科学学科项目化学习实施策略——以“玩转泡泡机”为例

张 健,薛苗苗

(南京市樱花小学,江苏南京,210018)

21世纪的科学教育目标是培养拥有科学素养的人,我国小学科学课程的总目标是培养学生的科学素养。科学素养包括科学知识、科学研究过程和方法、科学技术对社会和个人产生的影响三个部分。[1]指向科学素养的科学教育不仅要注重科学知识的学习,还要注重知识与发展世界的联系,更要注重学生的技能、思维与人文精神,强调的是任务驱动学习和主题式学习。[2]在这样的素养时代背景下,项目化学习应运而生。在进行项目化学习的过程中,学生在工程思维的指导下对工程问题进行科学的认知、判断和解决,能够像工程师一样解决实际问题。本文以“玩转泡泡机”活动为例,探讨科学学科项目化学习在小学课堂中的实施策略,旨在为相关领域学者提供经验借鉴。

一、内涵及特点

(一)项目化学习

有学者将项目化学习定义为基于项目的学习,即在一定时间内学生对一个真实的、复杂的、有挑战性的问题持续探究,并从中获得知识和技能。[3]因此,项目化学习强调通过设计巧妙的问题为学生学科知识的学习创设良好的问题化教学情境,旨在强化学生对学科知识的认识和理解,促进学生学科核心素养的有效培养,让学生在问题的导向作用下更有效地提升对学科知识的综合运用能力。项目化学习要求教师通过具体项目问题的设计,结合学生的实际学习情况,有针对性地采用综合性教学方案和教学策略,对教学实践活动进行符合社会现代化发展趋势的优化创新。项目化学习在教学实践活动过程中广泛应用,能够缓解以往的教学模式下教师过分关注学生的学习成绩的问题。通过教师在教学中对学生的正确指引,培养学生在实际生活实践中发现问题、提出问题、分析问题、探究问题和解决问题的能力,有助于教师贯彻落实新时代发展背景下的培养目标,满足学生对学科知识的实际需求。项目化学习能够加深课堂学习与真实世界的关联性,培养学生的团队协作、批判思维、口头表达及写作能力,有助于促进学生对已有知识的迁移与重构。项目化学习根据学科可以分为学科项目化学习、跨学科项目化学习和超学科项目化学习。其中,学科项目化学习是以学科内的关键概念或能力为载体、指向学科的本质的一种学习方式。[4]

(二)工程思维

工程思维是工程活动的主体在解决工程实际问题中运用的思维,是工程活动的主体必须具备的核心能力,是在工程决策、工程项目设计和工程运行的过程中形成的一种思维方式,是工程工作者能否成为卓越工程人才的关键。[5]小学科学教学实践活动中培养学生的工程思维已成为小学科学课程教学发展的必然趋势。小学科学教师在素质教育改革的推进过程中注重在教学实践活动中培养学生的工程思维,对学生科学素养的全面发展具有重要作用和深远教育价值。教师要注重在课堂中提升学生的科学素养,并通过相关训练为学生科学素养的培养和提升奠定基础。在具体的教学实践活动中,小学科学教师可以根据自身的教学实践经验,并充分探究新型的小学科学教学模式,在教学实践活动中不断对教学结构进行优化和创新。教师要在教学中引导学生积极主动地对科学现象进行深入思考和探究。在小学科学课堂教学实践活动中,教师要给予学生充分的时间和空间亲自动手实践,锻炼学生的动手操作能力,落实学生工程思维的培养目标。

二、研究现状及改进思路

(一)研究现状

目前,我国教育领域对工程思维的认识尚处于起步阶段。虽然高等教育阶段的“新工科”建设如火如荼,但基础教育阶段的工程教育观念比较缺乏,直至近几年才逐渐开展。在《普通高中通用技术课程标准(2017年版)》中,工程思维被确定为通用技术学科五大核心素养之一[6];2017年教育部颁布的《小学科学课程标准》中,虽然未对“工程思维”提出明确的教学目标,但新增了工程与技术领域课程内容。尽管如此,各地中小学课程体系中关于工程教育的相关教学内容仍较少。此外,中小学一线教师对基础教育阶段工程教育的重要性认识不足,导致我国基础教育阶段的工程教育相关成果较少,缺乏可供开展实践参考的经验。

(二)改进思路

结合苏教版科学教材的专项学习板块,可以将项目化学习的实施细化为6个关键要素:明确问题、前期研究、设计方案、制作模型、测试改进、展示交流。借鉴顾容等人的教学设计模型[7],可以将项目化学习中学生工程思维的培养过程分为以下步骤:第一,明确问题环节重点培养学习兴趣;第二,前期研究环节重点培养批判性思维;第三,设计方案环节重点培养创造性思维;第四,制作模型环节重点培养计算思维和设计思维;第五,测试改进环节重点培养批判性思维;第六,展示交流环节重点培养系统性思维。

小学生还未发展抽象逻辑思维,因此,本文暂未讨论学生的计算思维和设计思维,仅以五个步骤设计活动。在项目化学习中,教师要通过日常教学实践活动,积极与学生进行有效沟通交流,充分掌握学生对学科知识的实际认识和理解情况。在课堂上通过有效互动了解学生的心理变化及认知发展水平等,进而开展多元化的教学实践活动,在教学中有效锻炼学生的工程思维。教师还可以利用信息技术为教学活动带来技术方面的支持,寻找丰富多元的教学资源,在课堂上通过多媒体为学生呈现更加直观、生动、形象的科学知识,拓宽学生对科学知识的认知视野,培养学生对生活中事物的发现能力与探索能力。

项目化学习是有目的的、系统的、迭代的、创造的,该学习方式需要教师开发各种可能的方案,予以最优化的机会,以满足特定的需求。以项目化学习促进学生工程思维的提升需要尊重学生的真实生活,以真实的情景、学生产生的真实问题、学生真实创造的作品搭建项目化学习与工程思维的桥梁。这样的思维提升是面向学生未来的。因此,在教学设计时,教师切忌仅以科学知识、操作方法为中心,而是要充分预设学生可能出现的真实反应,灵活地指导学生思考问题进行、学习,锻炼学生的工程思维。下文以项目化学习“玩转泡泡机”活动的部分实践为例,阐述小学科学的课程实施过程。

三、课程实施

(一)明确具体任务,激发学习兴趣

小学科学教师在具体的教学实践过程中,要系统分析、归纳与整合教材中相关的教学内容,利用信息技术搜集与教学内容相关的信息资源。在课堂上,小学科学教师可以通过多媒体为学生呈现图片、视频、动画等形式的教学内容,通过视觉、听觉等多种感官强化学生对科学知识的认识和理解,提高学生对课题任务的兴趣。小学科学教师可以根据学生的年龄、性格特征、兴趣爱好及心理状况和认知发展水平等,设计明确的课题任务,有针对性地培养学生独立自主思考问题的能力,让学生有充裕的机会锻炼动手实践能力。

如在“玩转泡泡机”的教学实践活动中,小学科学教师根据上述维度将教学目标确定为:学生能够理解泡泡水的制作过程;学生能够认识到单一材料生产效果的有限性;学生能够通过动手制作泡泡机认识到不同泡泡机的局限性并主动寻求有效的改进方法;学生能够通过科学知识与技能的学习,体会到科学知识在实际生活中的魅力。教师可以在具体的教学实践活动过程中,通过多媒体为学生呈现泡泡机在运行中产生出泡泡的美好景象,吸引学生对泡泡机制作产生向往,激发学生的学习兴趣。接下来,教师可以通过单一的材料制作泡泡水,为学生进行演示操作,让学生根据个人实际生活经验及所学学科知识思考生活中能够制作泡泡水的材料。根据上述回答,让学生以小组合作探究的方式进行具体的实践操作。学生通过亲自动手操作对科学知识进行验证和检验,既能够激发对科学知识的学习兴趣,也能够充分调动学习科学知识与技能的主观能动性,有利于促进学生的身心健康成长和全面发展。

(二)以启发诱导式问题,培养批判性思维

批判性思维是个体对知识的产生过程(包括理论、方法、背景、证据和评价知识的标准等)正确与否作出综合性判断的一种思维品质。培养批判性思维首先要培养学生的问题意识,让学生在教师的启发下成为提问的主体。启发诱导式问题并非教师故意设计的问题,也并非教材中的显性问题,而是以学生为主体,引导学生在真正动手操作时发现的问题。教师要提醒学生在深思熟虑的基础上对任何事实有怀疑、提问题。

在“玩转泡泡机”活动的前期研究时,教师可以引导学生思考:面对“自制创意自动泡泡机”这一任务需要解决哪些问题,有什么办法解决这些问题。学生想到可以查阅资料或拆解一个市面上的泡泡机等研究的方法。在拆解泡泡机时,教师可以设问进一步引起学生思考:市面上的泡泡机原理有何相同或不同之处?市面上泡泡机对自己的设计制作有什么启发?最后,教师以海报的形式将学生的思维显性化。

在测试改进时,教师要引导学生自己发现制作的泡泡机的问题,鼓励学生独立思考出现问题的原因,与同伴交流讨论寻找合适的解决办法。教师可以借助这样指导语指导全班:想一想测试是为了什么?你们的泡泡机达到预期了吗?泡泡机出现了哪些问题?除了小组讨论,你还可以通过什么样的方法解决?同时,教师还需要针对每组出现的不同问题进行个性化启发:减小/增大风速可以通过哪些办法?形成泡泡膜但吹不出去可能是什么原因导致的?用启发的方式让学生发现问题,而非立即获得答案。

学生在发现问题、进行质疑时必定伴随着评价的过程。批判性思维的另一特征是有依据地进行判断。在学生回答问题后,教师需要及时追问:你为什么会这么想?你判断的依据是什么?这样的设问可以引导学生进行自我判断与自我纠正,有助于培养学生工程思维中的批判性思维。

(三)以劣构问题式设计,培养创造性思维

工程思维的首要本质是创造性。教师在开展项目化学习时,全过程都可以使用劣构问题式的学习,以此激发学生更多的创造力。劣构问题是指定义不完整的问题。同时,教师应创设开放式问题情境,指导学生使用头脑风暴法(集体研讨)、属性列举法(针对事物特性提出改良构想)、心智图法(以线条图形等方式将思考图像化)等方法,发挥学生的联想力,激发其思维的扩散性。

在“玩转泡泡机”活动中,在设计方案阶段,教师可以为学生提供丰富的结构性材料。结构性材料是指材料间具有某种关系,思考材料间的组合方式能促进学生思维的发展。例如,教师给出电池、马达、齿轮、钢轴、连杆等材料,学生能联想列举出不同的动力产生方式;给出纸杯、吸管、木板等,学生能联想列举出泡泡膜的多种出泡口。教师可以组织学生根据材料设计出自己的泡泡机动力方案和出泡口方式,然后再将学生分组,让学生进行小组内头脑风暴,互相借鉴,讨论自己方案的可改进之处。在设计方案时,教师可以引导学生拆解市面上的泡泡机,在此基础上对泡泡机进行改进,也可以指导学生用画图的方法呈现自己的设计,将自己的想象创造具象化。提供材料、不提供解决方案的项目化学习为学生的创作留下了更广阔的操作空间,更有利于锻炼学生的创造性思维。

(四)以跟踪式工程报告,培养系统性思维

项目化学习过程是一个由各种因素组成的系统,该系统存在许多不确定因素及限制性因素。系统性思维要求在思维中把多变量的复杂系统当成整体并加以思考,它着眼于整体和局部之间,从整体与环境的相互联系、相互作用的关系中综合地、精确地思考对象。系统性思维是一种从整体出发,先综合,后分析,最后再综合的思维模式。在学生的项目化学习过程中,教师要教授学生工程报告书的使用方法,将工程报告书作为重要的辅助工具,帮助学生将自己的思考、设计过程全面呈现出来,也可以在最终评价时帮助学生反思评价。

明确问题阶段是项目化学习的第一阶段,教师可以创设“学校举办泡泡科技节”这一真实情境,在有针对性的情境引导中,使学生明确任务。教师要引导学生寻找获得资源信息的渠道,合理将任务分配给每个学生,分小组让学生思考、讨论其面对的任务或情景的局限性。学生需要根据项目任务明确具体任务,对整个项目化学习开展的步骤进行规划探索。学生分组对以上问题进行讨论,并记录在每组的工程报告书中。这样的方式可以将操作思路具象化,既能够及时回顾前置任务的不足,又能保证后续活动的有序开展,更重要的是培养了学生的系统性思维。在项目实施的每个环节中,教师要时刻提醒学生做好记录,以便为下一个环节提供事实依据。在最后的展示交流阶段,教师要留给学生充分的时间,对工程报告书中的设计图和实践心得等进行整理,鼓励学生用实物、课件、海报和视频等多种方式交流。在首尾两个环节中都要求学生以全局的眼光看待问题,有效锻炼学生的系统性思维。

社会现代化的快速发展推动了素质教育的改革创新,也对小学科学教师的教学提出了新的要求。小学科学教师在具体的教学实践过程中,要积极学习新课程标准改革的内容与要求,并结合自身的教学实践经验,积极转变传统的教学理念和教学模式,坚持以学生为中心,根据学生的实际学习情况、身心发展规律、心理变化及认知水平等情况,有针对性地设计科学的教学目标与具体的教学活动。在教学实践过程中,教师要充分尊重学生的个性化差异,通过多元化的教学活动满足不同学习程度的学生对科学知识的实际需求,全面促进学生的身心健康发展。贴近学生真实生活的项目化学习,能有效培养学生的工程思维。通过具体的项目化学习方式激发学生的学习兴趣,培养学生的批判性思维、创造性思维和系统性思维,联结起学生的当下知识与未来生活,推动其终身发展。