設計思維導向下的低年段科學教學

司徒敏

設計思維是指人們在遇到復雜的現實問題時，能夠綜合運用自己的知識，通過設計與思維雙螺旋結構的相互依賴與促進，不斷生成新的解決策略，進而創造性地形成解決問題的思路與方案。在設計思維導向下的活動中，學生擁有像設計師一樣思考的機會，創造力便油然而生，他們可以積極主動地參與探究性學習、小組活動，而非被動式聽講，可以多角度地看待、分析問題并利用身邊的資源來解決問題。

在2017版《義務教育小學科學課程標準》中增加了一個學習領域就是技術與工程領域，提到的18個主要概念之一就有“工程的關鍵是設計”，可見設計思維在該領域的學習中有著重要的作用。在低年段的教學中如何培養學生的設計思維呢？下面我以《做磁鐵玩具》為例，談談自己的做法。

了解需求，滲透設計思維

我們生活中的很多文具和玩具，都是經過設計師精心設計的，但對學生來說，他們很少會去關注這些巧妙的設計。事實上，這些設計能給學生啟發或作為設計的范例。所以在教學的起始，我先讓學生去了解生活中的物品，從物品去了解別人是如何設計的，從而滲透設計思維教育。在上課前，我先讓學生搜集家里裝有磁鐵的物品，并把這些物品帶回來，在課堂上給大家做介紹：這些物品用來干什么？是運用了磁鐵的什么特點？當把不同的磁鐵物品放在一起時，學生會發現它們有不同的形狀與用途，也就明確了：我們根據不同需要把磁鐵設計成不同形狀，根據磁鐵的不同特點把它運用到生活的不同方面，從而讓學生明白我們是基于需求去進行設計，而不同的需求就有不同的設計。

觀察產品，分析設計

在設計前，除了要考慮需求，還需要思考解決問題的方法——設計原理。低年段學生的思維還處在具體運算階段，在指導他們分析產品的設計原理時，需要用最簡單的產品作為例子，通過拆解產品來展示設計原理?！蹲龃盆F玩具》一課，教材是用“蹦蹦蛙”這個玩具來啟發學生。執教時，我先給學生展示了“蹦蹦蛙”蹦跳的玩法，吸引他們的注意力;接著讓學生猜測為什么“蹦蹦蛙”能蹦跳，由于有了前面幾課的學習基礎，學生都能猜到是利用了磁鐵同極相斥的原理;當把“蹦蹦蛙”的內部展示給學生時，他們進一步明晰了設計原理，為后面的模仿設計作鋪墊。從觀察簡單產品到分析設計原理是一個解暗箱的過程，在這個過程中教師給予學生設計產品的信心，并激發了他們的設計興趣。

嘗試摸索，模仿設計

既然已經明白了設計的原理，那就可以讓學生嘗試制作一個產品，低年段學生更適合從模仿設計、制作開始。這個制作不是簡單的拼裝，而是要在拼裝的過程中思考各部分材料在產品中發揮的作用。在上課時，我提供給學生的材料與我出示的“蹦蹦蛙”玩具的材料有一些不同（見表1），但我并沒有告訴他們提供的材料相當于“蹦蹦蛙”玩具的哪部分，需要學生在制作過程中發現這些材料的作用。在嘗試設計的過程中，他們一開始沒有用到橡皮泥，當作好玩具后，他們發現木筷子不穩固，才想到用橡皮泥做底座。也有些學生會想到用橡皮泥包住最下面的環形磁鐵，這樣就使得玩具更有神秘感。從學生嘗試摸索的過程可以看出，他們已經有了設計的意識，為下面遷移設計做了一定的鋪墊。

變換材料，遷移設計

為了推動學生的設計思維向前發展，教師需要創造新情境來加以強化。對低年段的學生來說，新、舊情境要有聯系，這樣才便于他們進行設計的遷移，教師可以通過變換材料或變換研究對象來創設新情境。

在學生用環形磁鐵設計并制作了“蹦蹦蛙”后，我再出示柱形磁鐵，問學生能不能用柱形磁鐵來做“蹦蹦蛙”，由于環形磁鐵和柱形磁鐵的形狀不同，這就決定了要用不同的方法去設計，這里就不再是簡單的模仿設計了。我提供給學生的材料有柱形磁鐵、吸管、貼紙、橡皮泥，而吸管的粗細、長短各不相同，需要學生選擇使用。這次的材料比前一次的材料更加復雜，吸管的粗細與長短要根據柱形磁鐵的情況來選擇。

事實證明，在這個環節中學生的思維被充分調動起來。學生先提出的解決方法是把柱形磁鐵粘在吸管上，隨后發現粘在吸管上柱形磁鐵是無法彈跳的，繼而提出把柱形磁鐵放在吸管里面。在探究的過程中他們發現，吸管太長，無法按壓柱形磁鐵;吸管太短，柱形磁鐵會掉出來，所以吸管的長度要設計得剛剛好。同樣，貼紙貼在哪里也需要設計，如果貼紙貼在吸管上就彈跳不了，因此需要貼在柱形磁鐵的最上端（如圖1）。這樣的遷移設計是具有挑戰性的，但難度適合二年級學生的水平，讓他們“跳一跳就能摘到桃子”。

模仿設計與遷移設計這兩個有結構但又有梯度的活動，讓學生知道不同形狀的磁鐵都可以實現同極相斥，但要根據磁鐵的特點來使用不同的材料，用不同的方法制作“蹦蹦蛙”玩具。在活動的最后，我引導學生歸納設計思路：先對玩具樣品進行觀察，再推測內部的結構與原理，接著構思設計方案，最后選擇合適的材料進行制作并測試。學生還意識到，要達到同樣的效果，可以有不同的材料選擇和不同的實施方法。

親子活動，創意設計

通過上面的幾個活動，學生已經基本了解了設計的方法，也初步具備了設計思維，這時教師可以讓學生進一步遷移，把方法運用到設計其他物品上，在實際運用中強化設計思維。在課的最后，我鼓勵學生課后與家長完成親子活動——設計并制作磁鐵玩具，加深學生對磁鐵特點的認識并進一步運用設計思維，鼓勵他們下節課把制作好的磁鐵玩具帶來展示。結果，學生的作品創意十足（如圖2），他們都能說出玩具是根據磁鐵的什么特點制作的，為什么要這樣設計?？梢娫O計思維已經開始扎根在學生的頭腦中。

優化教學策略，助推學生思維養成

在執教過程中，為了讓低年段學生更好地掌握設計思維，我采用了以下三個策略：

1.可視化工具幫助設計構思

由于低年段的學生思維處在具體運算階段，需要形象化的符號幫助他們思考，所以在教學中教師可以借助可視化的工具激發學生思考，幫助他們構思設計。教學中常用到的可視化工具有設計圖、模型、照片、視頻等，設計圖將想法可視化，模型將設計方案可視化，照片、視頻將思考過程可視化。

課堂上，我讓學生介紹自己的設計想法時，借助了放大的材料圖片，讓學生邊介紹邊擺放圖片，這樣其他同學就能明白“蹦蹦蛙”玩具的設計方法以及制作過程。在讓學生用柱形磁鐵設計玩具前，我利用了兩個模型來啟發學生的思維。學生一開始提出把柱形磁鐵粘在吸管上，這時我出示做好的模型，學生馬上就反應過來——粘在吸管上的磁鐵不可能彈跳起來。緊接著有學生提出用紙圈套住柱形磁鐵，這樣既可以讓磁鐵立起來，又可以彈跳。這時我又出示模型并進行了演示，學生發現由于上面的柱形磁鐵空間太多，它沒有與下面的柱形磁鐵作用，因此彈跳不起來。通過模型的直觀演示，學生很快就構思出了用柱形磁鐵制作玩具的方法。

2.問題鏈使設計思路清晰化

低年段的學生在設計時，思考往往是片面的，設計思路也不夠清晰，所以教師借助問題鏈可以促進學生思考，幫助他們理清設計思路。例如在讓學生用柱形磁鐵做“蹦蹦蛙”玩具時，我就提出了以下問題鏈：

（1）你們的玩具是怎樣實現小動物上下彈跳的？

（2）磁鐵除了這樣放，還可以怎樣放？

（3）吸管有什么作用？

（4）大家都選擇同樣的管子，為什么其他的管子不合適？

（5）為什么貼紙不能貼在吸管上？

問題鏈中每一個問題都有不同的指向性：第一個問題指向玩具彈跳的原理，第二個問題指向方法的多樣性，第三個問題指向材料的作用，第四個問題指向材料的選擇，第五個問題指向玩具的效果。通過思考這些問題，學生就清晰地知道在設計時要考慮原理、實施的方法、每個結構的作用、材料的選擇等問題。

3.頭腦風暴激發創意設計

雖然在設計思維導向下的低年段教學更多的是教師指導，但這并不意味著教師必須帶著學生一步步去設計與制作，而是可以在教學的拓展部分適當放手，讓學生發散他們的設計思維，在大家的頭腦風暴中相互啟發，產生更多的創意設計。在學生完成了玩具的設計與制作后，我演示了幾個磁鐵玩具，讓他們知道還可以利用磁鐵的其他特點來做好玩的磁鐵玩具。接著鼓勵他們進行頭腦風暴，說說想設計什么磁鐵玩具，學生的想法很多，如吃豆子的小雞、智能停車場、飛舞的蝴蝶……很多有創意的設計就在大家的交流中迸發出來。

設計思維導向下的低年段教學是以學生發展為中心，強調問題解決、創新精神等綜合能力的培養。在實踐中我們發現，從低年段就開始培養學生的設計思維，對他們科學思維的發展、科學探究能力的提升有很大的幫助。

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