科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)四大科學(xué)素養(yǎng)中的“探究實踐”要求學(xué)生通過技術(shù)與工程實踐，體會科學(xué)原理在技術(shù)與工程中的應(yīng)用，促進對學(xué)科概念的理解，形成物質(zhì)與能量、結(jié)構(gòu)與功能、系統(tǒng)與模型、穩(wěn)定與變化等跨學(xué)科概念。技術(shù)與工程實踐不是簡單的操作技能訓(xùn)練，而是著眼深化對科學(xué)核心概念的理解，建構(gòu)跨學(xué)科概念，籌劃性解決實際問題，基于問題和條件設(shè)計解決方案，基于證據(jù)或邏輯進行迭代優(yōu)化，進而發(fā)展科學(xué)思維。科學(xué)教師要加強研究技術(shù)與工程實踐的特點，探索相應(yīng)的教學(xué)策略，發(fā)展學(xué)生的科學(xué)思維。

一、創(chuàng)設(shè)基于挑戰(zhàn)性的任務(wù)情境，激活學(xué)生思維動機

腦科學(xué)研究表明，當(dāng)教師使學(xué)習(xí)情境適應(yīng)于孩子的技能水平且使其稍高于該技能水平時，學(xué)習(xí)會達到最佳。[1]創(chuàng)設(shè)基于學(xué)生的挑戰(zhàn)性任務(wù)情境，可更好地激活學(xué)生思維動機，促進他們深度參與技術(shù)與工程實踐。基于學(xué)生是指任務(wù)情境與學(xué)生的生活經(jīng)驗、科學(xué)認(rèn)知聯(lián)系緊密；挑戰(zhàn)性是指問題略高于學(xué)生的認(rèn)知水平，能有效激發(fā)他們的想象、重組、推理、分析等高階思維，有利于形成良好的價值體驗。

例如，四年級《電路中的開關(guān)》一課，教材內(nèi)容是認(rèn)識電路中開關(guān)的結(jié)構(gòu)，學(xué)習(xí)用開關(guān)控制電路的通與斷。以往教學(xué)中，學(xué)生學(xué)習(xí)了開關(guān)的知識卻仍然不能基于真實生活中控制電路的需求設(shè)計開關(guān)。為了在科學(xué)知識與實踐應(yīng)用之間搭上一座“橋”，教師創(chuàng)設(shè)了“設(shè)計紅綠燈”這一貼近學(xué)生實際、學(xué)生感興趣卻有一定挑戰(zhàn)性的工程問題，讓他們用回形針、大頭針等控制電路，達到紅綠燈相繼而不同時亮的效果。這一工程任務(wù)的設(shè)計、安裝，引發(fā)了學(xué)生分析、決策、創(chuàng)新、質(zhì)疑等高階思維，他們不僅理解了用開關(guān)控制電路的原理，還學(xué)習(xí)在實際生活中應(yīng)該怎樣根據(jù)需要在電路中設(shè)計開關(guān)，把知識學(xué)習(xí)與實踐應(yīng)用融為一體，促進科學(xué)知識向科學(xué)素養(yǎng)的轉(zhuǎn)化。

二、基于UbD理論設(shè)計學(xué)習(xí)活動，培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)思維

UbD理論強調(diào)把學(xué)習(xí)目標(biāo)及學(xué)習(xí)結(jié)果的評估同時優(yōu)先考慮，把原本用來檢測教學(xué)效果的評價任務(wù)前置，一般分為明確預(yù)期的學(xué)習(xí)結(jié)果、確定可評估的證據(jù)、規(guī)劃相應(yīng)的學(xué)習(xí)過程三個階段，[2]這和技術(shù)與工程實踐非常契合。在教學(xué)時，教師首先分析任務(wù)情境，明確最終要完成一個什么樣的技術(shù)與工程產(chǎn)品；接著，要對產(chǎn)品設(shè)計要求、條件限制等進行討論、界定，形成評價標(biāo)準(zhǔn)；最后，基于標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)思考、合理分工，畫設(shè)計圖、討論并優(yōu)化設(shè)計圖、制作、測試、基于證據(jù)迭代改進、作品發(fā)布等。基于UbD理論設(shè)計學(xué)習(xí)活動，有利于學(xué)生整體思考挑戰(zhàn)性任務(wù)的解決辦法，培養(yǎng)他們籌劃性的系統(tǒng)思維，避免教師牽一步學(xué)生走一步的低效學(xué)習(xí)。

例如，《我們的過山車》一課，教師首先讓學(xué)生觀看過山車視頻，明確任務(wù)“用泡沫管和鐵架臺設(shè)計過山車”。然后，把單元學(xué)習(xí)內(nèi)容（直線運動和曲線運動、物體在斜面上的運動、運動與位置等相關(guān)知識）的綜合應(yīng)用轉(zhuǎn)化為過山車的設(shè)計要求：過山車跑完全程不脫軌；過山車軌道既有直線軌道，又有曲線軌道；過山車軌道要有坡度的變化。學(xué)生明確要求后開展設(shè)計、制作、測試、迭代設(shè)計等活動，發(fā)展系統(tǒng)思維。

三、在迭代設(shè)計中發(fā)展學(xué)生設(shè)計思維、反思性思維

技術(shù)與工程實踐是一個不斷迭代優(yōu)化的過程，及時記錄可為后續(xù)的反思性學(xué)習(xí)、互動交流提供第一手材料。技術(shù)與工程實踐中的記錄通常包括畫設(shè)計圖、問題梳理記錄等，有時也需要對實踐過程的一些關(guān)鍵素材進行拍照、錄像等，以滿足反思性學(xué)習(xí)與互動交流的需要。畫設(shè)計圖時，教師要充分考慮學(xué)生的年齡特點和認(rèn)知水平，力求簡潔性、科學(xué)性。

例如，《我們的過山車》一課，教師根據(jù)三年級學(xué)生首次進行工程實踐過程規(guī)范學(xué)習(xí)這一實際，降低了畫設(shè)計圖的要求，用單線畫出軌道，并用文字表示起點、終點、上坡、下坡等圖示不容易表示的部分。這樣既弱化了軌道各部分長度的精確設(shè)計，符合學(xué)生認(rèn)知水平，又突出軌道的路徑（直、曲）和坡度，緊扣教學(xué)重點。學(xué)生完成設(shè)計圖后進行互評，根據(jù)相關(guān)科學(xué)知識分析預(yù)測現(xiàn)有設(shè)計圖是否能達到過山車跑完全程不脫軌等相關(guān)設(shè)計要求。在這一過程中，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)問題，對設(shè)計圖進行修改，那怎樣簡便地呈現(xiàn)這一過程呢？

如果另畫一稿既耽誤時間，也不容易看出哪里發(fā)生了改變。教師讓學(xué)生用另一種顏色的筆在原圖上進行修改，就能很清楚地看出設(shè)計圖的優(yōu)化過程，體現(xiàn)了思維留痕（如圖1上）。在基本確定設(shè)計圖后，學(xué)生根據(jù)設(shè)計圖進行制作和測試，在此過程中又會發(fā)現(xiàn)問題，需要進行優(yōu)化設(shè)計。此時，教師出示記錄單，讓學(xué)生梳理問題和解決辦法，整理思維（如圖1下）。對于過山車的設(shè)計效果，教師讓學(xué)生用平板電腦錄制下來，這樣他們在交流的時候就能方便地展示最終的結(jié)果。

該案例中，多色設(shè)計圖、測試優(yōu)化過程的記錄單等是學(xué)生反思性學(xué)習(xí)的重要成果，設(shè)計圖、記錄單、視頻為生生之間、師生之間的互動交流提供了必要、豐富的素材，促成了分析、綜合、質(zhì)疑、創(chuàng)新等深度學(xué)習(xí)的發(fā)生。

四、合作與交流中發(fā)展學(xué)生創(chuàng)新思維、批判性思維

技術(shù)與工程實踐的特點決定了合作與交流的重要性，合作、交流是技術(shù)與工程素養(yǎng)的重要內(nèi)容。以《設(shè)計紅綠燈》一課為例，怎樣讓學(xué)生從日常的紅綠燈生活場景中提取出紅綠燈設(shè)計的基本要求呢？

首先，教師讓學(xué)生觀看人們在紅綠燈指揮下通過斑馬線的視頻后，組織他們討論：紅綠燈是怎樣讓行人有序通過的？這樣，引導(dǎo)學(xué)生聚焦紅綠燈在不同的時間段亮，從而進一步明確該課設(shè)計紅綠燈的要求：紅綠燈相繼亮而不同時亮。這一階段，需要學(xué)生對復(fù)雜的情境、繁雜的信息進行梳理，抓住關(guān)鍵，更具體地界定設(shè)計紅綠燈這個挑戰(zhàn)性任務(wù)，為接下來的工程實踐確定方向。

接下來是基于紅綠燈的設(shè)計需求畫設(shè)計圖。在各小組完成紅綠燈的設(shè)計圖后，教師不是直接讓學(xué)生組裝，而是讓他們對設(shè)計圖進行展示、交流并互評，利用所學(xué)過的電路知識預(yù)測設(shè)計圖是否能達到紅綠燈相繼亮而不同時亮的效果。對有問題的設(shè)計圖，其他學(xué)生指出問題、提出修改意見，這很好地體現(xiàn)了科學(xué)知識在技術(shù)與工程實踐中的應(yīng)用，發(fā)展了學(xué)生的批判性思維和發(fā)散性思維。

之后小組合作進行紅綠燈組裝測試。教師再一次組織學(xué)生交流，討論幾種成功的紅綠燈設(shè)計哪一種更優(yōu)。學(xué)生不僅從科學(xué)性還從節(jié)省材料、操作方便等角度進行了綜合評價，這一過程很好地培養(yǎng)他們綜合分析的能力，發(fā)展了他們的系統(tǒng)思維。基于討論，教師從節(jié)省材料和操作便捷的角度提出更高的改進要求，讓學(xué)生只用一個開關(guān)控制紅綠燈不同時亮，這推動學(xué)生設(shè)計出更優(yōu)的紅綠燈裝置。這一環(huán)節(jié)合作、交流貫穿整個過程，很好地培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新思維、批判性思維和合作與交流的能力，提升了學(xué)生的思維品質(zhì)。

五、跨學(xué)科融合開展技術(shù)與工程實踐，發(fā)展學(xué)生模型思維

技術(shù)與工程實踐要與科學(xué)探究融合，還要充分利用數(shù)學(xué)分析、模型建構(gòu)與表達的優(yōu)勢，在畫設(shè)計圖、數(shù)據(jù)分析、模型建構(gòu)等方面融合數(shù)學(xué)思想方法，發(fā)展學(xué)生的模型思維。例如，《增加船的載重量》一課，在完成“用同樣大的正方形錫箔紙設(shè)計制作載重量盡可能大的船”這一挑戰(zhàn)性任務(wù)的過程中，學(xué)生不斷嘗試改進，做出了不同載重量的小船。怎樣對這些信息進行分析呢？教師讓每個小組把幾次制作的小船按載重量從小到大排列，再把全班各個小組的數(shù)據(jù)匯總。通過分析數(shù)據(jù)，有的學(xué)生發(fā)現(xiàn)底面積越大的船載重量更大，有的學(xué)生發(fā)現(xiàn)船舷越高的船載重量更大。那到底怎樣設(shè)計使船的載重量更大呢？

學(xué)生為此展開討論，有的認(rèn)為要增加船的底面積，有的認(rèn)為要增加船舷的高。但同樣的錫箔紙，增加底面積就意味著降低船舷的高，增加高就意味著減小底面積，該怎么辦呢？有學(xué)生提出底面積和高不能太大，也不能太小，要綜合起來看，要適宜。怎樣才算適宜呢？在分析全班二十幾組數(shù)據(jù)仍然得不出統(tǒng)一結(jié)論時，有的學(xué)生認(rèn)為要繼續(xù)嘗試，以得到更多的數(shù)據(jù)，有學(xué)生提到實驗次數(shù)的多少沒有太大的影響，需要得出一個相對的結(jié)論。

教師順勢提問：“如果你是造船廠的負(fù)責(zé)人，你們是否愿意造船工程師把這些鋼材拿來一遍遍嘗試？”這讓學(xué)生進一步感受到建構(gòu)模型的重要性。教師再一次引導(dǎo)學(xué)生思考，底面積和高的變化會引起什么的變化，從而讓他們關(guān)注船的容積，并通過數(shù)學(xué)中的列舉法，假設(shè)船的底面積和高算出容積，找出理論上容積最大的船的相關(guān)數(shù)據(jù)。學(xué)生根據(jù)理論數(shù)據(jù)制作并測試載重量，驚喜地發(fā)現(xiàn)，船的載重量果然變大了很多。

在這一案例中，教師把科學(xué)實驗與工程實踐相融合，很好地利用數(shù)學(xué)分析和建模的工具，幫助學(xué)生建構(gòu)了設(shè)計更大載重量的船的理論模型，突破了工程實踐中的技術(shù)瓶頸，讓造出更大載重量的船這一挑戰(zhàn)性工程問題得以圓滿解決，發(fā)展了學(xué)生的模型思維。

小結(jié)

技術(shù)與工程實踐是科學(xué)知識與應(yīng)用實踐的橋梁，是科學(xué)知識向科學(xué)素養(yǎng)轉(zhuǎn)化的有效載體。在技術(shù)與工程實踐中開展思維型探究教學(xué)，促進科學(xué)探究和技術(shù)與工程實踐的深度融合，是技術(shù)與工程實踐課堂改革的有效嘗試，它在提升學(xué)生探究實踐能力的同時，更有效地幫助學(xué)生深度理解科學(xué)核心概念和跨學(xué)科概念，真正發(fā)展解決真實情境中復(fù)雜科學(xué)問題的能力，切實發(fā)展科學(xué)素養(yǎng)。

[課題：重慶市教育科學(xué)規(guī)劃2023年度課題“素養(yǎng)導(dǎo)向的小學(xué)科學(xué)表現(xiàn)性評價任務(wù)設(shè)計與實施研究”，編號：K23ZG1140145]

（作者單位：顧仙宇，重慶市江津區(qū)四牌坊小學(xué)校；楊雨黛，重慶市兩江新區(qū)童心小學(xué)校）

參考文獻

[1]張俊列，韋利仿.深度學(xué)習(xí)的腦科學(xué)基礎(chǔ)與課堂教學(xué)策略[J].教育理論與實踐，2020（28）.

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