设计思维导向下的低年段科学教学

司徒敏

设计思维是指人们在遇到复杂的现实问题时，能够综合运用自己的知识，通过设计与思维双螺旋结构的相互依赖与促进，不断生成新的解决策略，进而创造性地形成解决问题的思路与方案。在设计思维导向下的活动中，学生拥有像设计师一样思考的机会，创造力便油然而生，他们可以积极主动地参与探究性学习、小组活动，而非被动式听讲，可以多角度地看待、分析问题并利用身边的资源来解决问题。

在2017版《义务教育小学科学课程标准》中增加了一个学习领域就是技术与工程领域，提到的18个主要概念之一就有“工程的关键是设计”，可见设计思维在该领域的学习中有着重要的作用。在低年段的教学中如何培养学生的设计思维呢？下面我以《做磁铁玩具》为例，谈谈自己的做法。

了解需求，渗透设计思维

我们生活中的很多文具和玩具，都是经过设计师精心设计的，但对学生来说，他们很少会去关注这些巧妙的设计。事实上，这些设计能给学生启发或作为设计的范例。所以在教学的起始，我先让学生去了解生活中的物品，从物品去了解别人是如何设计的，从而渗透设计思维教育。在上课前，我先让学生搜集家里装有磁铁的物品，并把这些物品带回来，在课堂上给大家做介绍：这些物品用来干什么？是运用了磁铁的什么特点？当把不同的磁铁物品放在一起时，学生会发现它们有不同的形狀与用途，也就明确了：我们根据不同需要把磁铁设计成不同形状，根据磁铁的不同特点把它运用到生活的不同方面，从而让学生明白我们是基于需求去进行设计，而不同的需求就有不同的设计。

观察产品，分析设计

在设计前，除了要考虑需求，还需要思考解决问题的方法——设计原理。低年段学生的思维还处在具体运算阶段，在指导他们分析产品的设计原理时，需要用最简单的产品作为例子，通过拆解产品来展示设计原理。《做磁铁玩具》一课，教材是用“蹦蹦蛙”这个玩具来启发学生。执教时，我先给学生展示了“蹦蹦蛙”蹦跳的玩法，吸引他们的注意力;接着让学生猜测为什么“蹦蹦蛙”能蹦跳，由于有了前面几课的学习基础，学生都能猜到是利用了磁铁同极相斥的原理;当把“蹦蹦蛙”的内部展示给学生时，他们进一步明晰了设计原理，为后面的模仿设计作铺垫。从观察简单产品到分析设计原理是一个解暗箱的过程，在这个过程中教师给予学生设计产品的信心，并激发了他们的设计兴趣。

尝试摸索，模仿设计

既然已经明白了设计的原理，那就可以让学生尝试制作一个产品，低年段学生更适合从模仿设计、制作开始。这个制作不是简单的拼装，而是要在拼装的过程中思考各部分材料在产品中发挥的作用。在上课时，我提供给学生的材料与我出示的“蹦蹦蛙”玩具的材料有一些不同（见表1），但我并没有告诉他们提供的材料相当于“蹦蹦蛙”玩具的哪部分，需要学生在制作过程中发现这些材料的作用。在尝试设计的过程中，他们一开始没有用到橡皮泥，当作好玩具后，他们发现木筷子不稳固，才想到用橡皮泥做底座。也有些学生会想到用橡皮泥包住最下面的环形磁铁，这样就使得玩具更有神秘感。从学生尝试摸索的过程可以看出，他们已经有了设计的意识，为下面迁移设计做了一定的铺垫。

变换材料，迁移设计

为了推动学生的设计思维向前发展，教师需要创造新情境来加以强化。对低年段的学生来说，新、旧情境要有联系，这样才便于他们进行设计的迁移，教师可以通过变换材料或变换研究对象来创设新情境。

在学生用环形磁铁设计并制作了“蹦蹦蛙”后，我再出示柱形磁铁，问学生能不能用柱形磁铁来做“蹦蹦蛙”，由于环形磁铁和柱形磁铁的形状不同，这就决定了要用不同的方法去设计，这里就不再是简单的模仿设计了。我提供给学生的材料有柱形磁铁、吸管、贴纸、橡皮泥，而吸管的粗细、长短各不相同，需要学生选择使用。这次的材料比前一次的材料更加复杂，吸管的粗细与长短要根据柱形磁铁的情况来选择。

事实证明，在这个环节中学生的思维被充分调动起来。学生先提出的解决方法是把柱形磁铁粘在吸管上，随后发现粘在吸管上柱形磁铁是无法弹跳的，继而提出把柱形磁铁放在吸管里面。在探究的过程中他们发现，吸管太长，无法按压柱形磁铁;吸管太短，柱形磁铁会掉出来，所以吸管的长度要设计得刚刚好。同样，贴纸贴在哪里也需要设计，如果贴纸贴在吸管上就弹跳不了，因此需要贴在柱形磁铁的最上端（如图1）。这样的迁移设计是具有挑战性的，但难度适合二年级学生的水平，让他们“跳一跳就能摘到桃子”。

模仿设计与迁移设计这两个有结构但又有梯度的活动，让学生知道不同形状的磁铁都可以实现同极相斥，但要根据磁铁的特点来使用不同的材料，用不同的方法制作“蹦蹦蛙”玩具。在活动的最后，我引导学生归纳设计思路：先对玩具样品进行观察，再推测内部的结构与原理，接着构思设计方案，最后选择合适的材料进行制作并测试。学生还意识到，要达到同样的效果，可以有不同的材料选择和不同的实施方法。

亲子活动，创意设计

通过上面的几个活动，学生已经基本了解了设计的方法，也初步具备了设计思维，这时教师可以让学生进一步迁移，把方法运用到设计其他物品上，在实际运用中强化设计思维。在课的最后，我鼓励学生课后与家长完成亲子活动——设计并制作磁铁玩具，加深学生对磁铁特点的认识并进一步运用设计思维，鼓励他们下节课把制作好的磁铁玩具带来展示。结果，学生的作品创意十足（如图2），他们都能说出玩具是根据磁铁的什么特点制作的，为什么要这样设计。可见设计思维已经开始扎根在学生的头脑中。

优化教学策略，助推学生思维养成

在执教过程中，为了让低年段学生更好地掌握设计思维，我采用了以下三个策略：

1.可视化工具帮助设计构思

由于低年段的学生思维处在具体运算阶段，需要形象化的符号帮助他们思考，所以在教学中教师可以借助可视化的工具激发学生思考，帮助他们构思设计。教学中常用到的可视化工具有设计图、模型、照片、视频等，设计图将想法可视化，模型将设计方案可视化，照片、视频将思考过程可视化。

课堂上，我让学生介绍自己的设计想法时，借助了放大的材料图片，让学生边介绍边摆放图片，这样其他同学就能明白“蹦蹦蛙”玩具的设计方法以及制作过程。在让学生用柱形磁铁设计玩具前，我利用了两个模型来启发学生的思维。学生一开始提出把柱形磁铁粘在吸管上，这时我出示做好的模型，学生马上就反应过来——粘在吸管上的磁铁不可能弹跳起来。紧接着有学生提出用纸圈套住柱形磁铁，这样既可以让磁铁立起来，又可以弹跳。这时我又出示模型并进行了演示，学生发现由于上面的柱形磁铁空间太多，它没有与下面的柱形磁铁作用，因此彈跳不起来。通过模型的直观演示，学生很快就构思出了用柱形磁铁制作玩具的方法。

2.问题链使设计思路清晰化

低年段的学生在设计时，思考往往是片面的，设计思路也不够清晰，所以教师借助问题链可以促进学生思考，帮助他们理清设计思路。例如在让学生用柱形磁铁做“蹦蹦蛙”玩具时，我就提出了以下问题链：

（1）你们的玩具是怎样实现小动物上下弹跳的？

（2）磁铁除了这样放，还可以怎样放？

（3）吸管有什么作用？

（4）大家都选择同样的管子，为什么其他的管子不合适？

（5）为什么贴纸不能贴在吸管上？

问题链中每一个问题都有不同的指向性：第一个问题指向玩具弹跳的原理，第二个问题指向方法的多样性，第三个问题指向材料的作用，第四个问题指向材料的选择，第五个问题指向玩具的效果。通过思考这些问题，学生就清晰地知道在设计时要考虑原理、实施的方法、每个结构的作用、材料的选择等问题。

3.头脑风暴激发创意设计

虽然在设计思维导向下的低年段教学更多的是教师指导，但这并不意味着教师必须带着学生一步步去设计与制作，而是可以在教学的拓展部分适当放手，让学生发散他们的设计思维，在大家的头脑风暴中相互启发，产生更多的创意设计。在学生完成了玩具的设计与制作后，我演示了几个磁铁玩具，让他们知道还可以利用磁铁的其他特点来做好玩的磁铁玩具。接着鼓励他们进行头脑风暴，说说想设计什么磁铁玩具，学生的想法很多，如吃豆子的小鸡、智能停车场、飞舞的蝴蝶……很多有创意的设计就在大家的交流中迸发出来。

设计思维导向下的低年段教学是以学生发展为中心，强调问题解决、创新精神等综合能力的培养。在实践中我们发现，从低年段就开始培养学生的设计思维，对他们科学思维的发展、科学探究能力的提升有很大的帮助。

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