公平杯里的新秘密

万嵩海

技术设计是小学生科学探究学习的主要方式之一。本文以一则课堂教学实例引出，分析了基于技术设计的小学科学教学的四个目标和三种水平，提出了“原型启发”、“设计制作”、“效能评价”、“建立关联”四阶段的科学课堂教学的实施策略。

一、再现“公平杯里的秘密”

在2012年秋的浙江省小学科学特级教师课堂教学展示活动中，特级教师喻伯军执教了《公平杯里的秘密》。几年前在西安地摊上淘到的这个奇妙的公平杯，现在竟然引发了孩子们的探究热情。与普通杯子不同，孩子们发现，公平杯中央有一个龙形的立柱，杯底还有一个小洞。往杯中加水，孩子们惊奇地观察到，当杯中的水积蓄到一定高度时，就会从小洞中不断流出，直至杯中无水。喻老师笑问：“这个奇怪的现象与杯子的哪个结构有最大关系？”孩子们纷纷猜测：“可能和杯子中的龙嘴有关”、“可能和杯底的小洞有关”、“龙嘴和底部小洞之间可能有一根管子”、“可能在立柱的底部有一个进水的小孔”。猜测越来越接近事实。于是，喻老师揭示了公平杯的内部结构。原来，公平杯内的龙形立柱里有一个“n”形的连通管，而精美的龙头只不过是装饰品。

为了帮助孩子们理解公平杯这种奇特结构所隐含的科学原理，喻老师展示了用吸管和一次性塑料杯制成的公平杯简易模型。由于材料简单、操作便捷，孩子们很快想到了公平杯模型的制作技巧，跃跃欲试。此时，提一些活动要求是必要的，这些要求涉及独立制作、多次检验、简图记录、原理讨论、操作常规五方面。20分钟的小组活动结束了，孩子们展示了自制公平杯的效能，并交流了他们对公平杯工作原理的思考——杯中的水流出来是因为水的压力。在这一点上，孩子们取得了共识。借助“公平杯工作原理示意图”，孩子们了解了虹吸现象以及虹吸现象在生活中的存在和应用。

在《公平杯里的秘密》的教学活动中，教师引导孩子们通过对公平杯的观察、制作、检验，来了解公平杯的结构、功能和原理之间存在的联系，并逐渐建立“人们设计不同的结构来实现不同的功能”这一科学概念。这样的教学过程，被视为基于“技术设计”的小学科学教学。

二、基于技术设计的教学目标

技术设计，是指孩子们通过制成某个具有特定功能的实物化的技术产品，来理解产品的结构、功能、原理之间的关系的科学学习过程。技术设计与科学探究是两种并行的活动过程，它们相互促进、相互渗透。技术设计把孩子们通过科学探究所获得的科学知识与他们的生活紧密地联系在一起，通过对技术产品及其工作方式的了解来加深对科学概念和科学原理的理解，通过对技术产品的设计和制作来提升科学探究能力、决策能力、创造能力，通过对技术产品的评价和运用来发展科学情感，从而理解科学技术和社会之间的关系。

结合小学生科学学习的特点和需求加以分析，基于技术设计的小学科学教学目标主要应定位于四个方面：一是发展孩子们对技术产品的结构、功能和原理之间的关系的理解；二是发展孩子们的技术设计能力，比如设计图稿的基本格式、在图稿中如何使用文字和示意图等；三是发展孩子们与设计过程相关的能力，包括合作能力、创造能力、空间能力、决策能力；四是发展孩子们对科学、技术、社会之间的种种联系的理解。

孩子们的技术设计可以有三种不同的水平。一是在原型启发下，利用身边的简单材料创制出结构、功能相似的技术产品，比如“做一个指南针”、“做一个小开关”、“做个太阳能热水器”、“设计制作小赛车”等；二是在分析原型缺陷的基础上，对其结构、功能或成本和效益等进行改进设计，创制出更为理想的技术产品；三是根据特定的目的，创造性地设计制作出具有一定功能的技术产品。对于小学生而言，更多的是第一种水平，即原型启发下的技术设计。

三、基于技术设计的教学及策略

基于技术设计的科学课堂教学，教师大多通过提供生活中的产品原型来引导孩子们从中发现产品的结构、功能或原理。然后指导他们合作或独立地设计制作出基于现实水平的技术产品并检验其工作效能。最后引导孩子进一步理解技术产品的结构、功能和原理之间的关系。因此，基于技术设计的小学科学课堂教学一般经历“原型启发”、“设计制作”、“效能评价”、“建立关联”四个阶段。

“原型启发”阶段。教师通常利用某种暗含技术设计的活动情境或问题情境，引发孩子对技术产品的探究需求。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”），引导孩子就原型的结构、功能或原理进行分析。比如，“该物品具有哪种结构”、“该物品有什么功能”、“该物品利用了哪种科学原理”。

“设计制作”阶段，首先，孩子们根据设计制作的任务和要求提出相关的设计制作建议。一些难度较大的任务，比如“设计制作太阳能热水器”，教师可引导孩子们将设计制作的思路通过图纸转化为方案（包括所需材料、产品图样、简单制作过程等），并对方案进行交流和评价，就其中明显的缺陷提出修改建议。然后，孩子们自主完成产品的制作加工工作，并在产品初成后检验其是否达到既定要求。

“效能评价”阶段。首先，是展示和评价产品是否能达成既定功能，比如小开关放入电路中是不是能控制电路的通断、小赛车是不是能行驶、保温杯是不是能减缓热量的流失。其次是关注产品是否符合设计制作的限制条件和其他要求。对于教师而言，除了在产品效能上做出客观评价之外，还应该引导孩子们查找问题，提出改进建议。

“建立关联”环节。首先，教师可利用实物、图解、板书等手段，帮助孩子厘清产品的结构、功能、原理三者之间的联系，建立或巩固相关的科学概念。然后，引导孩子们运用所学知识去进一步解释生活现象、完善技术产品、解决相关问题。

（浙江省杭州市拱墅区教育局教研室 310005）