許 瑋 陳 航 劉 曉

一、 問題的提出

隨著《科學教育的原則和大概念》[1]、《以大概念理念進行科學教育》[2]等著作的出版,各國紛紛開始以“科學大概念”建構本國的科學教育課程體系。我國最新《義務教育小學科學課程標準(2022年版)》(以下簡稱“《新課標》”)隱去原有科學課程標準中的四大領域,首次劃分出13個學科核心概念和4個跨學科概念,并提出要依托13個學科核心概念的學習理解跨學科概念[3],將“科學大概念”的培養(yǎng)視為落實核心素養(yǎng)培養(yǎng)的錨點。“科學大概念”強調科學概念體系的理解與構建,通過系統(tǒng)化與結構化的概念學習,來幫助學習者應對變化的問題挑戰(zhàn)?！翱茖W大概念”是當前科學教育內容選擇的指導思想和科學內容表達的理想方式。[4]已有相關研究證實“科學大概念”能培養(yǎng)學生的決策能力和創(chuàng)新能力,而這兩種能力在一定程度決定了學生能否具備專家思維。[5]學生對大概念的建構過程就是從掌握基本概念向應用復雜規(guī)則、創(chuàng)造性解決問題轉變的過程。[6]而科學大概念如何在科學學習中落地?《新課標》將“科學探究”修改為“探究實踐”,同時突出科學探究以及技術與工程實踐,體現(xiàn)了重視開展技術與工程實踐的素養(yǎng)導向。學生綜合利用學科核心概念和跨學科概念,通過跨學科綜合實踐,解決真實情境中的技術與工程問題[7],說明概念的教學應在探究實踐活動中達成。

因此,如何組織探究實踐活動,促進學生核心概念的理解和遷移,使科學概念在探究實踐建構中,實現(xiàn)科學探究、技術與工程實踐有效融合,也是教師在實踐過程中值得研究的問題。在實際教學中,教師對大概念缺少正確的理解,往往會出現(xiàn)刻板教學,活動以驗證模仿為主,缺少真實情境下的論證過程等問題。[8]設計思維作為一種支持創(chuàng)新、問題解決的方法論體系,強調真實情境的問題,需要學生綜合運用多學科知識,借助一定方法和工具,以產(chǎn)生問題解決的方案。[9]其真實性、綜合性與新課標的理念高度契合,也為學生概念理解與遷移提供新路徑,在大概念教學中起到“使能”作用。

本研究將對“大概念”的科學教學理念及設計思維進行深入剖析,設計融入設計思維的小學科學大概念單元教學模式,并通過將其應用到教學實踐中驗證其有效性,通過學生的學業(yè)成績反饋進行反思,以期為當前我國小學階段“科學大概念”的教學改革提供借鑒。

二、 理論基礎

(一) 科學大概念

1. 內涵

“大概念”的研究最早可以追溯到富蘭克林(Franklin)提出的“有用的知識”的論點,“有用”指能應用于處理生活問題的技能和理解力。布魯納(Bruner)在倡導的學科結構運動中強調,“理解學科的基本結構就能更好地解決課堂內外相關的各種問題,實現(xiàn)知識學習的遷移”。這也就是“一般概念”的遷移,這種遷移是“教育過程的核心”。[10]埃里克森(Erikson)從課程內容的角度指出,“大概念”指向學科中的核心概念,是在具體事實中概括出來的深層次的、可遷移的概念。[11]不僅如此,埃里克森將“大概念”分為宏觀概念和微觀概念,即“跨學科大概念”和“學科大概念”。在科學教育領域,2005年美國科學促進會(American Association for the Advancement of Science,簡稱AAAS)指出“大概念”是“能將眾多的科學知識聯(lián)為一致整體的科學學習的核心”[12]。2009年哈倫(Harlen)等人提出包括有關科學內容和科學本身的14個科學大概念,并從教學法、課程內容和評價三個方面作了可操作性的闡述。[13]

2. 特征

基于不同學者對“大概念”內涵屬性和科學學科特點的分析,可以發(fā)現(xiàn),“科學大概念”具有以下特征:一是中心性?？茖W大概念集中反映科學本質和思想方法,居于科學學科的中心位置,屬于上位概念。通過“大概念”聯(lián)結起無限個小概念形成有序結構,從而生成科學概念體系。[14]二是普適性?！翱茖W大概念”具有廣泛的解釋力,具有極大的遷移價值,能夠應用于現(xiàn)實生活和生產(chǎn)實際中不同情境下的問題理解和解決。[15]三是真實性。珀金斯(Perkins)提出“大概念”的“大”意味著應與未來的真實生活相關聯(lián),對學習者的生活有意義。[16]四是可持久性。當學習者結束學科學習后,許多事實性知識或許很快就會被忘記,而最后還仍然存留下來的就是那些大概念。

(二) 設計思維

1. 概念內涵

“設計思維”來自西蒙(Simon)在《人工智能科學》(The Sciences of the Artificial)一書中所提出的“設計過程”。不同學者關于設計思維的內涵有不同角度的理解。如有學者認為“設計思維”是一種通過整合人們的需求、技術的可能性以及成功的必要條件以創(chuàng)造性解決問題的方法。[17]有學者理解“設計思維”是一個為了創(chuàng)造性解決設計問題而進行的一系列分析、行動的過程。[18]還有學者把“設計思維”定義為一種針對復雜問題解決的能力,指向知識創(chuàng)造的能力。[19]結合以上分析,本研究認為,“設計思維”是綜合運用知識,能夠選擇適當?shù)膭?chuàng)新方法和技能,在經(jīng)歷一定的探索之后,不斷迭代生成問題解決的策略以創(chuàng)造性地解決真實問題的一種能力。

2. 操作模型

設計思維能夠支持創(chuàng)新學習及解決復雜問題,不同的機構組織、研究者開發(fā)了適用于不同領域的操作模型[20],其中應用最廣泛的是斯坦福大學設計學院的EDIPT設計思維模型。該思維模型包括“共情需求(Empathize)、定義問題(Define)、方案構思(Ideate)、原型制作(Prototype)和測試迭代(Test)”五個環(huán)節(jié)。學習者首先在“共情”環(huán)節(jié)通過換位思考收集信息并建立與應用者的需求聯(lián)結,由此在“定義”環(huán)節(jié)明確用戶需求,在“構思”環(huán)節(jié)中通過頭腦風暴尋找各種解決方法,并權衡得出最終的解決方案,最后在“原型”和“測試”環(huán)節(jié)中開展問題解決的非線性循環(huán)實踐過程。EDIPT模型更強調學生的同理心設計,鼓勵學生提出多種解決方案,并不斷進行反思性評價和方案優(yōu)化,能夠凸顯設計思維的情境性、靈活性和迭代性。[21]EDIPT模型的應用研究最初集中于高等教育階段,而后不斷被國內外研究者應用于中小學教學中。李海峰等人借鑒綜合EDIPT等設計思維模型提取“同理心、需求定義、創(chuàng)意構想、原型建構、測試評估和發(fā)布成果”6個核心要素構建創(chuàng)客教育模式,并發(fā)現(xiàn)其能顯著地提升學生的創(chuàng)造性思維、問題解決能力、批判性思維和知識創(chuàng)造效能感。[22]王佑鎂等人則是依據(jù)EDIPT模型構建設計思維深度融合模型并結合實踐案例進行應用闡釋,以期促進STEM教育和創(chuàng)客教育的深度融合。[23]楊彩香等人將設計思維模式融入小學科學的STEAM教學中,參考EDIPT模型構建STEAM教學活動設計模式。[24]

3. 方法和工具

設計思維應用中常用到許多方法和工具,其中較為常用的有同理心、視角化思維、類比思維和組合進化思維等。麥克唐納(McDonagh)提出的同理心方法其核心在于使用人種志和同理心模型,將自我置身于特殊人群的角色,來獲得其生活環(huán)境中的體驗。[25]視角化思維在于將問題、思維、方案可視化,可視化更便于快速獲取和處理信息,并用于設計人員的想法交流。在設計思維流程中借助模型有利于幫助設計者進行可視化推理和制定決策,而可視化推理在概念生成階段是非常重要的[26]。類比思維的核心在于設計者通過類比建立相似事物屬性間的聯(lián)系,實現(xiàn)知識的遷移,以此產(chǎn)生新的概念方案和創(chuàng)新設計。組合進化思維鼓勵將已有的因素創(chuàng)新地組合在一起以生成新的設計和發(fā)明。索里(Solé)等人提出技術的可組合性有利于創(chuàng)造性生成。[27]在設計思維融入大概念的教學中應用上述方法有利于問題的解決和概念的建構。

(三) 設計思維與大概念教學的契合性

在教學目的上,設計思維是一套關于創(chuàng)新解決復雜問題的方法論體系,對提升創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力等具有積極作用,這也是大概念教學期望達成的目標。在教學形式上,設計思維采用特定模式的項目式教學,清晰呈現(xiàn)復雜問題解決的過程,能有效促進技術與工程概念與其他學科概念的整合。在模型屬性上,設計思維具有以人為本的特點,強調問題的真實性才能促進學生創(chuàng)造性的問題解決。而學生學習概念必須在人與真實情境的互動中得以建構,學習應根植于真實情境[28]。在方法策略上,設計思維提供了系統(tǒng)配套的策略和工具以用于問題解決[29],為學生的行動提供思維支架,也幫助教師了解學生的概念學習差異。由此,融入設計思維并基于大概念對課程內容進行整合教學,在真實的情境中設計探究學習、實踐學習,進行結構化的知識整合,能促進學生形成大概念統(tǒng)整的認知體系,進而有效內化為解決真實問題的能力。

三、 融入設計思維的小學科學大概念單元教學模式

(一) 模式構建

在大概念理念指導下的大概念教學也應運而生,國內外許多學者從大概念視角提出了單元教學模式?！皢卧敝赶虻氖菄@大概念的相關內容集合,體現(xiàn)出整體觀視角,其可以是常見的教材中的單元,也可以是針對同一大概念整合不同學段和學時形成的單元。埃里克森將單元設計步驟具體劃分為創(chuàng)建單元主題—確定概念棱鏡—確定單元鏈—編織單元網(wǎng)絡—歸納出概括—開發(fā)引導問題(基本問題)—確認關鍵內容—確認關鍵技能—編寫最終的評估以及相應的評估標準—設計學習經(jīng)驗—撰寫單元概述等11個步驟。[30]威金斯(Wiggins)提出的“逆向設計”從學生未來發(fā)展的視角出發(fā),先確定預期成果和檢驗預期成果達成度的評價方法,最后再設計具體的教學過程,具體包括三個步驟,即明確預期學習成果—確定恰當?shù)脑u估辦法—規(guī)劃相關教學過程。[31]對比埃里克森和威金斯的教學過程可以發(fā)現(xiàn),兩者在教學細節(jié)上雖稍有不同,但都是遵循目標設計—評價設計—過程設計的思路開展,以目標引領評估方案,以評估方案指導教學過程。而查莫斯(Chalmers)的系統(tǒng)網(wǎng)模式則包括構建原則系統(tǒng)、活動序列系統(tǒng)、思維工具系統(tǒng)、評估反饋系統(tǒng)。與前兩種教學模式不同的是,系統(tǒng)網(wǎng)模式提出了單元設計的原則體系,并非常重視思維工具對支持大概念學習的重要作用。[32]我國學者劉徽借鑒“逆向教學設計模式”將“評價設計”置于“過程設計”之前,確立圍繞大概念的單元整體教學模式,由目標設計、評價設計和過程設計三個關鍵步驟構成。[33]綜合國內外研究,大概念單元教學設計基本框架由目標設計、評價設計和目標設計組成,相對順序可以有所調整。其中目標設計的主要內容包括確定單元目標、梳理單元網(wǎng)絡、確定概念群等;評價設計主要包括確定評估工具和評估標準;過程設計需要設計相關的教師活動和學習活動等。

逆向教學設計提倡由學習目標引領繼而設計評價方法和學習活動,“學生需要什么”是教學的出發(fā)點也是核心。這與大概念教學的理念相契合,大概念是整個單元內容的基礎和中心,理解與遷移大概念是評價與過程設計的根據(jù)。因此,本研究遵循“逆向設計”理念,將整個科學大概念單元教學模式分為“目標設計—評價設計—過程設計”三個主要步驟:(1)目標設計。目標設計的核心在于構建單元概念體系,在此基礎上編寫單元網(wǎng)絡,從而確定單元的學習目標。(2)評價設計。為達成學習目標以設計評價任務,并確定評價標準以檢驗學習目標達成度。(3)過程設計。綜合多位研究者對設計思維模型的應用案例,較多研究者將EDIPT模型融入對應學科提出教學模式,且通過教學實踐證明設計思維在不同學科中均有較好的融合性,對促進學生的創(chuàng)造性思維、問題解決能力、實踐操作能力等均有較好的效果。因此,本研究采用EDIPT設計思維模型理論作為模式構建的理論基礎之一,在過程設計中融入斯坦福大學提出的EDIPT設計思維模型的五個步驟,并將“精細加工”(Elaborate)步驟融入到設計思維的五步驟中構建EDEIPT模型。相比較傳統(tǒng)的設計思維教育過程,在具有綜合性的科學課程中,學生未曾學習設計活動中的概念知識,所以增加對概念學習的“精細加工”過程,學生在體驗共情需求之后,激發(fā)學習動機,明確定義問題,在問題驅動下開展對相關概念的精細加工學習。最終得到融入設計思維的小學科學大概念單元教學模式,如圖1所示。

圖1 融入設計思維的小學科學大概念單元教學模式

在實際開展科學大概念教學時往往容易出現(xiàn)以下問題:(1)技術與工程部分概念與其他概念缺乏有效融合。多數(shù)教師授教時由于未基于單元特點厘清技術與工程部分概念與其他學科概念的邏輯關系以及它們與日常經(jīng)驗的關系,各概念均是獨立教授,導致學生較難將學科知識運用于技術與工程任務中,對技術與工程概念僅停留于淺層認知,缺乏深度理解。(2)課次情境缺乏統(tǒng)一性、連貫性和階梯性[34]。大概念的學習強調生活情境的價值,然而在實際教學中少有教師會在同一單元中依據(jù)知識序列和學習目標層級設計銜接合理、進階性的系列情境和單元大情境。(3)過于強調基礎性知識,缺乏高階思維的培養(yǎng)[35]。概念教學在于引導教師從教授專家理論轉向培養(yǎng)專家思維。多數(shù)教師僅停留在幫助學生體驗探究活動,將工程實踐視為普通的動手活動,忽視了對探究與實踐現(xiàn)象的反思和將具體事實提升至抽象概念的思維推演過程。

在教師活動中,教師要促進概念在特定的設計思維框架中由理解向建構的轉變,在教學時一應創(chuàng)設多元情境以充分激發(fā)學習引擎,情境的創(chuàng)設包括單元整體工程情境和具體探究活動情境;二應創(chuàng)設指向大概念的基本問題,基本問題的設計應能有效聯(lián)結單元概念,充分引發(fā)深度思考和開展持續(xù)性探究;三應充分運用模型建構的策略促進概念的理解,基于小學生的學習特點和設計思維的方法,以實物模型為主,利用繪圖、表格和產(chǎn)品原型等將想法進行表達和外化,以此在實踐中構建思維模型、檢驗模型、修正模型并在新情境中檢測模型[36]。所以,教師在開展具體教學時應扮演好引導者、指導者的角色,引導不同層次學生實現(xiàn)經(jīng)驗現(xiàn)象與概念的有意義聯(lián)結,基于學生已有生活經(jīng)驗和認知水平合理設計探究活動和工程設計活動,給予具體的針對性的指導。

在學生活動中,學生更應是學習的主角和知識的創(chuàng)新者,依據(jù)不同學習步驟的特點進行探究、設計和概念建構活動。學生在單元學習中感知單元任務,產(chǎn)生設計需求,明確設計問題并以此產(chǎn)生知識學習的內在動機,在小組協(xié)作探究中達成概念建構,從而應用于具體設計方案的設計和分析,在原型構建和迭代中檢驗和修正概念認識,形成解決未知問題的思維傾向和能力。

(二) 模式分析

1. 目標設計

埃里克森針對大概念為核心的教學目標設計提出了“三維”模式,在安德森(Anderson)的知識維度分類基礎上用概念性知識統(tǒng)攝事實性知識和程序性知識。三維模式用KUD模型來確定目標,即在事實層面上知道(Know)事實、在概念層面上理解(Understand)、在技能層面上能做(Do),核心是理解。[37]威金斯則將預期學習結果分為學習遷移、理解意義和掌握知能,其中理解指向的就是大概念。[38]通過“目標設計”這一步驟將大概念和學習目標建立聯(lián)結,有效統(tǒng)整知能目標,并在目標設計中側重目標的生活價值導向。

概念體系的建立遵循前概念—小概念—關鍵概念—大概念的發(fā)展順序,學生在進入學習之前的認知基礎是前概念,教學活動中建構的各種小概念不斷理解生成關鍵概念,繼而整合形成大概念,概念層級的關系如圖2所示。教師依據(jù)課程標準,首先確定單元內容對應的大概念、關鍵概念。其次通過前測或訪談了解學生的前概念尤其是迷思概念。再次從單元出發(fā),整體把握教材內容,挖掘每課對應的概念,厘清課與課的概念之間的關系。概念之間的關系通常包括并列、遞進、從屬關系等。以此確定單元教學的所有小概念及其聯(lián)系,形成關于本單元的科學概念體系,并繪制成概念圖譜。最后依據(jù)概念體系編織單元網(wǎng)絡,劃分單元組塊,編排課時順序,并采用KUD模型撰寫課時目標。課時目標的撰寫應考慮學生的前概念,以及和大概念之間的認知差距和認知誤差。

圖2 科學概念層級關系

2. 評價設計

在評價設計時可以從教學前、中、后三個階段設計評價任務,確定具體的評價標準和量規(guī),對學生的過程行為、訪談、測試、操作等表現(xiàn)做出評價,了解學生的大概念學習情況。評價方案的設計與學習目標相一致,即評價任務和評價標準是為檢驗學習目標是否達成服務的。融入設計思維的大概念單元教學的評價包括以下三個階段。

(1) 在教學前,教師發(fā)布測試題,學生完成前測,將學生的測試得分作為評價標準以初步了解學生的科學前概念以及原有知識技能水平,也可以輔之訪談以充分了解“技術與工程”部分中相關概念的理解表現(xiàn)。

(2) 在教學中,對學生學習效果的評價任務主要體現(xiàn)在解決真實工程問題的過程,以及完成作品的質量。教師可以針對任務開發(fā)評分量規(guī),對項目過程和作品進行評價。作品評價可以從安全性、技術性、功能性、設計方案、創(chuàng)造性、趣味性和美觀性等指標開展;問題解決的過程可以從小組合作、交流評價、計劃分工、反思改進等指標做出評價。根據(jù)評價主體可分為自我、組內、組間、教師等類型。在開始任務前,教師可以先發(fā)布評價標準,幫助學生明確期望達成的學習表現(xiàn),并進一步促進學生進行更好的實踐與反思。

(3) 教學后,教師發(fā)布測試題,學生完成后測,根據(jù)后測得分評價學生的概念生成水平和發(fā)展情況,同時也可輔之訪談等。

除此之外,可以有意識地引導學生學會評價自我,這是大概念教學格外強調的。專家與新手的區(qū)別在于專家具有反思和元認知的能力,能有意識地對活動過程進行監(jiān)測。針對大概念遷移的自我評價,斯特恩(Stern)提出四步法,即按照問題情境調用合適的大概念—激活對大概念的先驗理解—考量大概念對于情境的適用程度—根據(jù)新情境修改和完善自己的理解。[39]參考斯特恩的四步法,可以通過課堂提問引發(fā)學生的自我評價。

3. 過程設計

(1) 明確問題體系

威金斯指出,“最好的問題是指向和突出大概念的”,當學習者面對未知的關鍵概念、主題和理論時,通過基本問題可以主動引導他們展開探索從而豐富自己的理解。[40]因此,在過程設計中特別需要關注基本問題的開放性,以促進學生深度思考。教師應確定指向大概念的單元大問題,并按階段性教學任務分解成具有挑戰(zhàn)性和銜接性的問題鏈。通過貫穿全過程的問題鏈引導學習者持續(xù)性探究未被理解的概念、理論,建立更復雜的認知。教師可以從單元內容和課程標準內的關鍵詞匯、整體性問題、學生的錯誤認識中得出基本問題。為了促進大概念的理解,問題鏈可以分為具體與具體、具體與抽象、抽象與抽象三種關系。[41]

(2) 重構教學步驟

根據(jù)本研究中構建的EDEIPT模型,將教學過程分為六個步驟,并結合大概念教學的實施要點,構建了教師活動和學生活動。教師多以引導者、指導者、啟發(fā)者的角色出現(xiàn),學生則以設計師的角色進行科學實踐和工程實踐,通過連貫的學習鏈實現(xiàn)新舊概念的同化與順應。每一階段都有對應的設計思維工具,包括同理心地圖、需求知識分析表、方案權衡表、設計圖、產(chǎn)品評價表、概念思維導圖等,展示學生解決問題的思維路徑,讓創(chuàng)意思維可視化、公開化。

① 共情需求

大概念學習的最終目的是為了解決真實問題,而設計思維又具有以人為本的特點,最終結果的達成程度由用戶的感受決定,因此融入設計思維的學習過程需要學生通過觀察、親身體驗等方式理解用戶的感受和實際需求。學生通過觀看文字、圖片、視頻等方式尋找所做工程的共情需求,通過描述聽、看、說、做、想法、感受、痛點和收獲等繪制同理心地圖來建立起同理心。在這當中教師需要創(chuàng)設合適的情境,以滿足學生的情緒體驗,引起學生的有效共情。

② 定義問題

在這個環(huán)節(jié)學生需要明確“想要設計什么樣的、需要解決哪些問題、需要學習哪些概念”等問題。學生根據(jù)共情需求環(huán)節(jié)得到的同理心地圖進行頭腦風暴,從技術性、功能性、創(chuàng)造性、趣味性、美觀性等角度出發(fā),用不同語句描述用戶的需求,最終確定需要解決的設計問題。再從需求出發(fā),設想并列舉自己要在本單元中學習什么概念。這個環(huán)節(jié)極大驅動了學生對于學科領域概念的探究興趣。在后續(xù)學習過程中,學生隨時可以完善補充問題答案,不斷豐富概念認知。教師應清楚解釋需求分析的內容,組織小組借助需求分析表開展分析討論,并幫助學生明確設計問題,引發(fā)學生對問題解決、概念學習的積極性。

③ 精細加工

在本環(huán)節(jié)學生進行概念的初步建構,以解決“定義問題”步驟中產(chǎn)生的概念困惑。概念的學習,始終遵循具體問題—抽象原理—具體問題的循環(huán)圈,教師通過設計豐富多樣的真實生活情境,通過多維度、非線性的不同主題案例嵌入與應用,完成協(xié)作探究,在科學實踐中幫助知識的學習精細化、復雜化,實現(xiàn)學生對概念的深度理解和高度遷移。一方面教師可以充分運用圖表支架,比如在初步接觸概念時,可以運用弗雷爾模型(Frayer Model)、概念集合、概念坐標等厘清概念的內涵、概念與案例的關系以及概念與概念之間的關系,在進行概念的組織和概括時,可以通過思維網(wǎng)絡圖、概念金字塔等反映概念的結構關系。另一方面教師可根據(jù)年級特點適當融入現(xiàn)代化多媒體技術教學資源,比如微課、虛擬實驗平臺等更直觀具象地幫助學生理解概念。

④ 方案構思

方案構思是將設計想法外顯化的過程。一方面教師應有意引導學生形成比較權衡的思維能力。學生經(jīng)過頭腦風暴后會產(chǎn)生許多解決方法,可以借助方案權衡表幫助學生整合所學知識,比較分析不同方法的優(yōu)缺點以得出最優(yōu)方案。另一方面教師應培養(yǎng)學生借助設計方案清晰表達設計想法的技能。小學階段學生繪制設計圖的經(jīng)歷較少,通過強調設計圖的要素、明確人員分工,能使學生更加理解設計方案的意義,有利于后續(xù)原型制作步驟的實施。

⑤ 原型制作

原型制作是學生創(chuàng)意落地的實踐過程,學生會根據(jù)構思的方案來制作原型。制作環(huán)節(jié)中學生會經(jīng)歷預期設想無法實現(xiàn)的可能,容易產(chǎn)生挫敗焦慮的情緒,因此教師需要及時鼓勵與指導,協(xié)助學生得出更合適的方案。這個模型不斷檢驗修正,實際上也能促進在真實場景中應用的概念的不斷檢驗修正。教師還需要為學生提供完成原型所需的足夠的資源、材料和工具。

⑥ 測試迭代

學生以小組為單位向全班介紹工程原型,從教師和其他學生處得到用戶反饋,得知其是否滿足用戶需求,是否解決了用戶的問題。其間,教師可以根據(jù)組內角色的特點為學生提供匯報單,以幫助不同角色的學生都能正確地運用科學語言參與表達。通過師生的深度思考和討論,小組重新以同理心體會用戶的感受和反饋,并重新迭代作品。同時教師可以組織學生對工程活動開展反思,形式包括談話、寫作、圖表等,分享對工程設計的理解,從而幫助學生形成技術與工程的大概念。

四、 模式應用與效果分析

(一) 研究設計

1. 實驗對象

本研究以浙江省杭州市某小學三年級4個班級共140人作為研究對象。其中男生76人,女生64人,平均年齡9歲。他們作為小學中段學生,已接受2年的科學學習,有技術與工程實踐的相關經(jīng)歷。

2. 實驗設計

目前,手術依然是食管癌最有效的治療方式,但傳統(tǒng)開放手術創(chuàng)傷較大,術后并發(fā)癥發(fā)生率也較高。雖然胸、腹腔鏡聯(lián)合手術可使術后并發(fā)癥發(fā)生率降低,但仍存在術后大出血、吻合口瘺、肺部感染等并發(fā)癥,給患者生命安全帶來嚴重的影響。本院將綜合護理干預應用于食管癌患者術后護理,在預防術后并發(fā)癥發(fā)生方面取得了理想效果,現(xiàn)報道如下:

實驗采用包含前后測的教學實驗設計,全部由一位教師執(zhí)教。通過前測發(fā)現(xiàn)4個班級不存在顯著差異,因此可以進行對照實驗,分別選取2個班級作為實驗班和對照班。自變量為是否采用融入設計思維的大概念單元教學模式,因變量為學業(yè)水平測試。案例選取浙教版小學《科學》三年級下冊第一章《物體的運動》單元,單元內容共有8小節(jié)。實驗班采用融入設計思維的大概念單元教學模式,將單元教學分為6個階段,共10課時完成。對照班則按照教材內容編排順序,開展傳統(tǒng)教學,共8課時。

3. 測量工具

學業(yè)水平測試分為前測和后測,由一線教師組成的教研組出卷,卷面滿分均為50分,難度值相同,題型以選擇題為主,有部分開放題,主要考察學生在不同情境下對單元概念體系的理解和遷移水平。

(二) 實施流程

1. 目標設計

依據(jù)《義務教育小學科學課程標準(2022年版)》的指導,該單元涉及“物質的運動與相互作用”“工程設計與物化”2個大概念。對該單元的教學內容進行科學大概念知識結構體系構建,對關鍵概念以及對應的小概念進行提煉,如表1所示。

表1 “物體的運動”單元概念體系

根據(jù)前測結果發(fā)現(xiàn),學生對于運動有較多的感性認知和生活經(jīng)驗,但對于物質運動概念的理解不完整甚至有一些錯誤認識,因而在設計學習目標時應結合學生的前概念作出適當調整,以適應學生學情。比如,學生對于運動概念的理解為“他們看到在動的”“位置發(fā)生改變了”,無法判斷自動上升的扶梯上的人是否運動,因此在確定學習目標(能理解)時應強調位置有“相對”的特點。

結合單元概念體系和學生的前概念,根據(jù)KUD模型細化到單元每小節(jié)相應的學習目標,樣例如表2。

表2 “物體的運動”單元概念體系下各小節(jié)KUD學習目標樣例

2. 評價設計

在教學中參考威金斯等人開發(fā)的GRASPS模型為學生設計單元表現(xiàn)性任務,示例如表3。任務單賦予學生“軌道工程師”的角色,讓他們嘗試設計一款適合小學生乘坐的過山車軌道,以充分考察其對于運動和工程設計的概念掌握情況。

表3 基于GRASPS模型的單元表現(xiàn)性任務單示例

針對表現(xiàn)性任務開發(fā)基于維度—權重的量規(guī),對學習過程和學習結果進行評價,每個維度分為3個等級,分值越高表示表現(xiàn)水平越優(yōu),滿分30分,示例如表4。

表4 基于維度—權重的評價表示例

3. 過程設計

(1) 明確問題體系

基于概念體系確立單元大問題為“如何設計適合我們小學生乘坐的過山車”,結合學生的認知特點和認知基礎設計貫穿全過程的問題鏈,問題鏈體系與小概念的關系如圖3所示。將過山車項目劃分為四個關鍵問題,每個問題都與關鍵概念相對應。

圖3 “物體的運動”單元問題鏈與概念的關系

(2) 重構教學步驟

在此基礎上,重新編排單元內容,得到EDEIPT教學步驟(如表5所示),并依此流程開展教學。在精細加工步驟中每個模塊的教學均依托過山車活動為載體,以期幫助學生從事實性認識形成系統(tǒng)的概念認知。

表5 EDEIPT教學步驟

(三) 實施結果

在教學實踐前后,為檢測了解學生對概念的理解水平變化,分別在實驗前后對實驗班和對照班進行學業(yè)水平測試,進行增值計算和對比,結果如表6所示。對學業(yè)水平測試前后測的增值進行描述性統(tǒng)計及獨立樣本t檢驗,對照班分數(shù)增值為2.94分,實驗班分數(shù)增值為5.56分,t=-3.393,P=0.001,P值小于0.05,說明實驗班的前后測成績提升顯著。綜合學業(yè)水平前后測結果可以發(fā)現(xiàn),采用融入設計思維的大概念單元教學模式的班級成績漲幅要高于沒有采用融入設計思維的大概念教學模式的班級,表明該教學模式能明顯提高學生學業(yè)水平,促進學生概念的理解和建構。

表6 對照班和實驗班學業(yè)水平前后測增值均值和獨立樣本t檢驗結果

結合訪談情況,學生在使用融入設計思維的大概念單元學習中有著濃厚的興趣,大部分學生都保持積極主動的態(tài)度完成工程設計,且愿意以合作探究的形式擔任工程師的角色。學生對于工程師的印象、對工程活動的認識也有了新的變化。一方面,許多學生對工程師的看法從出現(xiàn)在工地上、身后會有建筑物、手持扳手等工具的刻板印象轉變?yōu)槊摰舭踩?、使用工具繪制設計圖、多人合作等新印象,并表示“工程師非常了不起,需要知道很多科學知識”,“工程師需要非常有耐心,因為需要不斷改進作品”。另一方面,學生們意識到“工程師需要經(jīng)歷設計、制作、優(yōu)化等步驟,設計是最重要的環(huán)節(jié)”,因為“只有設計好才能把它造出來”,“設計時一定要想好哪些材料能用并試一試能不能行不行”。學生的觀點說明了學生對工程的概念逐漸從零散的小概念上升為對工程活動的概念體系。

五、 結論與建議

(一) 研究結論

圍繞大概念的單元教學是素養(yǎng)導向下課堂變革的必然選擇,而大概念單元教學的關鍵在于實現(xiàn)對概念的深度理解并促成遷移,其最終目的指向解決真實世界中的挑戰(zhàn)。融入設計思維的教學關注真實問題中的創(chuàng)新,以連貫的活動實現(xiàn)技術與工程部分大概念與其他科學領域大概念的有效融合,實踐過程中學生在真實體驗中自主產(chǎn)生問題,借助創(chuàng)新方法和工具在真實項目中應用概念,達成概念的高通路遷移。綜合學業(yè)水平測試、訪談等數(shù)據(jù)來看,學生對于學科概念的理解不斷深入,且能較靈活地運用和遷移概念,對技術與工程概念的本質性認識加深,這進一步論證了這種教學模式具有可行性,值得繼續(xù)探索與推廣。

(二) 教學建議

1. 師生共建單元概念認知

專家的特點在于擅長形成概念網(wǎng)絡并將其用于指導問題解決,建立概念體系是一種訓練專家思維重要的方法。但需要指出的是,小學尤其是低中學段學生建立的概念認知必然是模糊的且建立難度較大,因此與其說是“概念體系”,用“概念認知”更為準確。學生在進入學習前僅有零碎的事實性知識,因此需要教師引導學生共同建立關于該單元的概念認知。教師把握單元整體,厘清教材脈絡,找出核心概念發(fā)展的線索,梳理從大概念、關鍵概念到小概念的概念體系。概念體系主要服務于教師的教學,幫助教師重構教學過程,有利于概念的傳授。在測試和繪制工程師畫像過程中發(fā)現(xiàn),由于教師主導較多,容易使得學生對概念的認知是零散的。因此教師更應鼓勵學生自主形成概念理解,嘗試在真實情境下開展科學實踐,從現(xiàn)象的觀察、思考、體驗、論證中感受總結客觀推導提煉出大概念,并嘗試在其他不同情境下運用檢驗大概念來解決問題。在教學中也發(fā)現(xiàn),小學生難以對某一概念形成簡潔的歸納總結,更擅長結合事例作出描述,因此教師應允許這種現(xiàn)象并靈活調整教學,鼓勵學生嘗試繪制豐富多樣的思維導圖以展現(xiàn)對單元概念的整體認知。

2. 靈活內化設計思維思想

設計思維的每個環(huán)節(jié)都在培養(yǎng)學生相應的思維及技能,但過于強調開展所有環(huán)節(jié)的必要性和順序,則容易使教學流于形式,大概念單元教學與設計思維缺少有效的融合。因此為了幫助學生們更能帶著創(chuàng)造性的信心完成這段學習經(jīng)歷,有效促進對概念的理解和運用,應讓設計思維所追求的創(chuàng)新的、以人為本的思想成為積極的問題解決者的內核。在運用設計思維進行教學時,一方面應更注意創(chuàng)新方法方式的運用,把握設計思維特點,將設計思維的教學過程與科學教育的目標進行深度融合。把握共情需求步驟充分揭露了解學生前概念并引發(fā)真實性提問;定義問題步驟鼓勵學生采用圖示分析需求明確單元問題;精細加工步驟中運用類比、發(fā)散和聚焦、逆向和順向等設計思維方法可以較好地幫助學生開展概念的探究過程;測試迭代步驟則可以增加不同真實情境培養(yǎng)學生概念的遷移應用能力。另一方面更應注意資源形式的創(chuàng)新性,有效運用當下的技術平臺,為師生交流、生生協(xié)作提供更多線上線下的交流環(huán)境,創(chuàng)造多空間的大概念教學。

3. 明晰呈現(xiàn)問題解決路徑

在教學開展中發(fā)現(xiàn)學生對于清晰明確的問題更愿意表達和探究,因此教師一方面應重視單元問題鏈的設計,以生活價值為引導,遵從概念體系的邏輯,通過基本問題引發(fā)對大概念的持續(xù)性思考,促進學生思維的發(fā)散性。實踐過程發(fā)現(xiàn),更具開放性和真實性的問題更能真正激發(fā)學生的思維發(fā)散并更有探究和論辯的主動性。另一方面在教學的各個環(huán)節(jié)中充分運用各種認知工具,包括用戶移情圖,需求分析表、方案權衡表、設計方案的思維導圖和草圖等,幫助學生理清思維邏輯,為學生的問題解決路徑提供模板。