程问题为驱动，能让学生在“做工程”的过程中体验成功的喜悦和乐趣。它以学生为中心，不仅能激发学生科学探究的兴趣，还能提升他们的科学技能，培养他们的实践能力、思维能力、问题解决能力以及科学创新能力。工程设计项目具有一定的综合性与复杂性，往往需要整合科学、工程、技术、数学等多个学科的知识来解决问题。这要求学生通过跨学科学习来构建综合性知识结构，并通过实践操作来完成真实或模拟的工程制造任务。学生需要通过团队合作来共同完成方案的设计与产品的制作。基于工程设计的小学科学项目化学习不仅有助于学生整合跨学科知识，发展高阶思维，而且能提高学生的工程实践能力，加深学生对科学核心概念的理解和掌握，培养学生的团队合作精神，促进学生科学核心素养的发展。二、基于工程设计的小学科学项目化学习设计原则（一）工程性原则基于工程设计的小学科学项目化学习设计应当坚持工程性原则，即立足工程问题，聚焦工程项目，开展项目学习，在工程设计与物化过程中，建构科学知识，锻炼科学技能，形成科学能力，发展科学品格。教师要设计合理的项目、科学的内容，要有明确的工程目标、完整的工程流程，要设置规划、设计、制作、测试、改进等一系列活动环节，以体现工程设计的程序性、结构性与系统性。（二）趣味性原则激发学生的科学学习兴趣是有效教学的前提。基于工程设计的小学科学项目化学习设计应当坚持趣味性原则，用有趣的工程活动来点燃学生的学习热情，唤醒学生的主体意识，使学生真正成为学习的主人。教师要设置有趣的工程活动主题，选择学生熟悉的、真实的、新颖的、富有想象力的主题，以吸引学生的注意力；要设计丰富多彩的学习内容、真实具体的学习情境、灵活多变的活动形式，让学生在有趣好玩的工程实践活动中进行探究学习；要设计互动环节，通过小组合作、师生合作等方式，促进学生间的交流，加强师生间的沟通，提升学习的交互性，从而提高学生的活动参与度［1］。（三）融合性原则基于工程设计的小学科学项目化学习以问题为驱动，以素养为导向。由于工程问题具有复杂性、综合性，因此，科学项目化学习设计需要具有融合性，融合多学科知识内容、多方的智慧力量以及学生的多元智能，为学生的探究实践赋能，同时助推学生核心素养提升。小学科学项目化学习设计的融合性主要体现为学科间的融合，旨在打破传统科学学科的界限，将其他学科关联起来。学生需要融合工程、技术、数学等多学科的知识和方法，运用工程思维、技术思维、数学思维等多学科的思维来思考问题解决的路径和方法，以提高问题解决的效果和效率［2］。（四）开放性原则基于工程设计的小学科学项目化学习融合了技术与工程领域的知识，是基于问题解决的工程实践过程，是能产生可见的公开成果的活动。教师应当遵循开放性原则，确保学生有广阔的想象空间和宽阔的学习时空，做到问题开放、方法开放、时空开放。教师要确保项目中的问题答案不止有一种；完成项目的方法灵活多变；学习时间不局限于一节课，可以有更长的周期，形成持续的探究学习过程；学习空间不局限于教室，可以扩展到自然环境和家庭中。三、基于工程设计的小学科学项目化学习实施路径基于工程设计的小学项目化学习活动是一种复杂且系统的活动，整个活动以项目成果为导向，以学生为学习主体，以探究实践为方式，包含了启动项目、前期研究、设计方案等多个环节。笔者以《冲出地球》一课为例，谈谈基于工程设计的小学科学项目化学习实施路径。（一）情境引发，启动项目项目从哪里来？如何启动？这是进行项目化学习首先要考虑的问题。好的项目聚焦科学核心概念，融合多学科的知识，不仅能激发学生的探究兴趣，还能促进他们深入探究学习。基于工程设计的科学学习项目应当从生活中来、从社会中来。教师应当站在学生的角度，从他们比较熟悉的事物入手，结合科技热点、时事要闻、社会问题等，开发和设计工程项目，以满足学生的科学学习需求。情境是项目化学习活动设计的重要元素，项目化学习应当从真实问题情境出发。生活情境是项目主题生发的沃土，在工程类科学项目化学习中，教师应当巧妙创设项目情境，借助情境引出工程项目，并在情境中启动项目。融入真实情境的工程问题，不仅能使科学内容变得生动有趣，激发学生的好奇心，引发学生的想象，而且能启发学生思考，驱动学生探究，促进学生理解。例如，在教学《冲出地球》一课时，笔者给学生播放了神舟十八号飞船发射的视频，以此激发学生的自豪感，并巧妙引出“制作火箭模型”的任务。学生对火箭模型制作非常感兴趣，个个摩拳擦掌。然而，笔者并未立即让学生动手制作，而是提出了相关条件，规定了火箭模型的尺寸——长6厘米、宽6厘米、高30厘米，并要求以一根橡皮筋的弹力为发射动力，完成时间为一节课。制作完成后，火箭模型需要接受检测，通过测试火箭发射的高度来评估质量，火箭飞得越高，质量越好。（二）迁移知识，前期研究工程项目启动后，在学生动手制作之前，教师需要引导学生进行前期研究，将科学原理与工程实践有机结合起来，通过知识、方法的迁移，帮助学生了解相关知识，弄清科学原理，为设计方案做好准备。在教学《冲出地球》一课时，笔者在引出“制作火箭模型”项目后，给学生提供了科学阅读资料，让学生通过阅读了解太空观测工具的发展历程，认识伽利略望远镜、射电望远镜、哈勃空间望远镜、“中国天眼”等观测工具，使学生懂得技术对航天工程具有极其重要的价值。通过阅读，学生了解了人类冲出地球的探索历程，知道了人类之所以能冲出地球主要是依靠火箭这一重要工具，认识了古代火箭、现代火箭的结构功能，并对“火箭为什么能飞向太空”有了初步理解，明白了火箭是依靠喷射气体产生的强大推力升空的。接着，笔者引导学生聚焦“火箭冲出地球有哪些困难”这一问题展开探讨。通过小组讨论交流，学生认识到最大的困难是产生足够的反冲力，使火箭获得足以挣脱地球引力的速度。在此基础上，笔者引导学生结合生活中放烟花、爆竹等现象，想象“反冲力”，让学生通过抛沙包、小球、羽毛，感受地球引力，通过放飞充气球，感受反作用力产生的推力，将“反作用力”的概念迁移到火箭发射这一类似事件中。通过前期研究，学生初步了解了火箭设计中的科学原理，从中获得启发和灵感，这为火箭设计与制作奠定了理论基础，为设计观点的形成提供了必要的支撑。（三）集思广益，设计方案工程建设的关键是设计，设计的质量直接决定了工程建设的质量，优质的工程离不开优秀的设计方案。工程设计是对项目进行整体规划，运用专业的知识、技能，借助文字、图画等方式，阐明自己的创意，形成可行的方案。工程设计不仅包括对作品造型、外观的设计，还包括对材料特性、数量的选择，以及对作品功能、安全性的设计等内容。由于工程项目的复杂性，工程设计要兼顾众多因素，光靠一个人的力量是很难设计出好的方案的。在工程方案设计环节，常常需要采取团队合作的方式，依靠集体的力量和智慧，通过凝心聚力，集思广益，设计出科学合理的工程方案。例如，在教学《冲出地球》一课时，在学生初步了解火箭的发展历史以及相关知识后，笔者组织学生合作设计火箭模型制作方案。火箭模型的制作方案主要涉及两个方面，一是火箭箭体设计，二是发射支架设计。学生需要重点考虑如何设计火箭的外观造型，以降低空气阻力，提升火箭的美观性、稳定性；如何设计发射支架和选择合适的动力装置，以增强火箭发射时的动力，提高其飞行速度。在设计方案时，笔者先让学生小组合作研讨，围绕这两个设计点进行讨论交流，商讨火箭的结构造型、制作步骤、材料选用等。经过小组讨论，学生集聚智慧，形成如下设计思路：火箭应设计成流线型以减少空气阻力，箭体应为空心结构以减轻重量。小组合作研讨后，笔者组织小组汇报，让学生集体交流和相互评议，修改和完善方案，并根据方案绘制出火箭结构的草图以及发射装置的示意图。（四）制作模型，实施计划工程是设计方案物化的结果，其核心在于建造。基于工程设计的小学科学项目化学习的核心环节是制作模型，强调让学生自己动手实践，利用工具、材料来完成实物模型的制作。制作模型不仅是实践操作的过程，也是应用科学原理的过程，有助于学生更好地理解“结构与功能”的概念，培养他们对工程操作的兴趣，并提高他们的工程实践与创新能力。制作模型是实施计划的关键步骤。在此环节，教师要给学生提供结构性材料以及充足的时间，让学生获得丰富的实践体验，在探究中建构科学知识，了解工程实践的要素，形成科学技能，积累活动经验。在教学《冲出地球》一课时，笔者在组织学生完成火箭制作方案设计后，给学生提供了牛皮纸、轻木片、纸筒、橡皮筋、胶水、剪刀等材料，让学生分组制作火箭模型以及发射装置。在组长的带领下，小组成员合理分工，相互协作：有的将牛皮纸卷成圆柱形，并用胶水粘连，制成火箭筒段；有的将牛皮纸卷成圆锥形，制成火箭头锥；有的将轻木片分成四小片，作为火箭尾翼。在各自完成火箭零部件的制作后，再将它们组装起来，一个完整的火箭模型就制作完成了。还有一名学生负责制作火箭发射装置。这项任务比较简单，只要将橡皮筋固定在纸筒口的正中间，并在橡皮筋上安装一个连着线的三脚架就可以了。小组成员齐心协力，各组成功完成了模型制作任务。看到自己亲手制作的火箭模型，学生感到无比快乐与自豪，成就感油然而生。（五）测试检验，完善作品完成工程作品并不意味着项目化学习的结束，还需要进行测试检验，对作品质量进行评估，发现其优点及不足，并据此进行改进，进一步完善其功能，使其更加完美。测试检验是基于工程设计的小学科学项目化学习中不可或缺的一个环节，教师应当组织学生展示他们的作品或实物模型，对其进行性能测试，同时引导学生发现问题，寻找对策，完善作品，迭代更新。在教学《冲出地球》一课时，笔者在火箭模型制作活动结束后，利用电子白板向学生展示了检测火箭性能的方法：将火箭模型固定在三脚架上，用手拉动三脚架下方的细线，模拟发射。通过逐步增大拉力——分别将橡皮筋向下拉伸1cm、2cm、3cm，来模拟不同强度的发射力，测量记录火箭的发射高度。通过数据分析，学生发现了火箭发射高度与橡皮筋弹力之间的关系：拉力越大，橡皮筋弹力越强，火箭的发射速度越快，飞行高度越高。测试之后，笔者让学生重新审视自己的火箭设计，找出设计上的缺陷，并思考如何改进。有的小组发现橡皮