融入设计思维的科学大概念单元教学模式构建及应用研究*

许 玮 陈 航 刘 晓

一、 问题的提出

随着《科学教育的原则和大概念》[1]、《以大概念理念进行科学教育》[2]等著作的出版,各国纷纷开始以“科学大概念”建构本国的科学教育课程体系。我国最新《义务教育小学科学课程标准(2022年版)》(以下简称“《新课标》”)隐去原有科学课程标准中的四大领域,首次划分出13个学科核心概念和4个跨学科概念,并提出要依托13个学科核心概念的学习理解跨学科概念[3],将“科学大概念”的培养视为落实核心素养培养的锚点。“科学大概念”强调科学概念体系的理解与构建,通过系统化与结构化的概念学习,来帮助学习者应对变化的问题挑战。“科学大概念”是当前科学教育内容选择的指导思想和科学内容表达的理想方式。[4]已有相关研究证实“科学大概念”能培养学生的决策能力和创新能力,而这两种能力在一定程度决定了学生能否具备专家思维。[5]学生对大概念的建构过程就是从掌握基本概念向应用复杂规则、创造性解决问题转变的过程。[6]而科学大概念如何在科学学习中落地?《新课标》将“科学探究”修改为“探究实践”,同时突出科学探究以及技术与工程实践,体现了重视开展技术与工程实践的素养导向。学生综合利用学科核心概念和跨学科概念,通过跨学科综合实践,解决真实情境中的技术与工程问题[7],说明概念的教学应在探究实践活动中达成。

因此,如何组织探究实践活动,促进学生核心概念的理解和迁移,使科学概念在探究实践建构中,实现科学探究、技术与工程实践有效融合,也是教师在实践过程中值得研究的问题。在实际教学中,教师对大概念缺少正确的理解,往往会出现刻板教学,活动以验证模仿为主,缺少真实情境下的论证过程等问题。[8]设计思维作为一种支持创新、问题解决的方法论体系,强调真实情境的问题,需要学生综合运用多学科知识,借助一定方法和工具,以产生问题解决的方案。[9]其真实性、综合性与新课标的理念高度契合,也为学生概念理解与迁移提供新路径,在大概念教学中起到“使能”作用。

本研究将对“大概念”的科学教学理念及设计思维进行深入剖析,设计融入设计思维的小学科学大概念单元教学模式,并通过将其应用到教学实践中验证其有效性,通过学生的学业成绩反馈进行反思,以期为当前我国小学阶段“科学大概念”的教学改革提供借鉴。

二、 理论基础

(一) 科学大概念

1. 内涵

“大概念”的研究最早可以追溯到富兰克林(Franklin)提出的“有用的知识”的论点,“有用”指能应用于处理生活问题的技能和理解力。布鲁纳(Bruner)在倡导的学科结构运动中强调,“理解学科的基本结构就能更好地解决课堂内外相关的各种问题,实现知识学习的迁移”。这也就是“一般概念”的迁移,这种迁移是“教育过程的核心”。[10]埃里克森(Erikson)从课程内容的角度指出,“大概念”指向学科中的核心概念,是在具体事实中概括出来的深层次的、可迁移的概念。[11]不仅如此,埃里克森将“大概念”分为宏观概念和微观概念,即“跨学科大概念”和“学科大概念”。在科学教育领域,2005年美国科学促进会(American Association for the Advancement of Science,简称AAAS)指出“大概念”是“能将众多的科学知识联为一致整体的科学学习的核心”[12]。2009年哈伦(Harlen)等人提出包括有关科学内容和科学本身的14个科学大概念,并从教学法、课程内容和评价三个方面作了可操作性的阐述。[13]

2. 特征

基于不同学者对“大概念”内涵属性和科学学科特点的分析,可以发现,“科学大概念”具有以下特征:一是中心性。科学大概念集中反映科学本质和思想方法,居于科学学科的中心位置,属于上位概念。通过“大概念”联结起无限个小概念形成有序结构,从而生成科学概念体系。[14]二是普适性。“科学大概念”具有广泛的解释力,具有极大的迁移价值,能够应用于现实生活和生产实际中不同情境下的问题理解和解决。[15]三是真实性。珀金斯(Perkins)提出“大概念”的“大”意味着应与未来的真实生活相关联,对学习者的生活有意义。[16]四是可持久性。当学习者结束学科学习后,许多事实性知识或许很快就会被忘记,而最后还仍然存留下来的就是那些大概念。

(二) 设计思维

1. 概念内涵

“设计思维”来自西蒙(Simon)在《人工智能科学》(The Sciences of the Artificial)一书中所提出的“设计过程”。不同学者关于设计思维的内涵有不同角度的理解。如有学者认为“设计思维”是一种通过整合人们的需求、技术的可能性以及成功的必要条件以创造性解决问题的方法。[17]有学者理解“设计思维”是一个为了创造性解决设计问题而进行的一系列分析、行动的过程。[18]还有学者把“设计思维”定义为一种针对复杂问题解决的能力,指向知识创造的能力。[19]结合以上分析,本研究认为,“设计思维”是综合运用知识,能够选择适当的创新方法和技能,在经历一定的探索之后,不断迭代生成问题解决的策略以创造性地解决真实问题的一种能力。

2. 操作模型

设计思维能够支持创新学习及解决复杂问题,不同的机构组织、研究者开发了适用于不同领域的操作模型[20],其中应用最广泛的是斯坦福大学设计学院的EDIPT设计思维模型。该思维模型包括“共情需求(Empathize)、定义问题(Define)、方案构思(Ideate)、原型制作(Prototype)和测试迭代(Test)”五个环节。学习者首先在“共情”环节通过换位思考收集信息并建立与应用者的需求联结,由此在“定义”环节明确用户需求,在“构思”环节中通过头脑风暴寻找各种解决方法,并权衡得出最终的解决方案,最后在“原型”和“测试”环节中开展问题解决的非线性循环实践过程。EDIPT模型更强调学生的同理心设计,鼓励学生提出多种解决方案,并不断进行反思性评价和方案优化,能够凸显设计思维的情境性、灵活性和迭代性。[21]EDIPT模型的应用研究最初集中于高等教育阶段,而后不断被国内外研究者应用于中小学教学中。李海峰等人借鉴综合EDIPT等设计思维模型提取“同理心、需求定义、创意构想、原型建构、测试评估和发布成果”6个核心要素构建创客教育模式,并发现其能显著地提升学生的创造性思维、问题解决能力、批判性思维和知识创造效能感。[22]王佑镁等人则是依据EDIPT模型构建设计思维深度融合模型并结合实践案例进行应用阐释,以期促进STEM教育和创客教育的深度融合。[23]杨彩香等人将设计思维模式融入小学科学的STEAM教学中,参考EDIPT模型构建STEAM教学活动设计模式。[24]

3. 方法和工具

设计思维应用中常用到许多方法和工具,其中较为常用的有同理心、视角化思维、类比思维和组合进化思维等。麦克唐纳(McDonagh)提出的同理心方法其核心在于使用人种志和同理心模型,将自我置身于特殊人群的角色,来获得其生活环境中的体验。[25]视角化思维在于将问题、思维、方案可视化,可视化更便于快速获取和处理信息,并用于设计人员的想法交流。在设计思维流程中借助模型有利于帮助设计者进行可视化推理和制定决策,而可视化推理在概念生成阶段是非常重要的[26]。类比思维的核心在于设计者通过类比建立相似事物属性间的联系,实现知识的迁移,以此产生新的概念方案和创新设计。组合进化思维鼓励将已有的因素创新地组合在一起以生成新的设计和发明。索里(Solé)等人提出技术的可组合性有利于创造性生成。[27]在设计思维融入大概念的教学中应用上述方法有利于问题的解决和概念的建构。

(三) 设计思维与大概念教学的契合性

在教学目的上,设计思维是一套关于创新解决复杂问题的方法论体系,对提升创新意识、创新思维、创新能力等具有积极作用,这也是大概念教学期望达成的目标。在教学形式上,设计思维采用特定模式的项目式教学,清晰呈现复杂问题解决的过程,能有效促进技术与工程概念与其他学科概念的整合。在模型属性上,设计思维具有以人为本的特点,强调问题的真实性才能促进学生创造性的问题解决。而学生学习概念必须在人与真实情境的互动中得以建构,学习应根植于真实情境[28]。在方法策略上,设计思维提供了系统配套的策略和工具以用于问题解决[29],为学生的行动提供思维支架,也帮助教师了解学生的概念学习差异。由此,融入设计思维并基于大概念对课程内容进行整合教学,在真实的情境中设计探究学习、实践学习,进行结构化的知识整合,能促进学生形成大概念统整的认知体系,进而有效内化为解决真实问题的能力。

三、 融入设计思维的小学科学大概念单元教学模式

(一) 模式构建

在大概念理念指导下的大概念教学也应运而生,国内外许多学者从大概念视角提出了单元教学模式。“单元”指向的是围绕大概念的相关内容集合,体现出整体观视角,其可以是常见的教材中的单元,也可以是针对同一大概念整合不同学段和学时形成的单元。埃里克森将单元设计步骤具体划分为创建单元主题—确定概念棱镜—确定单元链—编织单元网络—归纳出概括—开发引导问题(基本问题)—确认关键内容—确认关键技能—编写最终的评估以及相应的评估标准—设计学习经验—撰写单元概述等11个步骤。[30]威金斯(Wiggins)提出的“逆向设计”从学生未来发展的视角出发,先确定预期成果和检验预期成果达成度的评价方法,最后再设计具体的教学过程,具体包括三个步骤,即明确预期学习成果—确定恰当的评估办法—规划相关教学过程。[31]对比埃里克森和威金斯的教学过程可以发现,两者在教学细节上虽稍有不同,但都是遵循目标设计—评价设计—过程设计的思路开展,以目标引领评估方案,以评估方案指导教学过程。而查莫斯(Chalmers)的系统网模式则包括构建原则系统、活动序列系统、思维工具系统、评估反馈系统。与前两种教学模式不同的是,系统网模式提出了单元设计的原则体系,并非常重视思维工具对支持大概念学习的重要作用。[32]我国学者刘徽借鉴“逆向教学设计模式”将“评价设计”置于“过程设计”之前,确立围绕大概念的单元整体教学模式,由目标设计、评价设计和过程设计三个关键步骤构成。[33]综合国内外研究,大概念单元教学设计基本框架由目标设计、评价设计和目标设计组成,相对顺序可以有所调整。其中目标设计的主要内容包括确定单元目标、梳理单元网络、确定概念群等;评价设计主要包括确定评估工具和评估标准;过程设计需要设计相关的教师活动和学习活动等。

逆向教学设计提倡由学习目标引领继而设计评价方法和学习活动,“学生需要什么”是教学的出发点也是核心。这与大概念教学的理念相契合,大概念是整个单元内容的基础和中心,理解与迁移大概念是评价与过程设计的根据。因此,本研究遵循“逆向设计”理念,将整个科学大概念单元教学模式分为“目标设计—评价设计—过程设计”三个主要步骤:(1)目标设计。目标设计的核心在于构建单元概念体系,在此基础上编写单元网络,从而确定单元的学习目标。(2)评价设计。为达成学习目标以设计评价任务,并确定评价标准以检验学习目标达成度。(3)过程设计。综合多位研究者对设计思维模型的应用案例,较多研究者将EDIPT模型融入对应学科提出教学模式,且通过教学实践证明设计思维在不同学科中均有较好的融合性,对促进学生的创造性思维、问题解决能力、实践操作能力等均有较好的效果。因此,本研究采用EDIPT设计思维模型理论作为模式构建的理论基础之一,在过程设计中融入斯坦福大学提出的EDIPT设计思维模型的五个步骤,并将“精细加工”(Elaborate)步骤融入到设计思维的五步骤中构建EDEIPT模型。相比较传统的设计思维教育过程,在具有综合性的科学课程中,学生未曾学习设计活动中的概念知识,所以增加对概念学习的“精细加工”过程,学生在体验共情需求之后,激发学习动机,明确定义问题,在问题驱动下开展对相关概念的精细加工学习。最终得到融入设计思维的小学科学大概念单元教学模式,如图1所示。

图1 融入设计思维的小学科学大概念单元教学模式

在实际开展科学大概念教学时往往容易出现以下问题:(1)技术与工程部分概念与其他概念缺乏有效融合。多数教师授教时由于未基于单元特点厘清技术与工程部分概念与其他学科概念的逻辑关系以及它们与日常经验的关系,各概念均是独立教授,导致学生较难将学科知识运用于技术与工程任务中,对技术与工程概念仅停留于浅层认知,缺乏深度理解。(2)课次情境缺乏统一性、连贯性和阶梯性[34]。大概念的学习强调生活情境的价值,然而在实际教学中少有教师会在同一单元中依据知识序列和学习目标层级设计衔接合理、进阶性的系列情境和单元大情境。(3)过于强调基础性知识,缺乏高阶思维的培养[35]。概念教学在于引导教师从教授专家理论转向培养专家思维。多数教师仅停留在帮助学生体验探究活动,将工程实践视为普通的动手活动,忽视了对探究与实践现象的反思和将具体事实提升至抽象概念的思维推演过程。

在教师活动中,教师要促进概念在特定的设计思维框架中由理解向建构的转变,在教学时一应创设多元情境以充分激发学习引擎,情境的创设包括单元整体工程情境和具体探究活动情境;二应创设指向大概念的基本问题,基本问题的设计应能有效联结单元概念,充分引发深度思考和开展持续性探究;三应充分运用模型建构的策略促进概念的理解,基于小学生的学习特点和设计思维的方法,以实物模型为主,利用绘图、表格和产品原型等将想法进行表达和外化,以此在实践中构建思维模型、检验模型、修正模型并在新情境中检测模型[36]。所以,教师在开展具体教学时应扮演好引导者、指导者的角色,引导不同层次学生实现经验现象与概念的有意义联结,基于学生已有生活经验和认知水平合理设计探究活动和工程设计活动,给予具体的针对性的指导。

在学生活动中,学生更应是学习的主角和知识的创新者,依据不同学习步骤的特点进行探究、设计和概念建构活动。学生在单元学习中感知单元任务,产生设计需求,明确设计问题并以此产生知识学习的内在动机,在小组协作探究中达成概念建构,从而应用于具体设计方案的设计和分析,在原型构建和迭代中检验和修正概念认识,形成解决未知问题的思维倾向和能力。

(二) 模式分析

1. 目标设计

埃里克森针对大概念为核心的教学目标设计提出了“三维”模式,在安德森(Anderson)的知识维度分类基础上用概念性知识统摄事实性知识和程序性知识。三维模式用KUD模型来确定目标,即在事实层面上知道(Know)事实、在概念层面上理解(Understand)、在技能层面上能做(Do),核心是理解。[37]威金斯则将预期学习结果分为学习迁移、理解意义和掌握知能,其中理解指向的就是大概念。[38]通过“目标设计”这一步骤将大概念和学习目标建立联结,有效统整知能目标,并在目标设计中侧重目标的生活价值导向。

概念体系的建立遵循前概念—小概念—关键概念—大概念的发展顺序,学生在进入学习之前的认知基础是前概念,教学活动中建构的各种小概念不断理解生成关键概念,继而整合形成大概念,概念层级的关系如图2所示。教师依据课程标准,首先确定单元内容对应的大概念、关键概念。其次通过前测或访谈了解学生的前概念尤其是迷思概念。再次从单元出发,整体把握教材内容,挖掘每课对应的概念,厘清课与课的概念之间的关系。概念之间的关系通常包括并列、递进、从属关系等。以此确定单元教学的所有小概念及其联系,形成关于本单元的科学概念体系,并绘制成概念图谱。最后依据概念体系编织单元网络,划分单元组块,编排课时顺序,并采用KUD模型撰写课时目标。课时目标的撰写应考虑学生的前概念,以及和大概念之间的认知差距和认知误差。

图2 科学概念层级关系

2. 评价设计

在评价设计时可以从教学前、中、后三个阶段设计评价任务,确定具体的评价标准和量规,对学生的过程行为、访谈、测试、操作等表现做出评价,了解学生的大概念学习情况。评价方案的设计与学习目标相一致,即评价任务和评价标准是为检验学习目标是否达成服务的。融入设计思维的大概念单元教学的评价包括以下三个阶段。

(1) 在教学前,教师发布测试题,学生完成前测,将学生的测试得分作为评价标准以初步了解学生的科学前概念以及原有知识技能水平,也可以辅之访谈以充分了解“技术与工程”部分中相关概念的理解表现。

(2) 在教学中,对学生学习效果的评价任务主要体现在解决真实工程问题的过程,以及完成作品的质量。教师可以针对任务开发评分量规,对项目过程和作品进行评价。作品评价可以从安全性、技术性、功能性、设计方案、创造性、趣味性和美观性等指标开展;问题解决的过程可以从小组合作、交流评价、计划分工、反思改进等指标做出评价。根据评价主体可分为自我、组内、组间、教师等类型。在开始任务前,教师可以先发布评价标准,帮助学生明确期望达成的学习表现,并进一步促进学生进行更好的实践与反思。

(3) 教学后,教师发布测试题,学生完成后测,根据后测得分评价学生的概念生成水平和发展情况,同时也可辅之访谈等。

除此之外,可以有意识地引导学生学会评价自我,这是大概念教学格外强调的。专家与新手的区别在于专家具有反思和元认知的能力,能有意识地对活动过程进行监测。针对大概念迁移的自我评价,斯特恩(Stern)提出四步法,即按照问题情境调用合适的大概念—激活对大概念的先验理解—考量大概念对于情境的适用程度—根据新情境修改和完善自己的理解。[39]参考斯特恩的四步法,可以通过课堂提问引发学生的自我评价。

3. 过程设计

(1) 明确问题体系

威金斯指出,“最好的问题是指向和突出大概念的”,当学习者面对未知的关键概念、主题和理论时,通过基本问题可以主动引导他们展开探索从而丰富自己的理解。[40]因此,在过程设计中特别需要关注基本问题的开放性,以促进学生深度思考。教师应确定指向大概念的单元大问题,并按阶段性教学任务分解成具有挑战性和衔接性的问题链。通过贯穿全过程的问题链引导学习者持续性探究未被理解的概念、理论,建立更复杂的认知。教师可以从单元内容和课程标准内的关键词汇、整体性问题、学生的错误认识中得出基本问题。为了促进大概念的理解,问题链可以分为具体与具体、具体与抽象、抽象与抽象三种关系。[41]

(2) 重构教学步骤

根据本研究中构建的EDEIPT模型,将教学过程分为六个步骤,并结合大概念教学的实施要点,构建了教师活动和学生活动。教师多以引导者、指导者、启发者的角色出现,学生则以设计师的角色进行科学实践和工程实践,通过连贯的学习链实现新旧概念的同化与顺应。每一阶段都有对应的设计思维工具,包括同理心地图、需求知识分析表、方案权衡表、设计图、产品评价表、概念思维导图等,展示学生解决问题的思维路径,让创意思维可视化、公开化。

① 共情需求

大概念学习的最终目的是为了解决真实问题,而设计思维又具有以人为本的特点,最终结果的达成程度由用户的感受决定,因此融入设计思维的学习过程需要学生通过观察、亲身体验等方式理解用户的感受和实际需求。学生通过观看文字、图片、视频等方式寻找所做工程的共情需求,通过描述听、看、说、做、想法、感受、痛点和收获等绘制同理心地图来建立起同理心。在这当中教师需要创设合适的情境,以满足学生的情绪体验,引起学生的有效共情。

② 定义问题

在这个环节学生需要明确“想要设计什么样的、需要解决哪些问题、需要学习哪些概念”等问题。学生根据共情需求环节得到的同理心地图进行头脑风暴,从技术性、功能性、创造性、趣味性、美观性等角度出发,用不同语句描述用户的需求,最终确定需要解决的设计问题。再从需求出发,设想并列举自己要在本单元中学习什么概念。这个环节极大驱动了学生对于学科领域概念的探究兴趣。在后续学习过程中,学生随时可以完善补充问题答案,不断丰富概念认知。教师应清楚解释需求分析的内容,组织小组借助需求分析表开展分析讨论,并帮助学生明确设计问题,引发学生对问题解决、概念学习的积极性。

③ 精细加工

在本环节学生进行概念的初步建构,以解决“定义问题”步骤中产生的概念困惑。概念的学习,始终遵循具体问题—抽象原理—具体问题的循环圈,教师通过设计丰富多样的真实生活情境,通过多维度、非线性的不同主题案例嵌入与应用,完成协作探究,在科学实践中帮助知识的学习精细化、复杂化,实现学生对概念的深度理解和高度迁移。一方面教师可以充分运用图表支架,比如在初步接触概念时,可以运用弗雷尔模型(Frayer Model)、概念集合、概念坐标等厘清概念的内涵、概念与案例的关系以及概念与概念之间的关系,在进行概念的组织和概括时,可以通过思维网络图、概念金字塔等反映概念的结构关系。另一方面教师可根据年级特点适当融入现代化多媒体技术教学资源,比如微课、虚拟实验平台等更直观具象地帮助学生理解概念。

④ 方案构思

方案构思是将设计想法外显化的过程。一方面教师应有意引导学生形成比较权衡的思维能力。学生经过头脑风暴后会产生许多解决方法,可以借助方案权衡表帮助学生整合所学知识,比较分析不同方法的优缺点以得出最优方案。另一方面教师应培养学生借助设计方案清晰表达设计想法的技能。小学阶段学生绘制设计图的经历较少,通过强调设计图的要素、明确人员分工,能使学生更加理解设计方案的意义,有利于后续原型制作步骤的实施。

⑤ 原型制作

原型制作是学生创意落地的实践过程,学生会根据构思的方案来制作原型。制作环节中学生会经历预期设想无法实现的可能,容易产生挫败焦虑的情绪,因此教师需要及时鼓励与指导,协助学生得出更合适的方案。这个模型不断检验修正,实际上也能促进在真实场景中应用的概念的不断检验修正。教师还需要为学生提供完成原型所需的足够的资源、材料和工具。

⑥ 测试迭代

学生以小组为单位向全班介绍工程原型,从教师和其他学生处得到用户反馈,得知其是否满足用户需求,是否解决了用户的问题。其间,教师可以根据组内角色的特点为学生提供汇报单,以帮助不同角色的学生都能正确地运用科学语言参与表达。通过师生的深度思考和讨论,小组重新以同理心体会用户的感受和反馈,并重新迭代作品。同时教师可以组织学生对工程活动开展反思,形式包括谈话、写作、图表等,分享对工程设计的理解,从而帮助学生形成技术与工程的大概念。

四、 模式应用与效果分析

(一) 研究设计

1. 实验对象

本研究以浙江省杭州市某小学三年级4个班级共140人作为研究对象。其中男生76人,女生64人,平均年龄9岁。他们作为小学中段学生,已接受2年的科学学习,有技术与工程实践的相关经历。

2. 实验设计

目前,手术依然是食管癌最有效的治疗方式,但传统开放手术创伤较大,术后并发症发生率也较高。虽然胸、腹腔镜联合手术可使术后并发症发生率降低,但仍存在术后大出血、吻合口瘘、肺部感染等并发症,给患者生命安全带来严重的影响。本院将综合护理干预应用于食管癌患者术后护理,在预防术后并发症发生方面取得了理想效果,现报道如下:

实验采用包含前后测的教学实验设计,全部由一位教师执教。通过前测发现4个班级不存在显著差异,因此可以进行对照实验,分别选取2个班级作为实验班和对照班。自变量为是否采用融入设计思维的大概念单元教学模式,因变量为学业水平测试。案例选取浙教版小学《科学》三年级下册第一章《物体的运动》单元,单元内容共有8小节。实验班采用融入设计思维的大概念单元教学模式,将单元教学分为6个阶段,共10课时完成。对照班则按照教材内容编排顺序,开展传统教学,共8课时。

3. 测量工具

学业水平测试分为前测和后测,由一线教师组成的教研组出卷,卷面满分均为50分,难度值相同,题型以选择题为主,有部分开放题,主要考察学生在不同情境下对单元概念体系的理解和迁移水平。

(二) 实施流程

1. 目标设计

依据《义务教育小学科学课程标准(2022年版)》的指导,该单元涉及“物质的运动与相互作用”“工程设计与物化”2个大概念。对该单元的教学内容进行科学大概念知识结构体系构建,对关键概念以及对应的小概念进行提炼,如表1所示。

表1 “物体的运动”单元概念体系

根据前测结果发现,学生对于运动有较多的感性认知和生活经验,但对于物质运动概念的理解不完整甚至有一些错误认识,因而在设计学习目标时应结合学生的前概念作出适当调整,以适应学生学情。比如,学生对于运动概念的理解为“他们看到在动的”“位置发生改变了”,无法判断自动上升的扶梯上的人是否运动,因此在确定学习目标(能理解)时应强调位置有“相对”的特点。

结合单元概念体系和学生的前概念,根据KUD模型细化到单元每小节相应的学习目标,样例如表2。

表2 “物体的运动”单元概念体系下各小节KUD学习目标样例

2. 评价设计

在教学中参考威金斯等人开发的GRASPS模型为学生设计单元表现性任务,示例如表3。任务单赋予学生“轨道工程师”的角色,让他们尝试设计一款适合小学生乘坐的过山车轨道,以充分考察其对于运动和工程设计的概念掌握情况。

表3 基于GRASPS模型的单元表现性任务单示例

针对表现性任务开发基于维度—权重的量规,对学习过程和学习结果进行评价,每个维度分为3个等级,分值越高表示表现水平越优,满分30分,示例如表4。

表4 基于维度—权重的评价表示例

3. 过程设计

(1) 明确问题体系

基于概念体系确立单元大问题为“如何设计适合我们小学生乘坐的过山车”,结合学生的认知特点和认知基础设计贯穿全过程的问题链,问题链体系与小概念的关系如图3所示。将过山车项目划分为四个关键问题,每个问题都与关键概念相对应。

图3 “物体的运动”单元问题链与概念的关系

(2) 重构教学步骤

在此基础上,重新编排单元内容,得到EDEIPT教学步骤(如表5所示),并依此流程开展教学。在精细加工步骤中每个模块的教学均依托过山车活动为载体,以期帮助学生从事实性认识形成系统的概念认知。

表5 EDEIPT教学步骤

(三) 实施结果

在教学实践前后,为检测了解学生对概念的理解水平变化,分别在实验前后对实验班和对照班进行学业水平测试,进行增值计算和对比,结果如表6所示。对学业水平测试前后测的增值进行描述性统计及独立样本t检验,对照班分数增值为2.94分,实验班分数增值为5.56分,t=-3.393,P=0.001,P值小于0.05,说明实验班的前后测成绩提升显著。综合学业水平前后测结果可以发现,采用融入设计思维的大概念单元教学模式的班级成绩涨幅要高于没有采用融入设计思维的大概念教学模式的班级,表明该教学模式能明显提高学生学业水平,促进学生概念的理解和建构。

表6 对照班和实验班学业水平前后测增值均值和独立样本t检验结果

结合访谈情况,学生在使用融入设计思维的大概念单元学习中有着浓厚的兴趣,大部分学生都保持积极主动的态度完成工程设计,且愿意以合作探究的形式担任工程师的角色。学生对于工程师的印象、对工程活动的认识也有了新的变化。一方面,许多学生对工程师的看法从出现在工地上、身后会有建筑物、手持扳手等工具的刻板印象转变为脱掉安全帽、使用工具绘制设计图、多人合作等新印象,并表示“工程师非常了不起,需要知道很多科学知识”,“工程师需要非常有耐心,因为需要不断改进作品”。另一方面,学生们意识到“工程师需要经历设计、制作、优化等步骤,设计是最重要的环节”,因为“只有设计好才能把它造出来”,“设计时一定要想好哪些材料能用并试一试能不能行不行”。学生的观点说明了学生对工程的概念逐渐从零散的小概念上升为对工程活动的概念体系。

五、 结论与建议

(一) 研究结论

围绕大概念的单元教学是素养导向下课堂变革的必然选择,而大概念单元教学的关键在于实现对概念的深度理解并促成迁移,其最终目的指向解决真实世界中的挑战。融入设计思维的教学关注真实问题中的创新,以连贯的活动实现技术与工程部分大概念与其他科学领域大概念的有效融合,实践过程中学生在真实体验中自主产生问题,借助创新方法和工具在真实项目中应用概念,达成概念的高通路迁移。综合学业水平测试、访谈等数据来看,学生对于学科概念的理解不断深入,且能较灵活地运用和迁移概念,对技术与工程概念的本质性认识加深,这进一步论证了这种教学模式具有可行性,值得继续探索与推广。

(二) 教学建议

1. 师生共建单元概念认知

专家的特点在于擅长形成概念网络并将其用于指导问题解决,建立概念体系是一种训练专家思维重要的方法。但需要指出的是,小学尤其是低中学段学生建立的概念认知必然是模糊的且建立难度较大,因此与其说是“概念体系”,用“概念认知”更为准确。学生在进入学习前仅有零碎的事实性知识,因此需要教师引导学生共同建立关于该单元的概念认知。教师把握单元整体,厘清教材脉络,找出核心概念发展的线索,梳理从大概念、关键概念到小概念的概念体系。概念体系主要服务于教师的教学,帮助教师重构教学过程,有利于概念的传授。在测试和绘制工程师画像过程中发现,由于教师主导较多,容易使得学生对概念的认知是零散的。因此教师更应鼓励学生自主形成概念理解,尝试在真实情境下开展科学实践,从现象的观察、思考、体验、论证中感受总结客观推导提炼出大概念,并尝试在其他不同情境下运用检验大概念来解决问题。在教学中也发现,小学生难以对某一概念形成简洁的归纳总结,更擅长结合事例作出描述,因此教师应允许这种现象并灵活调整教学,鼓励学生尝试绘制丰富多样的思维导图以展现对单元概念的整体认知。

2. 灵活内化设计思维思想

设计思维的每个环节都在培养学生相应的思维及技能,但过于强调开展所有环节的必要性和顺序,则容易使教学流于形式,大概念单元教学与设计思维缺少有效的融合。因此为了帮助学生们更能带着创造性的信心完成这段学习经历,有效促进对概念的理解和运用,应让设计思维所追求的创新的、以人为本的思想成为积极的问题解决者的内核。在运用设计思维进行教学时,一方面应更注意创新方法方式的运用,把握设计思维特点,将设计思维的教学过程与科学教育的目标进行深度融合。把握共情需求步骤充分揭露了解学生前概念并引发真实性提问;定义问题步骤鼓励学生采用图示分析需求明确单元问题;精细加工步骤中运用类比、发散和聚焦、逆向和顺向等设计思维方法可以较好地帮助学生开展概念的探究过程;测试迭代步骤则可以增加不同真实情境培养学生概念的迁移应用能力。另一方面更应注意资源形式的创新性,有效运用当下的技术平台,为师生交流、生生协作提供更多线上线下的交流环境,创造多空间的大概念教学。

3. 明晰呈现问题解决路径

在教学开展中发现学生对于清晰明确的问题更愿意表达和探究,因此教师一方面应重视单元问题链的设计,以生活价值为引导,遵从概念体系的逻辑,通过基本问题引发对大概念的持续性思考,促进学生思维的发散性。实践过程发现,更具开放性和真实性的问题更能真正激发学生的思维发散并更有探究和论辩的主动性。另一方面在教学的各个环节中充分运用各种认知工具,包括用户移情图,需求分析表、方案权衡表、设计方案的思维导图和草图等,帮助学生理清思维逻辑,为学生的问题解决路径提供模板。