蔣亞彬 甘雪梅

摘要本文嘗試用科學探究與工程設計整合的模式，對《設計電路》一課進行了重新設計和實踐，以緊密聯(lián)系生活的工程設計任務為教學情境。《設計電路》的教學活動結合核心素養(yǎng)與科學學科素養(yǎng)，聯(lián)系課程標準中學生應該形成的主要概念，制定了準確合情的教學目標。使學生體驗工程設計的過程，發(fā)展科學能力和工程素養(yǎng)，讓學生的思維得到充分發(fā)展。

關鍵詞 設計電路 科學探究 工程設計

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.18.027

Teaching Practice of Integration of Scientific Inquiry and Engineering Design

——Take the lesson of "designing circuit" as an example

JIANG Yabin[1]GAN Xuemei[2]

（[1] Chongqing Yuzhong District Renhejie Primary School， Chongqing 400012；

[2] Chongqing Yuzhong Teachers Training School， Chongqing 400015）

Abstract： This paper attempts to use the mode of integration of scientific inquiry and engineering design to redesign and practice the lesson of design circuit， taking the engineering design task closely related to life as the teaching situation. The teaching activity of "design circuit" combines the core literacy and scientific literacy， and links with the main concepts that students should form in the curriculum standards， and formulates the ac？ curate and reasonable teaching objectives. Students can experience the process of engineering design， develop their scientific ability and engineering literacy， and fully develop their thinking.

Keywords： designing circuit； scientific inquiry； engineering design

近年來科學課與其他學科或領域的整合教學，是基礎科學課程改革及實踐的趨勢之一。本文嘗試用科學探究與工程設計整合的模式，對《設計電路》一課進行了重新設計和實踐，以緊密聯(lián)系生活的工程設計任務為教學情境，安排了設計研討電路圖、照圖施工連接電路、測試、展示、評價、優(yōu)化迭代等活動環(huán)節(jié)，使學生體驗工程設計的過程，發(fā)展科學能力和工程素養(yǎng)。

研究背景

美國2013年頒布的《新一代科學教育標準》中，將工程實踐與科學探究整合稱為“科學和工程實踐”，作為科學教育的三個維度之一，成為基礎教育階段科學與工程教育整合的基本方式，并很快被其他國家借鑒，用于基礎教育階段的科學教育改革。2017年我國頒布的《義務教育小學科學課程標準》（以下簡稱“課程標準”）增加了技術與工程領域，并指出：技術與工程領域的學習可以使學生有機會綜合所學的各方面知識，體驗科學技術對人類生活和社會發(fā)展的影響。技術與工程實踐活動可以讓學生體會到“做”的成功和樂趣，養(yǎng)成通過“動手做”解決問題的習慣，并倡導使用跨學科的學習方式進行學習。

近年來，科學、數(shù)學、技術與工程整合（STEM）成為科學教育的新趨勢之一。STEM不是將科學、數(shù)學、技術與工程簡單地疊加，而是將四者形成一個有機結合體，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識與實踐能力。如何將工程實踐的核心思想與現(xiàn)有的科學課程結合，發(fā)展學生科學能力的同時，培養(yǎng)其工程素養(yǎng)是近年來基礎科學課程改革及實踐的重要趨勢。

課程標準指出：工程的關鍵是設計，工程是運用科學和技術進行設計、解決實際問題和制造產(chǎn)品的活動。工程無處不體現(xiàn)著“設計”這一思想，從本質上看，科學探究和工程設計實踐都是問題解決的過程。因此，筆者嘗試用“科學探究與工程設計整合”的模式設計了《設計電路》一課。

教學設計思路

《設計電路》是湘版五年級上冊第四單元“電與我們的生活”中的第3課。在前面兩課的學習中，學生了解了電路的組成部分，知道了閉合電路的基本概念。本課將引領學生在此基礎上根據(jù)教學情境中的真實問題設計電路，初步了解串聯(lián)電路和并聯(lián)電路各自的特點。教材中本課內容的安排根據(jù)兒童的認知特點，按照由易到難的層次排列。由“一個開關控制一個燈泡”到“一個開關控制兩個燈泡”，再到“有沒有更多的設計思路”，層層遞進，符合學生的認知規(guī)律。但三個任務都是由教師提出的，雖然一個比一個難，看似很有挑戰(zhàn)性，但學生不知道為什么要進行設計，不知道這樣設計之后要用在哪里、解決什么問題，就像無源之水，終有枯竭之時。經(jīng)過教學總結，筆者發(fā)現(xiàn)，對于教材中的“一個開關控制兩個燈泡”的學習任務，除非學生之前對電路的知識有所了解，否則很難想到用并聯(lián)的方法設計電路，最后的“還有沒有更多設計方案”大多是教師直接給出并聯(lián)的方法并進行解釋，很難達到發(fā)展學生思維的目的。而工程設計正是運用科學和技術進行設計、解決實際問題的活動，在本課的教學中融合工程設計，不僅可以解決學習任務的“源頭問題”，還能發(fā)展學生的工程素養(yǎng)。

教學過程

1.創(chuàng)設情境，確立工程目標

教學片段：

師：通過前面的學習，我們知道了，要想點亮小燈泡，必須用導線把它和電池、開關一起連成閉合的回路。我們今天一起來迎接一個新的挑戰(zhàn)，我們需要給這間教室安裝兩盞電燈（出示教室圖片），在安裝燈泡前，先設計怎么連接電路，然后再施工。接下來，我們一起來設計電路（出示課題）。

貼近生活的真實問題情境更容易激起學生的參與欲，進而引發(fā)他們學習的內驅力。因此，筆者設計了“為一間教室設計電路”這一貼近學生生活的教學情境，賦予學生設計師和工程師的情境角色，教師把教材中的三個任務進行整合，變成了一個整體的工程目標，將枯燥的電路知識和實際生活聯(lián)系起來，以提高學生的學習興趣。

2.設計研討，展現(xiàn)工程之“思”

教學片段：

師：怎樣才能讓兩盞燈亮起來呢？怎么設計電路圖呢？老師給大家準備了小白板和電路元件的小磁貼，請同學們用筆畫線來表示導線，在小白板上擺出你們的設計圖。如果你們需要更多的小磁貼，比如開關等，可以到老師這里來領取。

（學生小組討論，設計電路圖。）

師：請小組代表把設計圖貼到黑板上來。

同學們觀察一下，這些設計圖中，哪些能讓兩盞燈亮起來，哪些不能？先在小組內討論一下，再跟大家分享你們的發(fā)現(xiàn)。

（學生分小組觀察、討論。）

師：大家來看看第1組的設計，你們覺得他們能不能點亮兩盞小燈泡？

生：能！因為他們把兩個燈泡都連接到電路里，形成了一條閉合回路。

師：第2組的設計呢？

生：我認為他們不能點亮兩盞燈，因為第一個燈泡只連接了正極，第二個燈泡只連接了負極，它們沒有形成閉合的回路。

師：應該怎么修改？（學生回答并修改。）第4組呢？我覺得他們設計的電路有點復雜，應該請他們來介紹一下。

生：我們是第4組。我們用了兩個開關，因為我們想要分別控制兩個小燈泡，想讓哪一個亮就可以單獨讓它亮。我們先把一個開關和一個燈泡連成一個閉合回路，然后把另一個開關和另一個燈泡連接成一條閉合回路。

師：他們連接了兩條閉合回路，你們覺得他們的設計能不能讓兩個燈泡都亮起來？

生：應該是可以的，因為都形成了閉合回路。

師：現(xiàn)在黑板上的設計都能讓兩個小燈泡亮起來，大家再仔細觀察一下，這些設計哪些是一樣的，可以分到一類？

生：我覺得1、2、3、6、7組是一樣的，因為它們都只有一條閉合回路；4、5組是一樣的，它們都有兩條閉合回路。

在科學領域，“思”指向以解釋自然現(xiàn)象為目標的科學探究；在工程技術領域，“思”則指向服務于實際問題的工程設計，因此工程之“思”可以有多種設計思路。本課體現(xiàn)工程之“思”的方法就是設計電路圖。

在提出設計要求時，教師其實設置了一個“陷阱”——沒有對兩個燈泡是否要分別控制進行說明，希望學生能在設計時呈現(xiàn)思維的差異。接著，教師讓學生對每個小組的設計圖充分討論，通過生生之間的對話，發(fā)展學生的思維。本課中教師花費了很多的時間對每一個設計圖是否可行進行了分析，對于稍微復雜的設計還請學生進行介紹，對不可行的方案進行了修正，并對所有的方案進行比較和分類（串聯(lián)和并聯(lián)），讓學生對兩種電路設計方法在思維上進行比較。實際上這也是工程師在工作中經(jīng)常要用到的方法。

3.動手連接，體驗工程“施工”

在動手連接的過程中，一些小組會面臨照圖施工之后燈泡不亮的情況，這時候就需要學生利用前面兩節(jié)所學的閉合電路的知識去查找原因，并解決問題。在真實的工程施工中也會遇到施工現(xiàn)場條件、材料等因素影響施工進展的問題，在這個過程中學生解決了現(xiàn)場生成的問題，并體會到成功的喜悅。

4.測試、優(yōu)化，感受工程迭代

教學片段：

師：下面我想請設計這兩種連接方式的小組分別來測試一下他們電路連接的效果，同學們仔細觀察，看看兩種連接方式有什么不一樣的地方。

生：我覺得4、5組的燈很亮，1、2、3、6、7組的燈有些暗。

師：你觀察得很仔細，還有什么發(fā)現(xiàn)？

生： 4、5組是兩個開關分別控制兩個小燈泡，1、2、3、6、7組是一個開關控制兩個小燈泡。

師：同學們真是善于發(fā)現(xiàn)和總結。實際上像這樣把用電器一個接一個順次連接的電路，我們把它叫作串聯(lián)電路。這樣把用電器并列連接起來的電路，我們把它叫作并聯(lián)電路。

大家認識了串聯(lián)電路和并聯(lián)電路之后，如果再讓你們選擇，你們會選擇哪種連接方式來連接我們這間教室的兩盞燈呢？

生：我想選擇串聯(lián)電路，因為這種方式很方便，一下子就把兩盞燈都打開了，要關的時候也能一次就關掉。

師：你們覺得呢？

生：我不同意，我覺得并聯(lián)電路更適合，因為如果我只想要開一個燈的時候，用串聯(lián)電路就無法實現(xiàn)，就比較浪費電。

師：你們同意他的說法嗎？

生：我同意他的看法，可是我認為要分情況，當我不需要分別控制的時候，串聯(lián)電路更方便。

生：可是如果我們用串聯(lián)電路連接兩盞燈，假設其中一盞燈壞了，閉合電路就斷開了，那剩下的一盞也不亮了，所以我覺得還是并聯(lián)電路更實用。

師：他說的你們聽懂了嗎？同意嗎？

生：我同意他的觀點，而且我還有補充。我們剛才看到并聯(lián)電路的燈泡明顯亮一些，所以從保護視力的角度考慮，并聯(lián)電路更有優(yōu)勢。

生：我有一點同意，也有一點不同意。因為我發(fā)現(xiàn)我們教室的燈就是一個開關可以同時控制一整排燈泡，說明它們是串聯(lián)電路。

師：這位同學很善于觀察，我們就來看看我們教室的燈到底是怎么控制的。（教師演示用開關控制教室的燈。）你們有什么發(fā)現(xiàn)？

生：我覺得每一排都是由一個開關控制的，它們是串聯(lián)的，然后每一排之間是并聯(lián)電路。

生：我不同意這種說法，因為我記得有一次教室的一盞燈壞了，但是只有它不亮，那一排的其他燈還是亮的，說明它們之間不是串聯(lián)的。

師：其他同學呢？你們贊同哪個觀點？

生：我覺得這是一種“超級并聯(lián)”，就是可以用一個開關控制很多盞燈的并聯(lián)電路。它的開關要放在總線路上。

師：用一個開關控制很多盞燈的并聯(lián)電路是怎么回事呢？我們還是從兩盞燈開始，同學們再來設計一次吧！

通過對兩種連接方式的展示，學生對串聯(lián)電路和并聯(lián)電路的概念其實已經(jīng)初步形成，到這里是可以畫上句號的。但教師在這里又增加了一個環(huán)節(jié)：請學生在認識了串聯(lián)和并聯(lián)兩種連接方式后，再來選擇更適合本課教學情境的電路連接方式。這里是回扣教學情境，同時也暗含了對兩種連接方式的評價，以及優(yōu)化、迭代的思想。在討論中有學生發(fā)現(xiàn)，串聯(lián)電路中一個燈泡壞了，另一個也不亮，而并聯(lián)電路沒有這個問題，所以并聯(lián)電路比較合適。

還有學生通過觀察提出教室里的燈是一個開關控制一串燈，所以是串聯(lián)的，并得出串聯(lián)比較合適的結論；立刻又有學生用一個燈泡壞了但其他燈泡不受影響的發(fā)現(xiàn)反駁他，這樣的討論很好地引發(fā)了認知沖突。教師順勢引導學生以滿足“一個開關同時控制兩個燈泡的并聯(lián)電路”的要求再次進行設計，在這里工程迭代的特征更加明顯，甚至有學生用“超級并聯(lián)”來形容這種用一個開關控制很多盞燈的并聯(lián)電路，因為它兼具了串聯(lián)電路的集中控制和并聯(lián)電路的互不影響、亮度高等優(yōu)點。至此，學生對串聯(lián)電路和并聯(lián)電路的認識可以說是非常深刻了。

教學總結

縱觀整個教學過程，學生的參與度非常高，討論時，教師對學生的回應，僅僅是為了推動討論的進行，有時甚至不需要教師組織，學生之間就能形成有效的互動。生生互動成為本課推動學生思維和認知發(fā)展的動力，這與本課將科學探究與工程設計結合的設計密不可分，以解決真實問題作為教學情境，就讓學生有很高的學習興趣，也因為和生活緊密相關，學生有來自生活的認知基礎，表達觀點時有據(jù)可依，語言表達更有邏輯性，有效地傾聽也隨之發(fā)生。在這樣的良性循環(huán)下，學生的思維得到了充分發(fā)展。

從科學探究的角度看，學生完成了對“怎樣讓教室里的兩盞燈亮起來”這一問題的探究學習，認識了串聯(lián)電路和并聯(lián)電路的特點以及應用場所，科學思維得到了發(fā)展。

從工程實踐的角度看，學生體驗了工程設計、施工測試、優(yōu)化迭代等過程，學會了用設計圖來表達自己的構想，并能夠簡單評估一個設計圖是否可行，對自己和他人的設計圖提出改進建議，并說明理由，在按照設計圖“施工”時能夠解決一些現(xiàn)場生成的問題，做出相應的調整和修改。

在測試和優(yōu)化的環(huán)節(jié)，學生能夠從使用環(huán)境、使用要求等方面評價他人的工程設計，并能不斷改進和完善自己的設計，充分體會了工程迭代的思想，工程思維、解決問題的能力、批判性思維等高階思維也得到了提升。

點評

《設計電路》的教學活動，從對教材的精準分析及解讀，對學生的學情及前認知的摸底把握，并結合核心素養(yǎng)與科學學科素養(yǎng)，同時聯(lián)系課程標準中學生應該形成的主要概念，制定了準確合情的教學目標。教學準備得充分具體，有利于分組活動時能人人參與。教學流程清晰合理，遵循了學生從具體到抽象的認知規(guī)律，用類比、歸納、演繹思維方式培養(yǎng)學生的思維能力。

本課在教學設計與實施的過程中，遵循兩個教學目標：

課程標準中物質科學領域提出的：在教學中，教師應該幫助學生形成的主要概念“6.機械能、聲、光、熱、點、磁是能量的不同表現(xiàn)形式”。

課程標準中技術與工程領域提出的：在教學中，教師應該幫助學生形成的主要概念“工程的關鍵是設計，工程是運用科學和技術進行設計、解決實際問題和制造產(chǎn)品的活動”。

這節(jié)課有以下亮點：

（1）教學內容的知識目標的難度適中，學生踮踮腳、伸伸手或跳一下，便能獲得。

（2）教學過程以“需求—設計—制作—調試—分析—歸納—建構—應用”為活動脈絡，巧妙建構落實核心素養(yǎng)的路徑。

（3）在發(fā)展學生的發(fā)散性思維時，大膽放手，用非線性思維的形式呈現(xiàn)學生思維的多樣性。在發(fā)展學生的邏輯性時，通過生生互動呈現(xiàn)思維的靈活性。在認知過程中，從個別到一般，發(fā)展學生的歸納概括的邏輯推理的思維能力。同時積極思考質疑，發(fā)展創(chuàng)新思維能力。通過反問、追問，用線性思維的形式使思維向深度發(fā)展。在應用時，發(fā)展學生演繹推理的思維能力。

（4）在教學中，教師沒有片面地為思維而思維，而是順勢而導，引導學生從現(xiàn)象到本質進行科學探究活動，體現(xiàn)了教師的主導作用。在培養(yǎng)學生關鍵能力時，充分放手發(fā)揮合作學習的作用，用知識（前認知與需要構建的知識）為載體，讓他們學會了科學方法，發(fā)展了思維能力，培養(yǎng)了學生的科學精神與質疑辨惑的創(chuàng)新思維能力。

杜威認為，有兩種知識，一種是靠記憶得來的知識，一種是靠思維得來的知識。靠記憶得來的知識，來得快去得也快，所以思維才是打開未來世界的鑰匙，發(fā)展思維是科學教學的關鍵。只有在教學中培養(yǎng)敢想會思、敢說會談、敢做巧做的學生，才能讓核心素養(yǎng)的培養(yǎng)真實落地。

而就學生的思維而言，本課立足于技術工程的角度，以任務驅動的方式，可以更好地激發(fā)學生的探究思維，在做中學，在學中思，在思中得。