李情義 何彩霞

摘要： 以學(xué)生科學(xué)精神和實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)為目標，提出以“設(shè)計”為核心的項目框架，開發(fā)“制作凈水器”項目教學(xué)案例。通過讓學(xué)生經(jīng)歷運用科學(xué)和技術(shù)進行設(shè)計、制作產(chǎn)品和解決實際問題的過程，感受科學(xué)、技術(shù)與社會的聯(lián)系，培養(yǎng)學(xué)生理性思維、批判性思維和勇于探究的科學(xué)精神。并且結(jié)合教學(xué)實踐，從凸顯設(shè)計思維培養(yǎng)、體現(xiàn)科學(xué)概念及原理的理解及應(yīng)用、小組合作探討實際問題的解決三個主要方面闡述以“設(shè)計”為核心的項目教學(xué)的教育價值實施策略。

關(guān)鍵詞： 科學(xué)教育； 設(shè)計； 項目學(xué)習(xí)

文章編號： 10056629（2018）9004205 中圖分類號： G633.8 文獻標識碼： B

在大力提倡發(fā)展學(xué)生核心素養(yǎng)的教育改革背景下，科學(xué)教育強調(diào)學(xué)生科學(xué)精神和實踐創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。與之相對應(yīng)，新頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標準（2017年版）》[1]增設(shè)了“技術(shù)與工程”領(lǐng)域方面的內(nèi)容，《義務(wù)教育初中科學(xué)課程標準（2011年版）》[2]也設(shè)有“技術(shù)設(shè)計”主題內(nèi)容，期望通過這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠運用科學(xué)和技術(shù)進行設(shè)計和制造產(chǎn)品以解決相關(guān)實際問題，發(fā)展學(xué)生的實踐創(chuàng)新能力。如何在科學(xué)教學(xué)中開展體現(xiàn)以“設(shè)計”為核心的項目教學(xué)已成為教學(xué)研究的重要內(nèi)容。

1 以“設(shè)計”為核心的項目框架及教學(xué)案例

1.1 項目框架

項目學(xué)習(xí)是學(xué)生面對復(fù)雜、真實問題展開的探究過程，也是精心設(shè)計項目作品、規(guī)劃和實施項目任務(wù)的過程[3]。以“設(shè)計”為核心的項目是指從實際需求出發(fā)，通過設(shè)計、制作及測試、改進，形成能夠解決實際問題的產(chǎn)品[4]，其基本框架（見圖1），包括： 實際需求——設(shè)計與制作產(chǎn)品（模型或原型）——產(chǎn)品測試與改進優(yōu)化等要素。其中，“設(shè)計與制作產(chǎn)品”的過程體現(xiàn)了科學(xué)和技術(shù)的融合，即學(xué)生運用科學(xué)和技術(shù)進行設(shè)計，針對實際問題，從科學(xué)原理分析問題的實質(zhì)，并依據(jù)科學(xué)原理從材料、結(jié)構(gòu)及工藝等技術(shù)角度找尋解決問題的思路與方法；“產(chǎn)品測試與改進優(yōu)化”是從產(chǎn)品效果、效率等方面測試產(chǎn)品功能，進而改進設(shè)計方案、優(yōu)化產(chǎn)品，最終解決實際問題，這一過程重在培養(yǎng)學(xué)生質(zhì)疑、批判性思維和不斷改進創(chuàng)新的科學(xué)精神。

1.2 “制作凈水器”項目教學(xué)案例

以上述項目框架為依據(jù)，結(jié)合不同階段學(xué)生學(xué)習(xí)和發(fā)展需要，在科學(xué)教學(xué)和化學(xué)教學(xué)中開展“制作凈水器”項目教學(xué)，其教學(xué)流程包括“明確任務(wù)——設(shè)計制作凈水器——產(chǎn)品測試與改進——分享與反思”（見表1）[5]。該項目教學(xué)以生活中產(chǎn)生大量污水、造成水資源的浪費為問題，引導(dǎo)學(xué)生明確設(shè)計簡易凈水器凈化生活廢水的任務(wù)；學(xué)生在小組中開展學(xué)習(xí)，通過觀察教師提供的一杯“污水”，分析討論得出污水中雜質(zhì)的種類大致可分為難溶物、可溶物、微生物等。在教師問題引導(dǎo)下，學(xué)生了解混合物分離的先后順序： 先分離水中的難溶物雜質(zhì)，再分離水中可溶性雜質(zhì)；并且在分離難溶物雜質(zhì)時還需要遵從顆粒由大到小的先后分離順序。基于這樣的分離順序，學(xué)生從結(jié)構(gòu)、性質(zhì)、用途的角度分析教師所提供的多種材料（包括小礫石、石英砂、脫脂棉紗布、高密度PP棉、低密度PP棉、厚PP棉、活性炭和礦泉水瓶）的特點并進行選擇。在充分理解科學(xué)原理和材料屬性之后，學(xué)生通過小組交流畫出設(shè)計草圖，進一步討論確定設(shè)計方案，畫出凈水器設(shè)計圖。按照設(shè)計方案和圖紙制作凈水器，在設(shè)計和制作的過程中，學(xué)生依據(jù)需要使用一些工具，如剪刀、裁紙刀、直尺、鑷子、攪拌棒等。對所制作的凈水器進行測試，記錄實驗數(shù)據(jù)進行分析，反思并優(yōu)化設(shè)計方案和改進產(chǎn)品，展示與交流心得。

2 以“設(shè)計”為核心的項目教學(xué)的教育價值實施策略

2.1 凸顯學(xué)生設(shè)計思維的培養(yǎng)

設(shè)計思維是指人們在遭遇復(fù)雜現(xiàn)實問題時，能夠綜合運用自己已有智能，通過設(shè)計與思維雙螺旋結(jié)構(gòu)的相互依賴與促進，不斷生成新問題解決策略，進而創(chuàng)造性地形成解決問題的思路與方案[6]。培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計思維，是為了學(xué)生在面對復(fù)雜實際問題時，能夠?qū)σ延兄R和經(jīng)驗進行檢索和應(yīng)用，搭建一個問題解決體系，并找到知識與現(xiàn)實問題之間的聯(lián)系。以“設(shè)計”為核心的項目，在規(guī)劃設(shè)計方案過程中學(xué)生需要對科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)、藝術(shù)等領(lǐng)域知識進行聯(lián)合與集成，通過產(chǎn)品應(yīng)用對象、應(yīng)用情境分析，確定產(chǎn)品技術(shù)要求和目標，分析得出問題解決的框架，根據(jù)材料屬性尋找實現(xiàn)目標的方案。這一系列學(xué)生活動體現(xiàn)應(yīng)用設(shè)計思維解決問題的過程。

在“制作凈水器”項目學(xué)習(xí)中（見圖2），學(xué)生確定產(chǎn)品應(yīng)用對象和應(yīng)用情境，分析得出“凈水器”產(chǎn)品要求，包括結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、易于制作、過濾效率高等。想要達到這樣設(shè)計目標，學(xué)生確定問題解決框架，即材料、結(jié)構(gòu)和功能，從這三個方面去思考每一個產(chǎn)品的要求，最終得到解決方案。例如想要凈水器過濾效率高，從材料角度可以充分利用高效的高密度PP棉，從結(jié)構(gòu)角度考慮得到解決方案是遵從混合物分離原理、分級過濾的原則、層狀結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)緊實等等。

學(xué)生經(jīng)歷的上述設(shè)計過程，體現(xiàn)了從“設(shè)計目標、根據(jù)目標建立問題解決框架、尋找解決問題的方案”等設(shè)計思維模型[7]，這一系列學(xué)生活動體現(xiàn)應(yīng)用設(shè)計思維解決問題的過程。

2.2 通過畫圖將學(xué)生設(shè)計思維外顯

設(shè)計圖是產(chǎn)品設(shè)計中所應(yīng)用的一種技術(shù)語言。以“設(shè)計”為核心的項目學(xué)習(xí)實施過程中，在方案設(shè)計環(huán)節(jié)要求學(xué)生通過勾勒草圖不斷完善設(shè)計方案，通過“設(shè)計圖”呈現(xiàn)確定的設(shè)計方案。學(xué)生作為設(shè)計者在畫草圖時不僅僅是通過圖樣的方式呈現(xiàn)大腦中的設(shè)計方案，而且草圖中蘊含了設(shè)計者畫圖時并未注意的靈感，設(shè)計者在設(shè)計過程中會根據(jù)草圖提供的原始意象與“草圖對話”[8]，激發(fā)、引入設(shè)計主體長時記憶內(nèi)的、與該設(shè)計主題相關(guān)信息，對原草圖進行重新解釋，促使新意象（image）在頭腦中形成，激發(fā)產(chǎn)生新的創(chuàng)意[9]。

在“制作凈水器”項目學(xué)習(xí)中，學(xué)生在制定設(shè)計方案過程中，著重考慮的方面就是由不同材料組合而成的凈水器的結(jié)構(gòu)，在畫草圖之前，學(xué)生在小組內(nèi)對材料的選擇和使用先后順序等問題基本達到共識，然而在畫草圖過程中他們會發(fā)現(xiàn)很多沒有預(yù)想到的問題，例如礦泉水瓶能夠容納多少材料呢？每一種材料畫多厚呢？基于這一發(fā)現(xiàn)，學(xué)生開始拿起尺子測量瓶身高度和材料厚度，并將尺寸標注在草圖中（見圖3）。這些發(fā)現(xiàn)引導(dǎo)學(xué)生從材料用量角度重新規(guī)劃設(shè)計并調(diào)整方案。確定設(shè)計方案后，學(xué)生以設(shè)計圖的方式進行呈現(xiàn)，感受“設(shè)計”活動中畫圖的規(guī)范性。

學(xué)生經(jīng)歷畫草圖的過程激發(fā)新的設(shè)計靈感進而完善設(shè)計方案，并通過設(shè)計圖的方式呈現(xiàn)最終設(shè)計，這一教學(xué)環(huán)節(jié)將學(xué)生創(chuàng)造性的設(shè)計思維外顯，使學(xué)生體會到畫圖在“設(shè)計”中的重要性，提升學(xué)生技術(shù)素養(yǎng)。

2.3 體現(xiàn)科學(xué)概念及原理的理解和應(yīng)用

科學(xué)概念及原理是科學(xué)教學(xué)的重要內(nèi)容。以 “設(shè)計”為核心的項目教學(xué)中，科學(xué)概念及原理是設(shè)計的重要依據(jù)，學(xué)生經(jīng)歷設(shè)計、制作、測試、優(yōu)化等產(chǎn)品設(shè)計整個過程體現(xiàn)其對科學(xué)概念及原理的理解和應(yīng)用。

“制作凈水器”項目教學(xué)，學(xué)生進行初步設(shè)計時依據(jù)“水的凈化”相關(guān)的科學(xué)概念及原理，具體包括“生活廢水”中的雜質(zhì)分類、材料的結(jié)構(gòu)決定其性質(zhì)和用途、溶解、過濾、混合物分離原則等[10]。若在小學(xué)5年級開展“制作凈水器”項目學(xué)習(xí)時，考慮到學(xué)生的認知基礎(chǔ)，其所涉及的相關(guān)原理見表2。

學(xué)生在制定方案之前了解“生活廢水”中的雜質(zhì)可以分為難溶物和可溶物，通過閱讀資料得到“雜質(zhì)顆粒物由大到小”的混合物分離原則，從結(jié)構(gòu)的角度認識材料屬性和功能。在項目中應(yīng)用混合物分離原則確定凈水器的功能結(jié)構(gòu)先后為去除大顆粒難溶物、去除小顆粒難溶物、去除可溶性有機物。根據(jù)對材料的認識確定凈水器的材料應(yīng)用順序大致為紗布、礫石、石英砂、PP棉、活性炭。依據(jù)產(chǎn)品要求思考材料的工藝處理方式，結(jié)合“凈水單元重復(fù)操作”等凈水技術(shù)完善設(shè)計方案。在產(chǎn)品改進優(yōu)化階段，應(yīng)用科學(xué)知識及原理從科學(xué)性、材料及工藝的角度分析問題并得到改進方案。

由此可見，學(xué)生在進行此類項目學(xué)習(xí)過程中，對相關(guān)的科學(xué)概念及原理有了更加深入的理解，并學(xué)會應(yīng)用這些科學(xué)知識對產(chǎn)品進行檢驗和分析。

2.4 小組合作探討實際問題的解決

以“設(shè)計”為核心的項目學(xué)習(xí)采取小組合作的方式進行，小組成員提出創(chuàng)造性的問題解決方案并進行討論和篩選，通過動手制作模型再次思考設(shè)計方案的合理性，根據(jù)科學(xué)的測試結(jié)果綜合分析，改進方案并優(yōu)化產(chǎn)品，整個過程學(xué)生在小組內(nèi)合作探討解決實際問題，體會團隊的力量和合作精神的重要。

例如，“制作凈水器”項目學(xué)習(xí)以4人為一個小組進行，小組成員每人都有自己的身份和職責(zé)[11]（見表3）。在這樣的小組中，每個成員從不同角度監(jiān)督和控制整個團隊任務(wù)完成的進度和效度，最終的“產(chǎn)品”體現(xiàn)著每一個成員的智慧和付出，使每個學(xué)生的使命感和成就感更強。學(xué)生在履行職責(zé)的同時，全程參與到小組活動的每一個環(huán)節(jié)中，使得活動參與度更高。

小組合作學(xué)習(xí)的方式中，教師的角色從科學(xué)知識傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W(xué)生為研究主體的共同學(xué)習(xí)者。教師以任務(wù)驅(qū)動、問題啟發(fā)的形式與學(xué)生一起交流和研究，為學(xué)生搭建思維臺階，引導(dǎo)學(xué)生深入思考[12]。對學(xué)生遇到的問題不做“對或錯”的判斷，鼓勵學(xué)生“試一試”，通過實踐探究的方式尋找答案，為學(xué)生營造一個敢于發(fā)表自我想法的安全心理氛圍，為學(xué)生創(chuàng)造力的培養(yǎng)提供充足的空間[13]。

3 結(jié)束語

以“設(shè)計”為核心的項目框架對開發(fā)科學(xué)學(xué)習(xí)與實踐活動具有方法性意義，依據(jù)這一框架設(shè)計的制作水火箭、小氧吧、制作凈水器等項目學(xué)習(xí)活動，可直接應(yīng)用于中小學(xué)科學(xué)教學(xué)和化學(xué)學(xué)科實踐活動。此外，“制作凈水器”項目學(xué)習(xí)已應(yīng)用于中小學(xué)科學(xué)教師培訓(xùn)，參與培訓(xùn)的教師通過體驗式學(xué)習(xí)對以“設(shè)計”為核心的項目教學(xué)有了深刻的理解，這將有助于今后進一步在科學(xué)教學(xué)和化學(xué)教學(xué)中開展項目教學(xué)。

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