蔣亞彬 甘雪梅

摘要本文嘗試用科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)整合的模式，對《設(shè)計(jì)電路》一課進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和實(shí)踐，以緊密聯(lián)系生活的工程設(shè)計(jì)任務(wù)為教學(xué)情境?！对O(shè)計(jì)電路》的教學(xué)活動結(jié)合核心素養(yǎng)與科學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，聯(lián)系課程標(biāo)準(zhǔn)中學(xué)生應(yīng)該形成的主要概念，制定了準(zhǔn)確合情的教學(xué)目標(biāo)。使學(xué)生體驗(yàn)工程設(shè)計(jì)的過程，發(fā)展科學(xué)能力和工程素養(yǎng)，讓學(xué)生的思維得到充分發(fā)展。

關(guān)鍵詞 設(shè)計(jì)電路 科學(xué)探究 工程設(shè)計(jì)

中圖分類號：G424文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)課與其他學(xué)科或領(lǐng)域的整合教學(xué)，是基礎(chǔ)科學(xué)課程改革及實(shí)踐的趨勢之一。本文嘗試用科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)整合的模式，對《設(shè)計(jì)電路》一課進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)和實(shí)踐，以緊密聯(lián)系生活的工程設(shè)計(jì)任務(wù)為教學(xué)情境，安排了設(shè)計(jì)研討電路圖、照圖施工連接電路、測試、展示、評價(jià)、優(yōu)化迭代等活動環(huán)節(jié)，使學(xué)生體驗(yàn)工程設(shè)計(jì)的過程，發(fā)展科學(xué)能力和工程素養(yǎng)。

研究背景

美國2013年頒布的《新一代科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中，將工程實(shí)踐與科學(xué)探究整合稱為“科學(xué)和工程實(shí)踐”，作為科學(xué)教育的三個維度之一，成為基礎(chǔ)教育階段科學(xué)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(chǔ)教育階段的科學(xué)教育改革。2017年我國頒布的《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱“課程標(biāo)準(zhǔn)”）增加了技術(shù)與工程領(lǐng)域，并指出：技術(shù)與工程領(lǐng)域的學(xué)習(xí)可以使學(xué)生有機(jī)會綜合所學(xué)的各方面知識，體驗(yàn)科學(xué)技術(shù)對人類生活和社會發(fā)展的影響。技術(shù)與工程實(shí)踐活動可以讓學(xué)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(xí)慣，并倡導(dǎo)使用跨學(xué)科的學(xué)習(xí)方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。

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

課程標(biāo)準(zhǔn)指出：工程的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)，工程是運(yùn)用科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、解決實(shí)際問題和制造產(chǎn)品的活動。工程無處不體現(xiàn)著“設(shè)計(jì)”這一思想，從本質(zhì)上看，科學(xué)探究和工程設(shè)計(jì)實(shí)踐都是問題解決的過程。因此，筆者嘗試用“科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)整合”的模式設(shè)計(jì)了《設(shè)計(jì)電路》一課。

教學(xué)設(shè)計(jì)思路

《設(shè)計(jì)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(xué)習(xí)中，學(xué)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(lǐng)學(xué)生在此基礎(chǔ)上根據(jù)教學(xué)情境中的真實(shí)問題設(shè)計(jì)電路，初步了解串聯(lián)電路和并聯(lián)電路各自的特點(diǎn)。教材中本課內(nèi)容的安排根據(jù)兒童的認(rèn)知特點(diǎn)，按照由易到難的層次排列。由“一個開關(guān)控制一個燈泡”到“一個開關(guān)控制兩個燈泡”，再到“有沒有更多的設(shè)計(jì)思路”，層層遞進(jìn)，符合學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律。但三個任務(wù)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(xué)生不知道為什么要進(jìn)行設(shè)計(jì)，不知道這樣設(shè)計(jì)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(shí)。經(jīng)過教學(xué)總結(jié)，筆者發(fā)現(xiàn)，對于教材中的“一個開關(guān)控制兩個燈泡”的學(xué)習(xí)任務(wù)，除非學(xué)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(shè)計(jì)電路，最后的“還有沒有更多設(shè)計(jì)方案”大多是教師直接給出并聯(lián)的方法并進(jìn)行解釋，很難達(dá)到發(fā)展學(xué)生思維的目的。而工程設(shè)計(jì)正是運(yùn)用科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、解決實(shí)際問題的活動，在本課的教學(xué)中融合工程設(shè)計(jì)，不僅可以解決學(xué)習(xí)任務(wù)的“源頭問題”，還能發(fā)展學(xué)生的工程素養(yǎng)。

教學(xué)過程

1.創(chuàng)設(shè)情境，確立工程目標(biāo)

教學(xué)片段：

師：通過前面的學(xué)習(xí)，我們知道了，要想點(diǎn)亮小燈泡，必須用導(dǎo)線把它和電池、開關(guān)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(shè)計(jì)怎么連接電路，然后再施工。接下來，我們一起來設(shè)計(jì)電路（出示課題）。

貼近生活的真實(shí)問題情境更容易激起學(xué)生的參與欲，進(jìn)而引發(fā)他們學(xué)習(xí)的內(nèi)驅(qū)力。因此，筆者設(shè)計(jì)了“為一間教室設(shè)計(jì)電路”這一貼近學(xué)生生活的教學(xué)情境，賦予學(xué)生設(shè)計(jì)師和工程師的情境角色，教師把教材中的三個任務(wù)進(jìn)行整合，變成了一個整體的工程目標(biāo)，將枯燥的電路知識和實(shí)際生活聯(lián)系起來，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

2.設(shè)計(jì)研討，展現(xiàn)工程之“思”

教學(xué)片段：

師：怎樣才能讓兩盞燈亮起來呢？怎么設(shè)計(jì)電路圖呢？老師給大家準(zhǔn)備了小白板和電路元件的小磁貼，請同學(xué)們用筆畫線來表示導(dǎo)線，在小白板上擺出你們的設(shè)計(jì)圖。如果你們需要更多的小磁貼，比如開關(guān)等，可以到老師這里來領(lǐng)取。

（學(xué)生小組討論，設(shè)計(jì)電路圖。）

師：請小組代表把設(shè)計(jì)圖貼到黑板上來。

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

（學(xué)生分小組觀察、討論。）

師：大家來看看第1組的設(shè)計(jì)，你們覺得他們能不能點(diǎn)亮兩盞小燈泡？

生：能！因?yàn)樗麄儼褍蓚€燈泡都連接到電路里，形成了一條閉合回路。

師：第2組的設(shè)計(jì)呢？

生：我認(rèn)為他們不能點(diǎn)亮兩盞燈，因?yàn)榈谝粋€燈泡只連接了正極，第二個燈泡只連接了負(fù)極，它們沒有形成閉合的回路。

師：應(yīng)該怎么修改？（學(xué)生回答并修改。）第4組呢？我覺得他們設(shè)計(jì)的電路有點(diǎn)復(fù)雜，應(yīng)該請他們來介紹一下。

生：我們是第4組。我們用了兩個開關(guān)，因?yàn)槲覀兿胍謩e控制兩個小燈泡，想讓哪一個亮就可以單獨(dú)讓它亮。我們先把一個開關(guān)和一個燈泡連成一個閉合回路，然后把另一個開關(guān)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(shè)計(jì)能不能讓兩個燈泡都亮起來？

生：應(yīng)該是可以的，因?yàn)槎夹纬闪碎]合回路。

師：現(xiàn)在黑板上的設(shè)計(jì)都能讓兩個小燈泡亮起來，大家再仔細(xì)觀察一下，這些設(shè)計(jì)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?yàn)樗鼈兌贾挥幸粭l閉合回路；4、5組是一樣的，它們都有兩條閉合回路。

在科學(xué)領(lǐng)域，“思”指向以解釋自然現(xiàn)象為目標(biāo)的科學(xué)探究；在工程技術(shù)領(lǐng)域，“思”則指向服務(wù)于實(shí)際問題的工程設(shè)計(jì)，因此工程之“思”可以有多種設(shè)計(jì)思路。本課體現(xiàn)工程之“思”的方法就是設(shè)計(jì)電路圖。

在提出設(shè)計(jì)要求時(shí)，教師其實(shí)設(shè)置了一個“陷阱”——沒有對兩個燈泡是否要分別控制進(jìn)行說明，希望學(xué)生能在設(shè)計(jì)時(shí)呈現(xiàn)思維的差異。接著，教師讓學(xué)生對每個小組的設(shè)計(jì)圖充分討論，通過生生之間的對話，發(fā)展學(xué)生的思維。本課中教師花費(fèi)了很多的時(shí)間對每一個設(shè)計(jì)圖是否可行進(jìn)行了分析，對于稍微復(fù)雜的設(shè)計(jì)還請學(xué)生進(jìn)行介紹，對不可行的方案進(jìn)行了修正，并對所有的方案進(jìn)行比較和分類（串聯(lián)和并聯(lián)），讓學(xué)生對兩種電路設(shè)計(jì)方法在思維上進(jìn)行比較。實(shí)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(yàn)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(shí)候就需要學(xué)生利用前面兩節(jié)所學(xué)的閉合電路的知識去查找原因，并解決問題。在真實(shí)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(jìn)展的問題，在這個過程中學(xué)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(xué)片段：

師：下面我想請?jiān)O(shè)計(jì)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(xué)們仔細(xì)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(xì)，還有什么發(fā)現(xiàn)？

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

師：同學(xué)們真是善于發(fā)現(xiàn)和總結(jié)。實(shí)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(rèn)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?yàn)檫@種方式很方便，一下子就把兩盞燈都打開了，要關(guān)的時(shí)候也能一次就關(guān)掉。

師：你們覺得呢？

生：我不同意，我覺得并聯(lián)電路更適合，因?yàn)槿绻抑幌胍_一個燈的時(shí)候，用串聯(lián)電路就無法實(shí)現(xiàn)，就比較浪費(fèi)電。

師：你們同意他的說法嗎？

生：我同意他的看法，可是我認(rèn)為要分情況，當(dāng)我不需要分別控制的時(shí)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(shè)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(shí)用。

師：他說的你們聽懂了嗎？同意嗎？

生：我同意他的觀點(diǎn)，而且我還有補(bǔ)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(hù)視力的角度考慮，并聯(lián)電路更有優(yōu)勢。

生：我有一點(diǎn)同意，也有一點(diǎn)不同意。因?yàn)槲野l(fā)現(xiàn)我們教室的燈就是一個開關(guān)可以同時(shí)控制一整排燈泡，說明它們是串聯(lián)電路。

師：這位同學(xué)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(guān)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(guān)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?yàn)槲矣浀糜幸淮谓淌业囊槐K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(xué)呢？你們贊同哪個觀點(diǎn)？

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

師：用一個開關(guān)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(xué)們再來設(shè)計(jì)一次吧！

通過對兩種連接方式的展示，學(xué)生對串聯(lián)電路和并聯(lián)電路的概念其實(shí)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(xué)生在認(rèn)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(xué)情境的電路連接方式。這里是回扣教學(xué)情境，同時(shí)也暗含了對兩種連接方式的評價(jià)，以及優(yōu)化、迭代的思想。在討論中有學(xué)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(xué)生通過觀察提出教室里的燈是一個開關(guān)控制一串燈，所以是串聯(lián)的，并得出串聯(lián)比較合適的結(jié)論；立刻又有學(xué)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(rèn)知沖突。教師順勢引導(dǎo)學(xué)生以滿足“一個開關(guān)同時(shí)控制兩個燈泡的并聯(lián)電路”的要求再次進(jìn)行設(shè)計(jì)，在這里工程迭代的特征更加明顯，甚至有學(xué)生用“超級并聯(lián)”來形容這種用一個開關(guān)控制很多盞燈的并聯(lián)電路，因?yàn)樗婢吡舜?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(diǎn)。至此，學(xué)生對串聯(lián)電路和并聯(lián)電路的認(rèn)識可以說是非常深刻了。

教學(xué)總結(jié)

縱觀整個教學(xué)過程，學(xué)生的參與度非常高，討論時(shí)，教師對學(xué)生的回應(yīng)，僅僅是為了推動討論的進(jìn)行，有時(shí)甚至不需要教師組織，學(xué)生之間就能形成有效的互動。生生互動成為本課推動學(xué)生思維和認(rèn)知發(fā)展的動力，這與本課將科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)結(jié)合的設(shè)計(jì)密不可分，以解決真實(shí)問題作為教學(xué)情境，就讓學(xué)生有很高的學(xué)習(xí)興趣，也因?yàn)楹蜕罹o密相關(guān)，學(xué)生有來自生活的認(rèn)知基礎(chǔ)，表達(dá)觀點(diǎn)時(shí)有據(jù)可依，語言表達(dá)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(xué)生的思維得到了充分發(fā)展。

從科學(xué)探究的角度看，學(xué)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(xué)習(xí)，認(rèn)識了串聯(lián)電路和并聯(lián)電路的特點(diǎn)以及應(yīng)用場所，科學(xué)思維得到了發(fā)展。

從工程實(shí)踐的角度看，學(xué)生體驗(yàn)了工程設(shè)計(jì)、施工測試、優(yōu)化迭代等過程，學(xué)會了用設(shè)計(jì)圖來表達(dá)自己的構(gòu)想，并能夠簡單評估一個設(shè)計(jì)圖是否可行，對自己和他人的設(shè)計(jì)圖提出改進(jìn)建議，并說明理由，在按照設(shè)計(jì)圖“施工”時(shí)能夠解決一些現(xiàn)場生成的問題，做出相應(yīng)的調(diào)整和修改。

在測試和優(yōu)化的環(huán)節(jié)，學(xué)生能夠從使用環(huán)境、使用要求等方面評價(jià)他人的工程設(shè)計(jì)，并能不斷改進(jìn)和完善自己的設(shè)計(jì)，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(diǎn)評

《設(shè)計(jì)電路》的教學(xué)活動，從對教材的精準(zhǔn)分析及解讀，對學(xué)生的學(xué)情及前認(rèn)知的摸底把握，并結(jié)合核心素養(yǎng)與科學(xué)學(xué)科素養(yǎng)，同時(shí)聯(lián)系課程標(biāo)準(zhǔn)中學(xué)生應(yīng)該形成的主要概念，制定了準(zhǔn)確合情的教學(xué)目標(biāo)。教學(xué)準(zhǔn)備得充分具體，有利于分組活動時(shí)能人人參與。教學(xué)流程清晰合理，遵循了學(xué)生從具體到抽象的認(rèn)知規(guī)律，用類比、歸納、演繹思維方式培養(yǎng)學(xué)生的思維能力。

本課在教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)施的過程中，遵循兩個教學(xué)目標(biāo)：

課程標(biāo)準(zhǔn)中物質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域提出的：在教學(xué)中，教師應(yīng)該幫助學(xué)生形成的主要概念“6.機(jī)械能、聲、光、熱、點(diǎn)、磁是能量的不同表現(xiàn)形式”。

課程標(biāo)準(zhǔn)中技術(shù)與工程領(lǐng)域提出的：在教學(xué)中，教師應(yīng)該幫助學(xué)生形成的主要概念“工程的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)，工程是運(yùn)用科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)、解決實(shí)際問題和制造產(chǎn)品的活動”。

這節(jié)課有以下亮點(diǎn)：

（1）教學(xué)內(nèi)容的知識目標(biāo)的難度適中，學(xué)生踮踮腳、伸伸手或跳一下，便能獲得。

（2）教學(xué)過程以“需求—設(shè)計(jì)—制作—調(diào)試—分析—?dú)w納—建構(gòu)—應(yīng)用”為活動脈絡(luò)，巧妙建構(gòu)落實(shí)核心素養(yǎng)的路徑。

（3）在發(fā)展學(xué)生的發(fā)散性思維時(shí)，大膽放手，用非線性思維的形式呈現(xiàn)學(xué)生思維的多樣性。在發(fā)展學(xué)生的邏輯性時(shí)，通過生生互動呈現(xiàn)思維的靈活性。在認(rèn)知過程中，從個別到一般，發(fā)展學(xué)生的歸納概括的邏輯推理的思維能力。同時(shí)積極思考質(zhì)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(yīng)用時(shí)，發(fā)展學(xué)生演繹推理的思維能力。

（4）在教學(xué)中，教師沒有片面地為思維而思維，而是順勢而導(dǎo)，引導(dǎo)學(xué)生從現(xiàn)象到本質(zhì)進(jìn)行科學(xué)探究活動，體現(xiàn)了教師的主導(dǎo)作用。在培養(yǎng)學(xué)生關(guān)鍵能力時(shí)，充分放手發(fā)揮合作學(xué)習(xí)的作用，用知識（前認(rèn)知與需要構(gòu)建的知識）為載體，讓他們學(xué)會了科學(xué)方法，發(fā)展了思維能力，培養(yǎng)了學(xué)生的科學(xué)精神與質(zhì)疑辨惑的創(chuàng)新思維能力。

杜威認(rèn)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?？坑洃浀脕淼闹R，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(xué)教學(xué)的關(guān)鍵。只有在教學(xué)中培養(yǎng)敢想會思、敢說會談、敢做巧做的學(xué)生，才能讓核心素養(yǎng)的培養(yǎng)真實(shí)落地。

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