房曉彤 劉曄

摘要：隨著2017年我國(guó)《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》的頒布，小學(xué)三至六年級(jí)科學(xué)教材也進(jìn)行了全面修訂，新教科版科學(xué)教材從2019年9月開(kāi)始投入使用。其中一大變化是新增設(shè)技術(shù)與工程領(lǐng)域。同期，基于美國(guó)《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》（NGSS）編寫(xiě)的科學(xué)和工程教科書(shū)《Science Dimensions》（《科學(xué)的維度》，以下簡(jiǎn)稱SD教材）也開(kāi)始發(fā)售。SD教材的課程內(nèi)容與《框架》和NGSS中的“科學(xué)與工程實(shí)踐”“學(xué)科核心概念”“跨學(xué)科概念”三個(gè)維度內(nèi)容一致，并創(chuàng)造性地將基于這三個(gè)維度構(gòu)成的課程體系巧妙地融合到每節(jié)課中，以達(dá)到學(xué)生的“表現(xiàn)預(yù)期”，從而更好地幫助學(xué)生獲得基礎(chǔ)的科學(xué)素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞：科學(xué)教材;工程設(shè)計(jì);開(kāi)發(fā)

本文的教學(xué)案例選用一節(jié)典型的工程技術(shù)課進(jìn)行介紹，以“怎么做工程設(shè)計(jì)？”為主題并分析其對(duì)我國(guó)中小學(xué)科學(xué)工程技術(shù)課的啟示。

一、“怎么做工程設(shè)計(jì)？”教學(xué)設(shè)計(jì)

第1步：通過(guò)指定標(biāo)準(zhǔn)和約束條件來(lái)定義問(wèn)題。

問(wèn)題背景：因?yàn)樯降朗艿絿?yán)重侵蝕導(dǎo)致徒步路線存在安全隱患，你如何解決這個(gè)問(wèn)題？

了解需要解決的問(wèn)題后，為學(xué)生準(zhǔn)備一個(gè)問(wèn)題解決的支架——需修建道路的公園的地形圖。通過(guò)地形圖了解此地區(qū)的地理情況再結(jié)合此地區(qū)的天氣條件，以確定將使用什么標(biāo)準(zhǔn)和面臨什么約束條件。此時(shí)，既提供了獲取信息來(lái)源的工具——地圖，又點(diǎn)明了工具的使用方法和目的。

接下來(lái)引導(dǎo)學(xué)生分析山道修復(fù)這個(gè)工程項(xiàng)目的指定標(biāo)準(zhǔn)和約束條件分別是什么。

我們預(yù)期的目標(biāo)是什么？比如，這個(gè)山道侵蝕問(wèn)題想得到合理解決需要達(dá)到這3項(xiàng)要求：通行安全、減緩降水對(duì)山地的侵蝕、修復(fù)過(guò)程中盡量少用建筑材料。

我們面臨的限制有哪些？比如，實(shí)施這項(xiàng)工程所耗費(fèi)的資金、材料、空間、時(shí)間……

第2步：開(kāi)發(fā)和比較多個(gè)解決方案。

在這個(gè)環(huán)節(jié)，根據(jù)教材以插圖搭配文字的方式引導(dǎo)學(xué)生一步一步進(jìn)行頭腦風(fēng)暴。

在5～10分鐘內(nèi)獨(dú)立想出盡可能多的解決方案，然后不加評(píng)判地傾聽(tīng)每個(gè)人的想法。選一個(gè)小組成員做記錄員，使用每個(gè)人都能看到的白板記錄大家的方案。

小組進(jìn)行觀點(diǎn)討論，給每個(gè)人一個(gè)機(jī)會(huì)來(lái)解釋自己的方案。

盡量將方案清單減少到2～3個(gè)想法。使用決策矩陣來(lái)選擇實(shí)施可行性最大的方案。

最終小組的方案是有理性判斷的工具。

第3步：進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)試可選擇的方案。

首先是動(dòng)手項(xiàng)目。學(xué)生需要制作一個(gè)按比例縮小的山地立體模型來(lái)測(cè)試方案的可行性。如通過(guò)模擬降水的方法測(cè)試。學(xué)生按照科學(xué)探究的步驟進(jìn)行測(cè)試，分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得出結(jié)論。此處，還會(huì)向?qū)W生滲透一個(gè)觀點(diǎn)即“‘失敗是設(shè)計(jì)過(guò)程中必不可少的部分，因?yàn)樗赋隽颂岣咴O(shè)計(jì)方案的途徑”。

然后與學(xué)生一起總結(jié)什么是工程設(shè)計(jì)。工程師們遵循“發(fā)現(xiàn)問(wèn)題或需求一調(diào)查一定義問(wèn)題一共同討論解決方案一評(píng)估解決方案并做出最佳選擇一開(kāi)發(fā)和測(cè)試模型一評(píng)價(jià)測(cè)試結(jié)果一交流”的步驟來(lái)開(kāi)發(fā)解決方案，而這些步驟可以分為三部分，即定義問(wèn)題、形成可能的方案、改進(jìn)設(shè)計(jì)。

二、案例的啟示

（一）“工程技術(shù)”單元與其他單元的聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)

在整套SD教材的課程內(nèi)容設(shè)計(jì)中工程和STEAM是重要組成部分。從橫向來(lái)看，教材將K-5年級(jí)的每?jī)?cè)課程內(nèi)容都分成了4個(gè)板塊：工程與技術(shù)、物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球和空間科學(xué)。其中，工程與技術(shù)作為每?jī)?cè)的第1單元，統(tǒng)領(lǐng)其后的物質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、地球和空間科學(xué)各單元。學(xué)生先學(xué)習(xí)工程設(shè)計(jì)的必備知識(shí)和掌握關(guān)鍵能力后再應(yīng)用到一般科學(xué)探究活動(dòng)中。SD教材G5第1單元《工程與技術(shù)》共有3節(jié)課，其中第1課是了解科學(xué)和數(shù)學(xué)如何應(yīng)用于工程，第2課是怎么做工程設(shè)計(jì)？而在第3課則學(xué)習(xí)技術(shù)如何影響社會(huì)，還包括單元表現(xiàn)性任務(wù)和單元回顧。這樣的課時(shí)安排是符合學(xué)生的認(rèn)知能力的，先介紹工程設(shè)計(jì)中用到的數(shù)學(xué)和科學(xué)知識(shí)，然后再遵循工程設(shè)計(jì)步驟解決問(wèn)題，問(wèn)題解決后也就更能夠深入理解技術(shù)是如何影響社會(huì)的。從縱向來(lái)看，首先學(xué)生已經(jīng)有了K-2的工程技術(shù)基礎(chǔ)，在G3、G4兩個(gè)學(xué)段學(xué)生主要學(xué)習(xí)如何定義問(wèn)題、如何設(shè)計(jì)解決方案、測(cè)試和改進(jìn)原型，作為三～五年級(jí)段的最高段，G5學(xué)段則要求學(xué)生掌握的是怎么做工程設(shè)計(jì)。學(xué)生將展示在小學(xué)階段所掌握的全部工程技術(shù)能力。

我國(guó)2017年新教科版小學(xué)科學(xué)教材中也對(duì)工程技術(shù)部分進(jìn)行了重新布局。在一至二年級(jí)段安排了如1年級(jí)上冊(cè)“比較與測(cè)量”單元來(lái)進(jìn)行工程技術(shù)的滲透，在三至四年級(jí)段的工程與技術(shù)訓(xùn)練則是以對(duì)應(yīng)主題單元課時(shí)的方式安排，如四年級(jí)上冊(cè)“運(yùn)動(dòng)和力”單元的第7、第8課時(shí)“設(shè)計(jì)制作小車”。在四至六年級(jí)段設(shè)計(jì)了4個(gè)“技術(shù)與工程”專題單元，分別為五年級(jí)上冊(cè)“計(jì)量時(shí)間”、五年級(jí)下冊(cè)“船的研究”、六年級(jí)上冊(cè)“工具與技術(shù)”、六年級(jí)下冊(cè)“小小工程師”。從分布來(lái)看，尊重學(xué)生認(rèn)知成熟度的安排較為明顯。隨著學(xué)生知識(shí)量的積累，操作水平提高，在小學(xué)高段年級(jí)著重進(jìn)行技術(shù)與工程能力的實(shí)踐訓(xùn)練。但是學(xué)生只是了解了工程設(shè)計(jì)一般有什么步驟，缺乏對(duì)分解步驟的強(qiáng)化訓(xùn)練。從縱向來(lái)看，4個(gè)專題單元的切入點(diǎn)是按照從認(rèn)識(shí)人工世界到技術(shù)再到工程的編排邏輯，由具體問(wèn)題到宏觀的視角，符合學(xué)習(xí)進(jìn)階的設(shè)計(jì)原則，但是僅六年級(jí)下冊(cè)“小小工程師”這一專題內(nèi)容是明確用工程技術(shù)解決問(wèn)題，其他的專題單元仍然是知識(shí)主題下的動(dòng)手實(shí)踐項(xiàng)目，訓(xùn)練機(jī)會(huì)少。從橫向來(lái)看，還需要加強(qiáng)與其他類主題單元之間的聯(lián)動(dòng)。

（二）情境創(chuàng)設(shè)：真實(shí)的重要性

SD教材的“工程技術(shù)”單元所選內(nèi)容力求貼近學(xué)生的真實(shí)生活，凸顯美國(guó)基礎(chǔ)教育階段“‘工程技術(shù)不僅僅是對(duì)科學(xué)的應(yīng)用，而且是人類改造世界的一項(xiàng)系統(tǒng)化實(shí)踐”的教育理念。該教材在每一課的最后安排了部分與本課內(nèi)容背景一致、有關(guān)科學(xué)和工程方面的職業(yè)或者科學(xué)家、工程師的職業(yè)內(nèi)容介紹。與真實(shí)世界的聯(lián)系菲常有利于讓學(xué)生感受到所學(xué)內(nèi)容的價(jià)值。而我國(guó)的教材是以單元學(xué)習(xí)主題來(lái)作為工程設(shè)計(jì)的背景，偏重知識(shí)，而不是偏重解決實(shí)際生活問(wèn)題。如四年級(jí)上冊(cè)“運(yùn)動(dòng)和力”單元的工程技術(shù)訓(xùn)練內(nèi)容“設(shè)計(jì)制作小車”的設(shè)計(jì)中，首先要求學(xué)生明確問(wèn)題：“人們根據(jù)需要會(huì)設(shè)計(jì)各種動(dòng)力的車輛來(lái)執(zhí)行不同的任務(wù)。我們也設(shè)計(jì)一輛具有動(dòng)力的小車來(lái)完成任務(wù)吧！”接著給出任務(wù)要求“請(qǐng)利用生活中的材料設(shè)計(jì)制作一輛具有動(dòng)力的小車，使它能在5秒內(nèi)把2塊橡皮運(yùn)輸1米遠(yuǎn)”。這樣的任務(wù)對(duì)于學(xué)生工程設(shè)計(jì)思維能力的訓(xùn)練幫助是有限的。

中美教材總目標(biāo)是基本一致的，都將目標(biāo)定位為培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)，并為他們繼續(xù)學(xué)習(xí)、成為合格公民和終身發(fā)展奠定良好的基礎(chǔ)。從學(xué)習(xí)方法來(lái)看，兩套教材的提倡均基于活動(dòng)探究的學(xué)習(xí)方式，注重培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手操作能力以及直接經(jīng)驗(yàn)的獲取。我國(guó)的工程技術(shù)領(lǐng)域育人目標(biāo)的達(dá)成還在探索過(guò)程中，絕不能讓工程實(shí)踐內(nèi)容的教學(xué)停留在單純的技能或知識(shí)學(xué)習(xí)層面，要不斷探索，使學(xué)生找到綜合應(yīng)用知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的路徑。