小学科学课程中工程项目的设计

倪爱萍

一、工程与技术核心概念的操作定义

工程设计与物化——科学课程标准（2022版）中的第十三条核心概念，以学科素养作为核心串联整体设计。

1. 工程需要定义和界定：定义简单工程问题，包括材料、时间或成本等限和界定制条件，提出验收标准。

2. 工程的关键是设计：利用示意图、影像、文字或实物等多种方式，阐明自己的创意，初步认识设计方案中各影响因素间的关系。基于有说服力的论证，认同或质疑某些设计方案，并初步判断其民行性和合理性。

3. 工程是设计方案物化的结果：利用工具制作简单的实物模型，根据实际反馈结案物化的结果。

二、对研究问题的情境性分析

本文从课标中的核心概念出发设计学习目标，设计意图是让学生经历工程的完整过程“明确任务→设计→建模→测试→评估改进→实施建设”，在实践中学习达成学科素养目标和人文素养目标。

以小学六年级科学《小小工程师》单元改进的工程项目——建造足球塔台为例。学习的形式有头脑风暴、合作设计、集体汇报、画廊式展评、竞标书审辨会、向学校提交成形竞标书等。

三、研究设计

（一）研究目标

本项目采用工程与技术素养和人文素养目标并行的方式设计。

1. 能提出满足定限制条件的简单工程问题，知道验收标准，了解设计方案中各种因素间的关系。能综合考虑平衡各因素间的关系。

2. 能基于所学科学知识，应用创造性思维的基本方法提出多种设计方案，基于批判性思维评价并优化设计方案。能与同伴头脑风暴讨论更优方案。

3. 能制作实物模型，并基于证据改进实物模型的设计和制作。能全体汇报交流肯定他组优点，也敢于质疑，同时勇于接受他人批判。

4. 乐于尝试多种设计方案，初步具有质疑、创新的态度;知道技术与工程需要实事求是，能如实记录相关信息和正确对待作品的缺陷。

（二）研究内容与步骤

四、实践操作过程

（一）小小工程师，写一写建造塔台“竞标书”

在第一部分项目的活动中，主要设计以下三个方面的内容，包括以下三点内容。

1. 头脑风暴，“办法”总比“问题”多。观看塔台竞标视频。首先通过一个校长发布的塔台竞标视频展现学习生活过程中的真实情境。展示操场照片和学校足球队的训练情况。引发基于现实问题的思考。校长发表竞标视频：“同学们，大家好！我是你们的校长张老师。学校足球队因训练需要，要在操场上建一座塔台，以供足球教练站在塔台上指挥队员训练，请各位准工程师一起来帮助完成此工程任务。现在学校向全体六年级同学公开征集塔台的设计方案，最终通过竞标的方式确定建塔资格。希望大家头脑风暴、集思广益设计出安全、节约成本又美观的塔台！”观看了校长的塔台招标公告，让学生说说自己的想法，建造塔台需要考虑的因素有哪些？讨论如何解决各个方面的问题。

2. 分工合作，做一份竞标书。设计一份塔台竞标书。让学生通过分工合作、手绘设计图的方式，设计一份塔台竞标书，学生通过简单的铅笔、直尺展现自己的想法。画出的设计图兼具工程严谨性和创意性。

3. 交流分享，我们组的竞标书。同学们对自己小组的设计充满了信心，充满了分享的欲望。这时候把讲台交给学生，台上的小组作为竞标者分享自己的标书。台下的同学作为“评审团”，可以提出质疑，也可以说说哪里值得大家借鉴。

项目经理：我们组的名字是“芬达汽水小组”，成员分工如下：妮妮是项目经理，邵方曦是绘图设计师，徐可欣是成本会计。我们预计的工期是暑假7月3日—8月25日。成本会计：我们预设建设位置在如图所示操场的一侧，使用到的材料有：钢管、木材、木板、混凝土。根据我们选材如商标，总计费用为2788.86元人民币。绘图设计师：我们组的塔台采用三角形结构，整体上小下大，上轻下重，十分稳固，顶端有栏杆会更安全，结构美观。底面为边长为一米的等边三角形，加上一根钢管支撑。顶面为0.5米的等边三角形，栏杆高度为0.2米。侧面还加入了多根斜杆加固，底面四个角用混凝土加重。

学生都是积极向上有好胜心的，都会想办法往三分的方向去设计自己的模型。有了明确的方向和积极的兴趣，设计活动会更加高效。

（二）小小设计师，画一画塔台模型“设计图”

本环节是塔台建设中的关键环节。塔台的制作需要严格按照设计图进行。

1. 评价表前置，明确任务目标。学生看完任务要求再自行阅读了塔台制作评价表，会对自己的设计方案有新的理解，会做出新的各种因素之间的权衡。

2. 分工明确，合作手绘图。针对设计需求讨论设计方案，塔台模型的设计与之前的直接设计塔台是不同的，所以针对塔台模型设计，组内还需进行讨论。学生分配好自己的角色，兴趣浓厚，各司其职，完成设计图稿。学生充分參与到项目化活动中去，整个设计过程中，学生的交流能力、探究能力、合作能力和审美能力都得到了一定程度的提升。

3. 画廊走，我来介绍你来评。画廊走是一种轮流欣赏同伴作品的学习方式。绘图设计师留在原地向参观者介绍自己组的作品，答疑解惑。另外三位组员按照顺序充分参观其他组的作品。用贴爱心的方式客观地选择优秀的设计。得到爱心最多的小组肯定有设计上的优势，请几个优秀的小组成员上台解说自己组的设计，其他小组可以借鉴，也可以提出质疑。

通过以上设计任务，学生对于怎样是一个好的塔台模型有了更多更深刻的认识，对于工程是一个复杂过程，需要综合考虑的过程有了更直接的体会。锻炼了合作交流能力，提高了肯定和质疑他人观点的能力。

（三）小小建筑师，搭一搭“塔台模型”实物

由设计模型到制作模型，由理论想法到实践操作，由科学知识到操作技术，真正做到学以致用，清晰有逻辑顺序的学习活动。

1. 集思广益，交流搭建技术。模型搭建的材料只有塑料吸管、粘胶带、剪刀、尺子，塔台的搭建需要哪些技术？怎样的搭建顺序比较好呢？塔基一定要平稳，接口处要固定且牢固;先搭底座，再搭侧面，再整体加固，有序进行。控制好立柱的高度，尽量等高，防止塔台倾斜，随时测量高度，保持等高。每个人明确分工，拼接直管、撕胶带、扶住吸管、拼接加固的斜杆、修改设计图，每人认领工作。

2. 团结协作，四双小手搭搭搭。搭建活动时学生兴趣高昂，终于有机会把自己家的设计转化成实体模型。一定要给予学生充足的时间，两个小时至三个小时为宜。学生通过搭建亲身体会到了结构对于安全承重的重要性以及制作过程中如何平衡成本和安全性。落实模型一定要严格按照设计图进行制作。

（四）小小评估员，测一测评估“塔台模型”

测试评估是设计论证中的重要环节，通过测试我们评价组员在设计制作中的表现、塔台模型各方面的性能，根据测试表现，组员讨论出具问题梳理单。以便下一轮的改进设计论证。

1. 议一议，测试评估标准。测试环节一定需要一个统一、明确的标准，而课本上所给的标准并不明确，所以需要教师组织学生议一议测评的标准。学生自己讨论得到的评价标准会非常遵守，尽可能地客观公正，这也为后面的测评奠定了良好的基础。例如：同学们，今天我们要测试我们的塔台，但是标准有点含糊，我们一起来讨论吧。塔台高度55cm及以上的为2分，60以上为3分。材料成本为80根以上的为1分，70根以内为3分。桌面抬高15cm不倒为3分，10cm不倒则为2分。美观性需要全班排名，难以排名的时候应该投票排名。

2. 公平公正，交错互评。每组4号留在自己组进行自评记录;每组2号至4号到下一组进行互评，测试记录。所有组员一起自评本组的设计图、分工合作和美观度。分工测试，承重测试必须放在最后测试，等其它测试都完成了后进行。其它测试项目在互不干扰的情况下可以同时进行。

3. 出具问题梳理单，改进设计。学生通过多组模型测试，明确了各种结构模型的优缺点，有助于学生改进自己小组的作品，为进一步梳理问题单和改进模型设计奠定了基础。明确了自己组模型的缺陷不足之处，学生可以进一步改进自己的塔台模型，尝试画下来。

学生经历了“明确问题→设计→建模→测试→评估改进→实施建设”的过程，对工程的基本实施步骤有了更加直观的体验。在此过程中收获了做图能力、综合思维能力、合作交流能力和批判改进能力。经过多次论证后整理成一份较为成熟的竞标书提交给学校。

五、效果与反思

（一）成效

1. 激发学生自主学习，促进高阶思维的发展

（1） 发展学生设计思维

学生不断发现问题，不断改进设计，从原始的粗糙设计不断趋于专业。学生像小小工程师一样规范画图，标注尺寸、材料，核算成本，同时还认识到工程是一个复杂的将设计物化的过程，需要综合考虑各方面的限制条件。

（2） 优化改进的过程促进学生思维宽度和深度的发展

学生在项目化的学习过程中不断修正任务解决方案。制作足球塔台模型，不断加深对于框架結构、建筑稳定性等方面的认识，促进学生思维深度和广度的发展。

（3） 具体测试发展学生思维严谨性

交流评价环节，学生依据已有知识和测评数据质疑批判别组设计，自己组的设计也被他人质疑批判。在此过程中学生知道技术与工程需要实事求是、严谨，要能如实记录相关信息和正确对待作品的缺陷，积极反思。

2. 形成基于设计思维的STEM教学模型项目实施过程中注重培养学生创造性解决问题的能力，注重设计制作和工程思维发展双并进，关注学生思维的外显化。

（二）反思

1. 给予成长空间，收获自主学习

项目化的学习改变了传统的教学关系，强调学生与同学、真实情境与老师、与自己的对话。笔者在项目化的学习过程中，让学生自主探究、合作学习、自主实践。从成果来看，能力的提升是有目共睹的，成果也很让人惊喜。

2. 整合设计项目，提升专业素养

项目化学习中，教师既要系统设计项目，又要考虑很多流程细节。根据新编的科学教材来设计活动，可以少走弯路。但是每个活动都需要教师亲自实验，让要求和指导制作更加有针对性。项目化的备课需要集体的力量，花大量的时间，但确实有助于教师的成长。

3. 指向高阶思维，减少题海战

项目化工程学习指向高阶思维，避免了重复的练习。如在实践中学生体会了工程设计的理念，实践了施工技术，学到了设计工程的知识。这样的设计经验可迁移性强，为成为一个小小工程师打下了良好的基础。