论文选读3：基于技术设计的小学科学教学.doc

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1、基于技术设计的小学科学教学杭州市拱墅区教育局教研室 万嵩海摘 要技术设计是小学生科学探究学习的四大主题之一，也是提升小学生科学实践能力的重要手段。本文阐释了“基于技术设计”的教学内涵，分析了“基于技术设计”的目标设计，提出了“技术设计感悟型”、“技术设计习得型”、“技术设计分析型”、“技术设计制作型”四种类型的“基于技术设计”的学习主题，并对每种类型的学习主题作了较为深入的教学流程解析。关键词 小学科学，技术设计，学习主题，教学策略正 文一、基于技术设计的教学释义从本意看，技术是指根据实践经验和科学原理发展成的各种解决问题的手段、方法和技能。设计则有两种理解，一是作为过程，它是指将问题解决的设

2、想用视觉形式表达出来，比如设计一个太阳能热水器；二是作为结果，它是指用视觉形式来表达的某种设想，比如太阳能热水器的设计。从教学层面看，小学科学技术设计的教学旨在通过学生对技术产品的学习，来引领他们感悟人类在技术设计领域中的认识过程，引导他们将所学知识转化为可见的实物化的技术产品，或借助技术产品的探究来发现其中的科学概念、原理、规律，帮助他们初步理解科学与技术、技术与社会的关系。同时，通过让他们完成带有技术目标的设计或制作任务，来提升创造力和解决问题的能力，发展他们的科学志趣。从学习层面看，学生的技术设计学习主要包括以下四个方面（1）对技术与设计的感悟，即在使用技术产品的过程中，感悟技术设计的重

3、要性以及技术产生和发展过程。比如，感悟到“使用仪器能拓展人类视野”、“科学进步使仪器和工具更精细”。（2）对技术设计相关技能的习得，即学生以寻求并初步掌握某种特定的探究技术、操作技能或设计技巧而进行的专项训练。比如，统计图表的绘制技术、测力计的操作、酒精灯的使用。（3）对产品所含技术进行分析，即学生以了解产品的结构、功能、原理及其关系和设计巧妙性而进行的分析。比如，对桥梁结构与承重关系的研究、对古老技术工具（如杆秤、滴漏）的研究。（4）运用技术设计手段来加工产品，即学生通过一定的设计来制成某个具有特定结构和功能的技术产品的过程。比如，设计制作小赛车、制作太阳能热水器。 某个学习主题是否隶属于小

4、学科学技术设计的教学内容范畴、是否能采用基于技术设计的教学策略，一般有三个同时具备的判别指标：（1）以某种实物化的技术产品作为探究对象，比如小车、杆秤、开关、太阳能热水器。（2）这个技术产品具有三个构成维度，即结构维度、功能维度、原理维度。（3）以技术产品的某个构成维度为切入口并展开教学。二、基于技术设计的目标设计在美国新一代国家科学教育标准中，已经用“工程设计”取代“技术设计”。它认为，技术教育不仅仅是培养技术设计的能力，而是强调与设计过程（包括确定问题、制订方案、优化方案）有关的能力，强调对科技活动过程、科学与技术的种种联系的理解，强调社会需求对科技发展的影响与促进1。同时，它为技术设计教

5、学所要达成的科学“大概念”制定了明确的标准（见附件基于技术设计的小学科学大概念）。结合小学生科学学习的特点和需求加以分析，小学科学技术设计教学的知识、过程、情感的三维总体目标可以设计为：（1）通过学习，初步了解“设计与技术”领域的基本概念，知道工具和仪器是设计的产物，知道使用工具和仪器能更好地认识世界，知道人们设计不同的结构和实物产品来实现不同功能和用途。（2）通过学习，初步学会综合运用知识和经验进行简单的设计和制作，以提高解决工程性的简单实际问题的能力。（3）通过学习，逐步发展对设计与技术学习的兴趣，初步体会人类在设计与技术领域的认识过程，初步意识到设计与技术的伦理问题和“双刃剑”作用。以下

6、是设计制作小赛车一课的两种课堂教学目标设计，前一种是引用了小学科学教师教学用书的目标设计2。（1）教师教学用书中的目标设计科学概念：技术设计具有一定的程序；技术设计需要运用科学概念、相互交流和执行程序。过程与方法：设计和制作小赛车。情感、态度、价值观：关心科技新产品、新事物，意识到科学技术会给人类与社会发展带来好处；发展对技术设计和动手制作的兴趣，激发创新精神；尊重自己和他人的劳动成果。（2）基于技术设计的目标设计科学知识：提高小赛车行驶的速度，主要是考虑提高动力、减少阻力、减轻重量、减少摩擦力等因素；小赛车的运动快慢与它受到的拉力或反冲力的大小有关，与它受到的摩擦力大小有关；产品的设计，就是

7、将科学原理转化为现实的过程，需要考虑产品的构造、功能、材料选择等。过程方法：通过观察赛车的结构，了解赛车各部分的功能及设计原理；通过小赛车的设计与制作活动，将运动与力的关系体现在小赛车的设计与制作之中；通过自制小赛车的效能展示，发现小赛车的性能缺陷，并进一步完善小赛车的设计与制作。科学态度：体验科学原理和技术设计之间的承辅关系；感受科学技术及其设计在实践过程中得以完善与发展。在基于技术设计的目标设计中，科学知识目标应该是通过技术设计活动所强化了的科学基本原理，以及所形成的技术设计的概念和思想；过程与方法的目标应该是针对技术设计所采取的学习过程和方法；科学态度目标则是学生在科学、技术与社会的联系

8、上所形成的意识和态度。三、基于技术设计的教学策略1.“技术设计感悟型”学习主题的教学策略“技术设计感悟型”学习主题的教学主旨，是引导学生在使用技术设计产品（实物、模型或系统）的过程中，感悟技术与设计的重要性以及技术和设计的产生与发展过程。常见的学习主题有运动和设计、使用工具、自行车上的简单机械、放大镜、用显微镜观察、找拱形等。“技术设计感悟型”学习主题的教学，突出了对技术设计中的结构、功能、原理及其相互关系的体验，其教学流程主要经历“技术情境”、“经验钩沉”、“技术体验”、“交流反思”、“感悟提升”五个阶段，如下图。技术情境经验钩沉技术体验交流反思感悟提升“技术设计感悟型”学习主题的教学流程图

9、“技术情境”阶段，教师应该为学生亲历体验相关的技术设计活动提供必要的学习情境。技术情境的主要呈现对象应该是实物化的技术产品，而切入点必定是技术产品的某个维度。比如，在使用工具的教学中，首先呈现形状各异、结构不同的工具，让学生猜测这些工具有什么不同用途，这种情境呈现方法是由技术产品的结构维度切入，并向功能维度延展。“经验钩沉”阶段，教师应该鼓励学生充分展示自己对技术产品的结构、功能、原理及其日常运用的已有知识、方法和态度。教师可以结合技术情境提出诸如“知道什么”、“怎样解释”、“如何看待”等开放性的问题来收集学生的原始经验。“知道什么”钩起的事实描述，“怎样解释”钩起对技术产品所含原理的试析，“

10、如何看待”则钩起对技术产品及其运用的主观态度。“技术体验”阶段，教师应该引导学生体验技术产品的结构设计、原理运用、功能达成以及三者的巧妙联系。学生观察技术产品的结构、体会技术产品的功能、分析技术产品的设计原理，从而逐步丰富探究经验和对技术设计的认识。由技术产品的结构与特征、整体功能与局部功能、使用经验与潜在问题三个部分组成的学习单有助于探究活动更加丰富和有效。“交流反思”阶段，教师应该鼓励学生分享亲历过程中获得的各种经验和感受，并引导他们进行反思。教师需要为学生预留一些自我反思和组内交流的时间，以便他们能对探究经历进行初步概括形成个性化的概念或观念。在组际交流中，学生一方面交流组内获得的各种事

11、实，另一方面需要将组内形成的各种判断、联想、建议、观念或问题置于更大的环境中寻求认同。“感悟提升”阶段，教师应该帮助学生就技术设计中的“结构、功能与原理”建立联系，感悟“积极思考、勇于创造在技术设计中的重要性”。在此阶段，要引导学生批判性地思考关于技术设计的各种概念或观念，对主流的、科学的观念达成共识，并纳入自己的经验之中。最后，引导学生通过各种后续活动来加深理解或解决一些简单问题。2.“技术设计习得型”学习主题的教学策略“技术设计习得型”学习主题的教学主旨，是引导学生寻求并初步掌握某种特定的探究技术、操作技能或设计技巧，并从中深化对技术设计的认识。常见的学习主题有酒精灯的使用、温度计、力的测

12、量、显微镜的使用等。“技术设计习得型”学习主题的教学，突出了学生从规则执行者向规则创造者的转变过程，弱化了教师的规则传授者地位，其教学流程主要经历“技术呈现”、“自主尝试”、“质疑解难”、“规则制定”、“技术运用”五个阶段，如下图。技术呈现自主尝试质疑解难规则制定技术运用“技术设计习得型”学习主题的教学流程图“技术呈现”阶段，教师应该为学生提供某种技术工具的使用场景，或者提供暗含结构、功能、原理的技术工具。比如，在力的测量教学中，首先呈现生活中广泛存在的各种力及其大小，来引起学生对利用测力工具来测量各种力的兴趣，这种教学切入方法将技术工具的功能维度隐含在真实情境中，并通过后续探究向技术工具的结

13、构维度和原理维度延展。“自主尝试”阶段，教师应该在充分考虑技术工具的使用安全前提下，让学生自行观察技术工具的结构特点，并利用特定的技术工具来尝试解决简单的活动任务。使用安全涉及对工具各结构的保护、对自身生理上的保护两个方面。在此阶段，教师要鼓励学生收集操作过程中的各种经验，发现存在的问题。“质疑解难”阶段，教师应该引导学生充分交流各自的活动所得，鼓励他们用自己的活动经验来解答同伴提出的相关问题。在此阶段，首先应该听取学生在技术工具的观察和使用中遇到的问题和困惑，并通过质疑或相互解答让学生自行解决疑惑。然后逐步引导学生厘清技术工具的结构、功能与原理之间的关系。“规则制定”阶段，教师应该引导学生根

14、据自己的操作经验来确立技术工具的使用规则，而不是教师传授规则、学生执行规则。规则制定一般包括两个过程，一是如何利用技术工具的不同结构来进行探究，二是如何让不同结构在使用中达到最佳的效果。对于学生未提及的某些使用规则，可在最后加以呈现。“技术运用”阶段，教师应该引导学生利用自行制定的使用规则来解决简单而真实的任务，并以此来提升他们对技术工具的运用能力，加深对技术设计的理解。在此阶段，教师需要对学生的技术动作做出评价与矫正。如有必要，可以将其中的某个技术动作单独呈现出来进行修正。最后，教师还需要对包括规则、方法、态度在内的整个过程进行总结提升，并布置相关的课外探究活动。3.“技术设计分析型”学习主

15、题的教学策略“技术设计分析型”学习主题的教学主旨，是引导学生借助技术产品的结构和功能探究来发现其中的科学概念、原理、规律，帮助学生初步理解科学与技术、技术与社会的关系。常见的学习主题有杠杆的科学、杠杆类工具的研究、轮轴的秘密、抵抗弯曲、做框架、建高塔等。“技术设计分析型”学习主题的教学，突出了学生对技术产品的结构、原理、功能之间的关系建构，对科学、设计、技术、生活互为促进关系的理解，其教学流程主要经历“技术情境”、“结构分析”、“功能探究”、“原理关联”、“应用提升”五个阶段，如下图。技术情境结构分析功能探究解难原理关联应用提升“技术设计分析型”学习主题的教学流程图“技术情境”阶段，具体做法可

16、参考“技术设计体验型”的“技术情境”阶段和“技术设计习得型”的“技术呈现”阶段，不加赘述。“结构分析”阶段，教师应该引导学生获得关于某种技术产品的设计结构以及这些结构的主要观察特征。结构分析可以从产品造型上入手，比如从桥梁、门框、立柱等中发现它们可能具有的类似结构拱形，观察拱结构具有拱顶、拱圈、拱足等部分。或者从产品构成材料上入手，比如从拉线开关、旋钮开关等不同开关中发现其工作结构（导体部分）和防护结构（绝缘体部分）。“功能探究”阶段，教师应该引导学生利用探究实验来考察技术产品的结构和功能之间的关系。指导过程类似于“变量控制实验”，首先引导学生对产品结构进行功能猜想，然后引导学生就“使用此种结

17、构是否能达到预期功能”进行对比实验的设计与检验，最后引导学生对各种探究证据进行整理，了解这些证据是否能支持原有的猜想。“原理关联”阶段，教师应该引导学生利用已有知识来解释结构（特别是工作结构）是如何实现预期功能的，即对技术产品工作原理的分析。比如，杠杆支点位置不同（即结构）能省力或省时（即功能），是因为支点到用力点或阻力点的距离发生了变化（即原理）。在此过程中，还需要发展学生对技术设计本质的理解，比如“人们为满足某种用途或实现某种功能来设计各种结构”。“应用提升”阶段，教师应该引导学生应用新获得的关于技术产品结构、功能、原理及其关系的认识，来解决各种技术设计问题。技术应用包括知识迁移，比如解释

18、具有相似结构或功能的其它技术产品的工作原理；操作迁移，比如仿制技术产品的主要结构并使它具有相似的功能；创造迁移，比如为实现一定的功能来设计制作某种技术结构。此外，相关的总结与评价也是重要的。4.“技术设计制作型”学习主题的教学策略“技术设计制作型”学习主题的教学主旨，是引导学生通过一定的设计来制成某个具有特定结构、功能和原理的技术产品，以加深对相关科学知识的理解、对设计与技术的理解。常见的学习主题有做一个生态瓶、制作电路检测器、做个小开关、我的水钟、做个太阳能热水器等。原型启发产品设计产品制作效能评价建立关联“技术设计制作型”学习主题的教学流程图“技术设计制作型”学习主题的教学，突出了学生对原

19、型的结构、原理、功能的迁移和转化，并通过产品的制作和效能的检验来深化他们对技术设计相关概念的理解，其教学流程主要经历“原型启发”、“产品设计”、“产品制作”、“效能评价”、“建立关联”五个阶段，如下图。“原型启发”阶段，教师应该引导学生充分解读技术产品的结构、功能或原理。教师通常利用某种暗含技术设计的活动情境或问题情境，引发学生的探究需求。然后提供与所要设计的技术产品相似的实物或相关资料（即“原型”），引导学生就原型的结构、功能或原理进行分析。最后帮助学生建立产品结构和功能之间的联系，以便他们能将产品的结构和功能迁移转化到新设计中。“产品设计”阶段，教师应该引导学生将原型中的结构、功能或原理迁

20、移到新设计中。学生首先根据设计任务和拟定的标准，结合原型的结构、功能、原理及其关联和其它限制（比如时间、材料、成本、外观等）提出构想，并将构想初步转化为图文形式的方案（包括所需材料、产品图样、制作过程等）。设计完成后，对设计方案进行交流和评价，就设计中的明显缺陷提出修改建议。“产品制作”阶段，教师应该引导学生根据设计方案来完成技术产品的制作过程。产品的制作活动可以在课堂中完成，周期较长或难度较大的制作活动可以在课外完成或寻求家长帮助。产品初步制成后，学生可以将自制的技术产品放置在工作环境中，观察它是否达成了既定的功能和要求，以便及时做出修正。“效能评价”阶段，教师应该引导学生对自制产品的结构和

21、功能进行评判，并反思自己的产品设计和制作过程。首先是在公平环境下展示产品的效能。其次是根据展示结果对产品效能（包括结构是否满足设计标准、功能是否实现设计标准）以及制作经验进行交流评价。最后是对产品效能作出总体而客观评价，并引导学生查摆问题，提出改进建议。“建立关联”环节，应该帮助学生厘清技术产品的结构、功能与原理之间的关系，以及原型产品和自制产品在三个构成维度上的对应关系。教师可利用实物、图解、板书等手段，帮助学生梳理这些关系，以建立或巩固相关的科学概念。然后引导学生对设计和制作过程进行总体回顾与评价，初步建立“科学原理转化为技术产品，需要设计”的观念。最后让学生在实践中加以应用。参考文献1

22、NRC.新一代美国国家科学教育标准M.华盛顿:国家学术出版社,2013.2 郁波.小学科学教师教学用书(五年级上册)M.北京:教育科学出版社,2003.附件：基于技术设计的小学科学大概念（源自美国新一代国家科学教育标准，万嵩海译）基于技术设计的小学科学大概念一、“结构-功能-原理”层面的通用概念物体的结构、功能、原理是相互联系的。复杂而细微的结构和系统可以用模型来表现，模型能描述真实物体的功能。二、“确定问题-制订方案-优化方案”层面的核心概念1.“确定问题”层面的核心概念人们想要改变或形成的某种状况能被作为一个工程技术问题来解决。在设计方案之前，清晰地了解问题十分重要。某个问题的可能解决办法

23、受到可获得的材料和资源的限制。问题解决的各种设想需要在是否能满足特定标准或特别限制方面进行通盘地比较。一项设计任务的更精确的标准和限制条件可以被确定，它将使方案更可能成功。限制的规则包括考虑可能会影响方案的科学原理和其他相关知识。2.“制订方案”层面的核心概念设计方案能通过草图、图画或物理模型来表达。这些表达方式有助于他人理解你所要解决问题的想法。问题的解决过程始于解决方案的制订。方案的测试涉及在一系列可能条件下考察方案是否被很好地执行。在方案设计的任何阶段，与同伴交流关于问题解决的看法、分享改进设计的想法十分重要。方案的测试通常是为了识别失败之处或困难之处，并为设计的改良提供思路。一个方案需

24、要经过测试，并在测试结果基础上加以修改来提升方案。 对如何满足标准和限制条件的方案的评估需要有系统的流程。有时，不同方案的某些部分可以结合成比之前更好的新的方案。对于模型测试而言，所有种类的模型都是重要的。（3）“优化方案”层面的核心概念一个问题总有多种解决办法，这些办法有利于对比和检验我们的设计。为了确定各种方案中哪个更能满足问题解决的标准和限制，需要对它们进行测试。尽管一项设计可能无法通过所有的测试，但在每次测试中表现最好的设计特征能为重新设计的过程提供有用信息，即有些特征可能被纳入到新的设计中。重复测试方案并在测试结果的基础上修改方案，将使方案得到较大的改进，并最终形成最佳方案。（4）“

25、技术设计对人类社会与自然环境的影响”层面的通用概念人类的需要在不断地改变，比如他们对技术创新和技术改良的需求。工程师们改善现有的技术或者发展新的技术来提升效益、降低风险、满足社会需要。有关自然世界的科学发现通常能通过工程设计过程而形成新的或改良的技术。所有人类活动都利用自然资源，并对人类健康与自然环境造成短期或长期的、积极或消极的影响。技术的使用和限制取决于个人或社会的需要、欲望、价值观，取决于科学研究的发现，取决于诸如气候、自然资源、经济条件等因素的差异。注1：文中斜体字表示的科学大概念，为六年级及初中学生（美国的初中阶段为6-9年级）最终所要掌握的科学概念。注2：基于技术设计的科学大概念，包括技术设计领域的核心概念、横跨科学各领域（物质科学领域、生命科学领域、地球与空间科学领域、工程设计领域）的通用概念。 9