科学探究与工程设计整合的教学实践探索

蒋亚彬 甘雪梅

摘要本文尝试用科学探究与工程设计整合的模式，对《设计电路》一课进行了重新设计和实践，以紧密联系生活的工程设计任务为教学情境。《设计电路》的教学活动结合核心素养与科学学科素养，联系课程标准中学生应该形成的主要概念，制定了准确合情的教学目标。使学生体验工程设计的过程，发展科学能力和工程素养，让学生的思维得到充分发展。

关键词 设计电路 科学探究 工程设计

中图分类号：G424文献标识码：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

近年來科学课与其他学科或领域的整合教学，是基础科学课程改革及实践的趋势之一。本文尝试用科学探究与工程设计整合的模式，对《设计电路》一课进行了重新设计和实践，以紧密联系生活的工程设计任务为教学情境，安排了设计研讨电路图、照图施工连接电路、测试、展示、评价、优化迭代等活动环节，使学生体验工程设计的过程，发展科学能力和工程素养。

研究背景

美国2013年颁布的《新一代科学教育标准》中，将工程实践与科学探究整合称为“科学和工程实践”，作为科学教育的三个维度之一，成为基础教育阶段科学与工程教育整合的基本方式，并很快被其他国家借鉴，用于基础教育阶段的科学教育改革。2017年我国颁布的《义务教育小学科学课程标准》（以下简称“课程标准”）增加了技术与工程领域，并指出：技术与工程领域的学习可以使学生有机会综合所学的各方面知识，体验科学技术对人类生活和社会发展的影响。技术与工程实践活动可以让学生体会到“做”的成功和乐趣，养成通过“动手做”解决问题的习惯，并倡导使用跨学科的学习方式进行学习。

近年来，科学、数学、技术与工程整合（STEM）成为科学教育的新趋势之一。STEM不是将科学、数学、技术与工程简单地叠加，而是将四者形成一个有机结合体，从而培养学生的创新意识与实践能力。如何将工程实践的核心思想与现有的科学课程结合，发展学生科学能力的同时，培养其工程素养是近年来基础科学课程改革及实践的重要趋势。

课程标准指出：工程的关键是设计，工程是运用科学和技术进行设计、解决实际问题和制造产品的活动。工程无处不体现着“设计”这一思想，从本质上看，科学探究和工程设计实践都是问题解决的过程。因此，笔者尝试用“科学探究与工程设计整合”的模式设计了《设计电路》一课。

教学设计思路

《设计电路》是湘版五年级上册第四单元“电与我们的生活”中的第3课。在前面两课的学习中，学生了解了电路的组成部分，知道了闭合电路的基本概念。本课将引领学生在此基础上根据教学情境中的真实问题设计电路，初步了解串联电路和并联电路各自的特点。教材中本课内容的安排根据儿童的认知特点，按照由易到难的层次排列。由“一个开关控制一个灯泡”到“一个开关控制两个灯泡”，再到“有没有更多的设计思路”，层层递进，符合学生的认知规律。但三个任务都是由教师提出的，虽然一个比一个难，看似很有挑战性，但学生不知道为什么要进行设计，不知道这样设计之后要用在哪里、解决什么问题，就像无源之水，终有枯竭之时。经过教学总结，笔者发现，对于教材中的“一个开关控制两个灯泡”的学习任务，除非学生之前对电路的知识有所了解，否则很难想到用并联的方法设计电路，最后的“还有没有更多设计方案”大多是教师直接给出并联的方法并进行解释，很难达到发展学生思维的目的。而工程设计正是运用科学和技术进行设计、解决实际问题的活动，在本课的教学中融合工程设计，不仅可以解决学习任务的“源头问题”，还能发展学生的工程素养。

教学过程

1.创设情境，确立工程目标

教学片段：

师：通过前面的学习，我们知道了，要想点亮小灯泡，必须用导线把它和电池、开关一起连成闭合的回路。我们今天一起来迎接一个新的挑战，我们需要给这间教室安装两盏电灯（出示教室图片），在安装灯泡前，先设计怎么连接电路，然后再施工。接下来，我们一起来设计电路（出示课题）。

贴近生活的真实问题情境更容易激起学生的参与欲，进而引发他们学习的内驱力。因此，笔者设计了“为一间教室设计电路”这一贴近学生生活的教学情境，赋予学生设计师和工程师的情境角色，教师把教材中的三个任务进行整合，变成了一个整体的工程目标，将枯燥的电路知识和实际生活联系起来，以提高学生的学习兴趣。

2.设计研讨，展现工程之“思”

教学片段：

师：怎样才能让两盏灯亮起来呢？怎么设计电路图呢？老师给大家准备了小白板和电路元件的小磁贴，请同学们用笔画线来表示导线，在小白板上摆出你们的设计图。如果你们需要更多的小磁贴，比如开关等，可以到老师这里来领取。

（学生小組讨论，设计电路图。）

师：请小组代表把设计图贴到黑板上来。

同学们观察一下，这些设计图中，哪些能让两盏灯亮起来，哪些不能？先在小组内讨论一下，再跟大家分享你们的发现。

（学生分小组观察、讨论。）

师：大家来看看第1组的设计，你们觉得他们能不能点亮两盏小灯泡？

生：能！因为他们把两个灯泡都连接到电路里，形成了一条闭合回路。

师：第2组的设计呢？

生：我认为他们不能点亮两盏灯，因为第一个灯泡只连接了正极，第二个灯泡只连接了负极，它们没有形成闭合的回路。

师：应该怎么修改？（学生回答并修改。）第4组呢？我觉得他们设计的电路有点复杂，应该请他们来介绍一下。

生：我们是第4组。我们用了两个开关，因为我们想要分别控制两个小灯泡，想让哪一个亮就可以单独让它亮。我们先把一个开关和一个灯泡连成一个闭合回路，然后把另一个开关和另一个灯泡连接成一条闭合回路。

师：他们连接了两条闭合回路，你们觉得他们的设计能不能让两个灯泡都亮起来？

生：应该是可以的，因为都形成了闭合回路。

师：现在黑板上的设计都能让两个小灯泡亮起来，大家再仔细观察一下，这些设计哪些是一样的，可以分到一类？

生：我觉得1、2、3、6、7组是一样的，因为它们都只有一条闭合回路；4、5组是一样的，它们都有两条闭合回路。

在科学领域，“思”指向以解释自然现象为目标的科学探究；在工程技术领域，“思”则指向服务于实际问题的工程设计，因此工程之“思”可以有多种设计思路。本课体现工程之“思”的方法就是设计电路图。

在提出设计要求时，教师其实设置了一个“陷阱”——没有对两个灯泡是否要分别控制进行说明，希望学生能在设计时呈现思维的差异。接着，教师让学生对每个小组的设计图充分讨论，通过生生之间的对话，发展学生的思维。本课中教师花费了很多的时间对每一个设计图是否可行进行了分析，对于稍微复杂的设计还请学生进行介绍，对不可行的方案进行了修正，并对所有的方案进行比较和分类（串联和并联），让学生对两种电路设计方法在思维上进行比较。实际上这也是工程师在工作中经常要用到的方法。

3.动手连接，体验工程“施工”

在动手连接的过程中，一些小组会面临照图施工之后灯泡不亮的情况，这时候就需要学生利用前面两节所学的闭合电路的知识去查找原因，并解决问题。在真实的工程施工中也会遇到施工现场条件、材料等因素影响施工进展的问题，在这个过程中学生解决了现场生成的问题，并体会到成功的喜悦。

4.测试、优化，感受工程迭代

教学片段：

师：下面我想请设计这两种连接方式的小组分别来测试一下他们电路连接的效果，同学们仔细观察，看看两种连接方式有什么不一样的地方。

生：我觉得4、5组的灯很亮，1、2、3、6、7组的灯有些暗。

师：你观察得很仔细，还有什么发现？

生： 4、5组是两个开关分别控制两个小灯泡，1、2、3、6、7组是一个开关控制两个小灯泡。

师：同学们真是善于发现和总结。实际上像这样把用电器一个接一个顺次连接的电路，我们把它叫作串联电路。这样把用电器并列连接起来的电路，我们把它叫作并联电路。

大家认识了串联电路和并联电路之后，如果再让你们选择，你们会选择哪种连接方式来连接我们这间教室的两盏灯呢？

生：我想选择串联电路，因为这种方式很方便，一下子就把两盏灯都打开了，要关的时候也能一次就关掉。

师：你们觉得呢？

生：我不同意，我觉得并联电路更适合，因为如果我只想要开一个灯的时候，用串联电路就无法实现，就比较浪费电。

师：你们同意他的说法吗？

生：我同意他的看法，可是我认为要分情况，当我不需要分别控制的时候，串联电路更方便。

生：可是如果我们用串联电路连接两盏灯，假设其中一盏灯坏了，闭合电路就断开了，那剩下的一盏也不亮了，所以我觉得还是并联电路更实用。

师：他说的你们听懂了吗？同意吗？

生：我同意他的观点，而且我还有补充。我们刚才看到并联电路的灯泡明显亮一些，所以从保护视力的角度考虑，并联电路更有优势。

生：我有一点同意，也有一点不同意。因为我发现我们教室的灯就是一个开关可以同时控制一整排灯泡，说明它们是串联电路。

师：这位同学很善于观察，我们就来看看我们教室的灯到底是怎么控制的。（教师演示用开关控制教室的灯。）你们有什么发现？

生：我觉得每一排都是由一个开关控制的，它们是串联的，然后每一排之间是并联电路。

生：我不同意这种说法，因为我记得有一次教室的一盏灯坏了，但是只有它不亮，那一排的其他灯还是亮的，说明它们之间不是串联的。

师：其他同学呢？你们赞同哪个观点？

生：我觉得这是一种“超级并联”，就是可以用一个开关控制很多盏灯的并联电路。它的开关要放在总线路上。

师：用一个开关控制很多盏灯的并联电路是怎么回事呢？我们还是从两盏灯开始，同学们再来设计一次吧！

通过对两种连接方式的展示，学生对串联电路和并联电路的概念其实已经初步形成，到这里是可以画上句号的。但教师在这里又增加了一个环节：请学生在认识了串联和并联两种连接方式后，再来选择更适合本课教学情境的电路连接方式。这里是回扣教学情境，同时也暗含了对两种连接方式的评价，以及优化、迭代的思想。在讨论中有学生发现，串联电路中一个灯泡坏了，另一个也不亮，而并联电路没有这个问题，所以并联电路比较合适。

还有学生通过观察提出教室里的灯是一个开关控制一串灯，所以是串联的，并得出串联比较合适的结论；立刻又有学生用一个灯泡坏了但其他灯泡不受影响的发现反驳他，这样的讨论很好地引发了认知冲突。教师顺势引导学生以满足“一个开关同时控制两个灯泡的并联电路”的要求再次进行设计，在这里工程迭代的特征更加明显，甚至有学生用“超级并联”来形容这种用一个开关控制很多盏灯的并联电路，因为它兼具了串联电路的集中控制和并联电路的互不影响、亮度高等优点。至此，学生对串联电路和并联电路的认识可以说是非常深刻了。

教学总结

纵观整个教学过程，学生的参与度非常高，讨论时，教师对学生的回应，仅仅是为了推动讨论的进行，有时甚至不需要教师组织，学生之间就能形成有效的互动。生生互动成为本课推动学生思维和认知发展的动力，这与本课将科学探究与工程设计结合的设计密不可分，以解决真实问题作为教学情境，就让学生有很高的学习兴趣，也因为和生活紧密相关，学生有来自生活的认知基础，表达观点时有据可依，语言表达更有逻辑性，有效地倾听也随之发生。在这样的良性循环下，学生的思维得到了充分发展。

从科学探究的角度看，学生完成了对“怎样让教室里的两盏灯亮起来”这一问题的探究学习，认识了串联电路和并联电路的特点以及应用场所，科学思维得到了发展。

从工程实践的角度看，学生体验了工程设计、施工测试、优化迭代等过程，学会了用设计图来表达自己的构想，并能够简单评估一个设计图是否可行，对自己和他人的设计图提出改进建议，并说明理由，在按照设计图“施工”时能够解决一些现场生成的问题，做出相应的调整和修改。

在测试和优化的环节，学生能够从使用环境、使用要求等方面评价他人的工程设计，并能不断改进和完善自己的设计，充分体会了工程迭代的思想，工程思维、解决问题的能力、批判性思维等高阶思维也得到了提升。

点评

《设计电路》的教学活动，从对教材的精准分析及解读，对学生的学情及前认知的摸底把握，并结合核心素养与科学学科素养，同时联系课程标准中学生应该形成的主要概念，制定了准确合情的教学目标。教学准备得充分具体，有利于分组活动时能人人参与。教学流程清晰合理，遵循了学生从具体到抽象的认知规律，用类比、归纳、演绎思维方式培养学生的思维能力。

本课在教学设计与实施的过程中，遵循两个教学目标：

课程标准中物质科学领域提出的：在教学中，教师应该帮助学生形成的主要概念“6.机械能、声、光、热、点、磁是能量的不同表现形式”。

课程标准中技术与工程领域提出的：在教学中，教师应该帮助学生形成的主要概念“工程的关键是设计，工程是运用科学和技术进行设计、解决实际问题和制造产品的活动”。

这节课有以下亮点：

（1）教学内容的知识目标的难度适中，学生踮踮脚、伸伸手或跳一下，便能获得。

（2）教学过程以“需求—设计—制作—调试—分析—归纳—建构—应用”为活动脉络，巧妙建构落实核心素养的路径。

（3）在发展学生的发散性思维时，大胆放手，用非线性思维的形式呈现学生思维的多样性。在发展学生的逻辑性时，通过生生互动呈现思维的灵活性。在认知过程中，从个别到一般，发展学生的归纳概括的逻辑推理的思维能力。同时积极思考质疑，发展创新思维能力。通过反问、追问，用线性思维的形式使思维向深度发展。在应用时，发展學生演绎推理的思维能力。

（4）在教学中，教师没有片面地为思维而思维，而是顺势而导，引导学生从现象到本质进行科学探究活动，体现了教师的主导作用。在培养学生关键能力时，充分放手发挥合作学习的作用，用知识（前认知与需要构建的知识）为载体，让他们学会了科学方法，发展了思维能力，培养了学生的科学精神与质疑辨惑的创新思维能力。

杜威认为，有两种知识，一种是靠记忆得来的知识，一种是靠思维得来的知识。靠记忆得来的知识，来得快去得也快，所以思维才是打开未来世界的钥匙，发展思维是科学教学的关键。只有在教学中培养敢想会思、敢说会谈、敢做巧做的学生，才能让核心素养的培养真实落地。

而就学生的思维而言，本课立足于技术工程的角度，以任务驱动的方式，可以更好地激发学生的探究思维，在做中学，在学中思，在思中得。