小學科學教學內容的結構化設計

科學課程標準要求，教師要圍繞核心概念教學，促進學生主動參與，發展他們對概念的深度理解與應用，提升他們的核心素養。在技術與工程內容中，學生要基于對物質的結構與性質的核心概念的理解，意識到為了實現特定的功能，需要設計并制作有獨特結構的裝置；若結構存在缺陷，則不能充分實現設想的功能。因此，在技術與工程內容的教學中，教師要圍繞核心概念整合學科知識，對教學內容進行結構化處理。

一、教學背景分析

《增加船的載重量》屬于教科版教材五年級“船的研究”單元的內容。本課中，學生在了解了船的歷史、認識常見材料的沉浮性質及其用途的基礎上，通過設計并制作結構獨特的船艙，增加船的載重量，從而從材料角度理解跨學科概念“結構與功能”。

在工程實踐活動中，學生通過用鋁箔紙造船的對比實驗，重點從結構與功能的角度比較不同船型的載重量大小并思考分艙結構對于船體穩定性的作用，認識船的載重量不僅與船的材料、結構、貨物放置的位置等多種因素相關，還與船的體積大小相關，即用相同重量和相同大小的同一材質的材料制作的船，船型的體積越大，載重量就越大。學生可以從本質上認識材料是功能化的物質，為后續根據造船需求選擇不同材料進行設計等奠定基礎。

根據課程標準要求，本課涉及的主要核心概念是工程設計與物化，次要的核心概念是物質的結構與性質、物質的運動與相互作用。5～6年級的學業要求是：能提出滿足一定限制條件的簡單工程問題，知道驗收標準，了解設計方案中各種因素間的關系；應用創造性思維的基本方法提出多種設計方案；能制作實物模型，并基于證據改進實物模型的設計和制作；觀察常見材料在水中的沉浮現象，說出它們的主要用途；能說明有些力是通過接觸物體施加的，有些力是不直接接觸物體施加的，力可以改變物體的運動狀態。

二、教學實施過程

為保證教學目標的有效達成，教師可以按照“教—學—評”一體化的理念，將基于核心概念的知識結構有機融入各個教學環節，教學流程見表1。

1.制訂教學目標

教師對照課程標準中的學業要求設計了以下教學目標。

通過不同船型的載重量比賽，概括出“不同材質的船載重量不同，同一材質的船載重量也不同”，提出研究有關增加船的載重量的工程問題。

基于增加船的載重量的工程問題進行預測，利用鋁箔紙設計不同底面積的船型的實驗方案，將方案物化為實物模型，測試其載重量，搜集并記錄證據，并基于證據歸納梳理。

通過分析實驗結果，計算載重量大的船的體積，認識到同種材質、體積越大的船型其載重量越大，進而建立結構與功能的聯系。

建立物質的結構與性質的聯系，對船模進行改進與優化，分析保持平衡的船型的結構設計，認識到船的穩定性與船型的結構有關，產生進一步探究的興趣，了解人類的需求是科學技術發展的動力，認同技術的發展和應用影響著社會發展。

2.確定教學環節

學生學習本課時需要經歷以下幾個認識環節。

引入載重量，即從學生比較用沉的材料做的橡皮泥船和鋁箔船的載重量入手，讓他們觀察不同船型載重量不同的現象，根據已有知識對比分析相關實驗現象，從而引發認知沖突，進而提出需要探究的科學問題，明確定義工程問題的限制條件。

研究載重量，讓學生設計不同的船型并制作模型，通過對比實驗搜集證據，記錄現象。

理解載重量，根據實驗探究結論，推理得出載重量大的船型特征與船的底面積和船舷高度有關；認識到同種材質的船型，體積越大，載重量越大。對不同船型的模型作出評價并改進，進而深化對核心概念“物質的結構與性質”的理解。

應用載重量，利用有關物質結構的核心概念和工程技術科學概念解釋船的穩定性與船型結構有關。

其中，研究載重量環節是培養學生科學探究和工程思維能力的重要過程，理解載重量可以讓學生從具體事實上升到對抽象概念的認識和理解。

3.提出驅動問題

為實現教學目標，本課以問題為引領，幫助學生建立物質的結構與性質的聯系。本課的主要教學環節涉及4個問題。

問題1：如何提高船的載重量？

意圖：在不同船型的載重量比賽的情境中，讓學生發現不同船型的載重量不同，引發他們的認知沖突，進而提出本課的研究問題。

問題2：各組載重量為何不同？如何證明？

意圖：引導學生深入研究，并基于現象及生活經驗做出預測，經歷實驗設計、模型制作、載重量測試及搜集證據等一系列過程。教師從中滲透技術與工程實踐的一般步驟，實現對學生邏輯思維的培養。

問題3：船的載重量與什么有關？

意圖：基于對測試結果的分析，助力學生建立載重量與船型、體積的聯系，突破他們的原有認知，即“底面積越大，載重量越大”的觀點，從而建立同種材質、體積越大的船型其載重量越大，滲透跨學科概念“結構與功能”。

問題4：怎樣讓載重量大的船保持平衡或穩定？

意圖：基于對保持平衡的船型的結構分析，引發學生優化與改進船模的結構，培養他們的創造思維，同時讓他們體會到人類的需求可促進技術的發展，從而保持探究船的結構與相應功能的興趣。

通過以上問題的一步步引導和啟發，教師幫助學生架構知識與科學素養的“橋梁”，為后續完成工程技術產品的迭代優化等奠定基礎。當然，在實際的課堂教學中，教師可以根據學生的具體情況對問題再進行細化、拆解或項目整合。

4.安排教學活動

教師安排有邏輯的教學活動，讓學生通過實踐內化科學知識。基于教學目標，本課設計了4個具體教學活動。

活動1：教師播放上節課用沉的材料制造船模的載重量比賽視頻，讓學生觀察用不同的材料制造的船載重量不同的現象，基于現象思考討論其中的原因，進而引發他們相互質疑，激發認知沖突，進而提出“增加船的載重量”的工程問題。

活動2：基于問題研究，讓學生像工程師一樣思考，比較不同的船型，歸納載重量大的船型特點并做出預測。學生預測在同一材質的前提下，觸水面積大的船型，載重量大。接下來，教師給學生提供相同材質和大小的鋁箔紙，讓他們將創意方案物化為產品，并通過探究實驗驗證，經歷設計、制作、測試的一般步驟，通過具體的對比實驗搜集證據。

活動3：學生基于實驗結果分析推理得出影響船模載重量因素，在此基礎上，教師引導他們認識不同船型的底面積和舷高組成了不同體積的船模，助力學生認識物質的結構決定了其載重量的特性。

活動4：基于雙體船、渡船的圖片，學生提出改進鋁箔船穩定性的方案，內化船型的結構與相應功能的關聯。

在真實情境中，教師以問題為引領，以工程實踐活動為載體，讓學生經歷科學思維的發展過程，從而助力他們建構概念。在活動設計中，教師將情境貫穿其中，將片段式的任務聯結錨定在概念網絡結構圖之中，為在后面課程中構建單元知識框架埋下伏筆。

三、教學評價設計

教師可以制訂相關的評價措施，發揮評價的導向作用。

學習單評價。在合作學習環境下，教師引導學生開展自主學習，優化知識構建，促進他們邏輯思維能力的發展。教師依托工程實踐思維解決問題，引導學生像科學家一樣思考問題，做出預測，設計實驗，基于實驗現象分析，得出結論，以學習單為支架將學生的邏輯思維過程外顯。

表現性評價。以教學目標為指導，考量學生在方案設計、技能操作、概念理解、認識提升等方面的不同表現，將他們在這幾個方面的表現按照星級進行評價，他們也可以根據自身的表現和同伴的表現進行自評和互評（見表2）。

課堂習題練習。此項評價主要考查課堂知識內容的鞏固、材料特性的廣泛應用以及物質結構與性質概念的內化情況。習題包括選擇題、填空題、實驗題及資料分析題，其中資料分析題是讓學生在具體的工程實踐應用中，例如分析“凱桂”號油輪載重量大的原因，考查學生從結構與性質的視角解釋工程應用中的實際問題，以及對知識的應用遷移能力。

[課題：北京市教育科學規劃課題2022年度一般課題“中小學科學類學科教學內容結構化設計策略的實踐研究”，編號：CDDB22159]

（作者單位：王珊珊，首都師范大學附屬花園小學；王欽忠，北京教育學院）

參考文獻

[1]胡玉華.基于核心素養的學科大概念及其教學策略[J].基礎教育課程，2021（12）.

[2]李剛.大概念課程與教學[M].北京：社會科學文獻出版社，2022.

[3]張華.讓學生創造著長大[M].北京：教育科學出版社，2020.