設(shè)計(jì)思維導(dǎo)向下的低年段科學(xué)教學(xué)

司徒敏

設(shè)計(jì)思維是指人們?cè)谟龅綇?fù)雜的現(xiàn)實(shí)問題時(shí)，能夠綜合運(yùn)用自己的知識(shí)，通過(guò)設(shè)計(jì)與思維雙螺旋結(jié)構(gòu)的相互依賴與促進(jìn)，不斷生成新的解決策略，進(jìn)而創(chuàng)造性地形成解決問題的思路與方案。在設(shè)計(jì)思維導(dǎo)向下的活動(dòng)中，學(xué)生擁有像設(shè)計(jì)師一樣思考的機(jī)會(huì)，創(chuàng)造力便油然而生，他們可以積極主動(dòng)地參與探究性學(xué)習(xí)、小組活動(dòng)，而非被動(dòng)式聽講，可以多角度地看待、分析問題并利用身邊的資源來(lái)解決問題。

在2017版《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)》中增加了一個(gè)學(xué)習(xí)領(lǐng)域就是技術(shù)與工程領(lǐng)域，提到的18個(gè)主要概念之一就有“工程的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)”，可見設(shè)計(jì)思維在該領(lǐng)域的學(xué)習(xí)中有著重要的作用。在低年段的教學(xué)中如何培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維呢？下面我以《做磁鐵玩具》為例，談?wù)勛约旱淖龇ā?/p>

了解需求，滲透設(shè)計(jì)思維

我們生活中的很多文具和玩具，都是經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)師精心設(shè)計(jì)的，但對(duì)學(xué)生來(lái)說(shuō)，他們很少會(huì)去關(guān)注這些巧妙的設(shè)計(jì)。事實(shí)上，這些設(shè)計(jì)能給學(xué)生啟發(fā)或作為設(shè)計(jì)的范例。所以在教學(xué)的起始，我先讓學(xué)生去了解生活中的物品，從物品去了解別人是如何設(shè)計(jì)的，從而滲透設(shè)計(jì)思維教育。在上課前，我先讓學(xué)生搜集家里裝有磁鐵的物品，并把這些物品帶回來(lái)，在課堂上給大家做介紹：這些物品用來(lái)干什么？是運(yùn)用了磁鐵的什么特點(diǎn)？當(dāng)把不同的磁鐵物品放在一起時(shí)，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)它們有不同的形狀與用途，也就明確了：我們根據(jù)不同需要把磁鐵設(shè)計(jì)成不同形狀，根據(jù)磁鐵的不同特點(diǎn)把它運(yùn)用到生活的不同方面，從而讓學(xué)生明白我們是基于需求去進(jìn)行設(shè)計(jì)，而不同的需求就有不同的設(shè)計(jì)。

觀察產(chǎn)品，分析設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)前，除了要考慮需求，還需要思考解決問題的方法——設(shè)計(jì)原理。低年段學(xué)生的思維還處在具體運(yùn)算階段，在指導(dǎo)他們分析產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理時(shí)，需要用最簡(jiǎn)單的產(chǎn)品作為例子，通過(guò)拆解產(chǎn)品來(lái)展示設(shè)計(jì)原理?！蹲龃盆F玩具》一課，教材是用“蹦蹦蛙”這個(gè)玩具來(lái)啟發(fā)學(xué)生。執(zhí)教時(shí)，我先給學(xué)生展示了“蹦蹦蛙”蹦跳的玩法，吸引他們的注意力;接著讓學(xué)生猜測(cè)為什么“蹦蹦蛙”能蹦跳，由于有了前面幾課的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)，學(xué)生都能猜到是利用了磁鐵同極相斥的原理;當(dāng)把“蹦蹦蛙”的內(nèi)部展示給學(xué)生時(shí)，他們進(jìn)一步明晰了設(shè)計(jì)原理，為后面的模仿設(shè)計(jì)作鋪墊。從觀察簡(jiǎn)單產(chǎn)品到分析設(shè)計(jì)原理是一個(gè)解暗箱的過(guò)程，在這個(gè)過(guò)程中教師給予學(xué)生設(shè)計(jì)產(chǎn)品的信心，并激發(fā)了他們的設(shè)計(jì)興趣。

嘗試摸索，模仿設(shè)計(jì)

既然已經(jīng)明白了設(shè)計(jì)的原理，那就可以讓學(xué)生嘗試制作一個(gè)產(chǎn)品，低年段學(xué)生更適合從模仿設(shè)計(jì)、制作開始。這個(gè)制作不是簡(jiǎn)單的拼裝，而是要在拼裝的過(guò)程中思考各部分材料在產(chǎn)品中發(fā)揮的作用。在上課時(shí)，我提供給學(xué)生的材料與我出示的“蹦蹦蛙”玩具的材料有一些不同（見表1），但我并沒有告訴他們提供的材料相當(dāng)于“蹦蹦蛙”玩具的哪部分，需要學(xué)生在制作過(guò)程中發(fā)現(xiàn)這些材料的作用。在嘗試設(shè)計(jì)的過(guò)程中，他們一開始沒有用到橡皮泥，當(dāng)作好玩具后，他們發(fā)現(xiàn)木筷子不穩(wěn)固，才想到用橡皮泥做底座。也有些學(xué)生會(huì)想到用橡皮泥包住最下面的環(huán)形磁鐵，這樣就使得玩具更有神秘感。從學(xué)生嘗試摸索的過(guò)程可以看出，他們已經(jīng)有了設(shè)計(jì)的意識(shí)，為下面遷移設(shè)計(jì)做了一定的鋪墊。

變換材料，遷移設(shè)計(jì)

為了推動(dòng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維向前發(fā)展，教師需要?jiǎng)?chuàng)造新情境來(lái)加以強(qiáng)化。對(duì)低年段的學(xué)生來(lái)說(shuō)，新、舊情境要有聯(lián)系，這樣才便于他們進(jìn)行設(shè)計(jì)的遷移，教師可以通過(guò)變換材料或變換研究對(duì)象來(lái)創(chuàng)設(shè)新情境。

在學(xué)生用環(huán)形磁鐵設(shè)計(jì)并制作了“蹦蹦蛙”后，我再出示柱形磁鐵，問學(xué)生能不能用柱形磁鐵來(lái)做“蹦蹦蛙”，由于環(huán)形磁鐵和柱形磁鐵的形狀不同，這就決定了要用不同的方法去設(shè)計(jì)，這里就不再是簡(jiǎn)單的模仿設(shè)計(jì)了。我提供給學(xué)生的材料有柱形磁鐵、吸管、貼紙、橡皮泥，而吸管的粗細(xì)、長(zhǎng)短各不相同，需要學(xué)生選擇使用。這次的材料比前一次的材料更加復(fù)雜，吸管的粗細(xì)與長(zhǎng)短要根據(jù)柱形磁鐵的情況來(lái)選擇。

事實(shí)證明，在這個(gè)環(huán)節(jié)中學(xué)生的思維被充分調(diào)動(dòng)起來(lái)。學(xué)生先提出的解決方法是把柱形磁鐵粘在吸管上，隨后發(fā)現(xiàn)粘在吸管上柱形磁鐵是無(wú)法彈跳的，繼而提出把柱形磁鐵放在吸管里面。在探究的過(guò)程中他們發(fā)現(xiàn)，吸管太長(zhǎng)，無(wú)法按壓柱形磁鐵;吸管太短，柱形磁鐵會(huì)掉出來(lái)，所以吸管的長(zhǎng)度要設(shè)計(jì)得剛剛好。同樣，貼紙貼在哪里也需要設(shè)計(jì)，如果貼紙貼在吸管上就彈跳不了，因此需要貼在柱形磁鐵的最上端（如圖1）。這樣的遷移設(shè)計(jì)是具有挑戰(zhàn)性的，但難度適合二年級(jí)學(xué)生的水平，讓他們“跳一跳就能摘到桃子”。

模仿設(shè)計(jì)與遷移設(shè)計(jì)這兩個(gè)有結(jié)構(gòu)但又有梯度的活動(dòng)，讓學(xué)生知道不同形狀的磁鐵都可以實(shí)現(xiàn)同極相斥，但要根據(jù)磁鐵的特點(diǎn)來(lái)使用不同的材料，用不同的方法制作“蹦蹦蛙”玩具。在活動(dòng)的最后，我引導(dǎo)學(xué)生歸納設(shè)計(jì)思路：先對(duì)玩具樣品進(jìn)行觀察，再推測(cè)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與原理，接著構(gòu)思設(shè)計(jì)方案，最后選擇合適的材料進(jìn)行制作并測(cè)試。學(xué)生還意識(shí)到，要達(dá)到同樣的效果，可以有不同的材料選擇和不同的實(shí)施方法。

親子活動(dòng)，創(chuàng)意設(shè)計(jì)

通過(guò)上面的幾個(gè)活動(dòng)，學(xué)生已經(jīng)基本了解了設(shè)計(jì)的方法，也初步具備了設(shè)計(jì)思維，這時(shí)教師可以讓學(xué)生進(jìn)一步遷移，把方法運(yùn)用到設(shè)計(jì)其他物品上，在實(shí)際運(yùn)用中強(qiáng)化設(shè)計(jì)思維。在課的最后，我鼓勵(lì)學(xué)生課后與家長(zhǎng)完成親子活動(dòng)——設(shè)計(jì)并制作磁鐵玩具，加深學(xué)生對(duì)磁鐵特點(diǎn)的認(rèn)識(shí)并進(jìn)一步運(yùn)用設(shè)計(jì)思維，鼓勵(lì)他們下節(jié)課把制作好的磁鐵玩具帶來(lái)展示。結(jié)果，學(xué)生的作品創(chuàng)意十足（如圖2），他們都能說(shuō)出玩具是根據(jù)磁鐵的什么特點(diǎn)制作的，為什么要這樣設(shè)計(jì)?？梢娫O(shè)計(jì)思維已經(jīng)開始扎根在學(xué)生的頭腦中。

優(yōu)化教學(xué)策略，助推學(xué)生思維養(yǎng)成

在執(zhí)教過(guò)程中，為了讓低年段學(xué)生更好地掌握設(shè)計(jì)思維，我采用了以下三個(gè)策略：

1.可視化工具幫助設(shè)計(jì)構(gòu)思

由于低年段的學(xué)生思維處在具體運(yùn)算階段，需要形象化的符號(hào)幫助他們思考，所以在教學(xué)中教師可以借助可視化的工具激發(fā)學(xué)生思考，幫助他們構(gòu)思設(shè)計(jì)。教學(xué)中常用到的可視化工具有設(shè)計(jì)圖、模型、照片、視頻等，設(shè)計(jì)圖將想法可視化，模型將設(shè)計(jì)方案可視化，照片、視頻將思考過(guò)程可視化。

課堂上，我讓學(xué)生介紹自己的設(shè)計(jì)想法時(shí)，借助了放大的材料圖片，讓學(xué)生邊介紹邊擺放圖片，這樣其他同學(xué)就能明白“蹦蹦蛙”玩具的設(shè)計(jì)方法以及制作過(guò)程。在讓學(xué)生用柱形磁鐵設(shè)計(jì)玩具前，我利用了兩個(gè)模型來(lái)啟發(fā)學(xué)生的思維。學(xué)生一開始提出把柱形磁鐵粘在吸管上，這時(shí)我出示做好的模型，學(xué)生馬上就反應(yīng)過(guò)來(lái)——粘在吸管上的磁鐵不可能彈跳起來(lái)。緊接著有學(xué)生提出用紙圈套住柱形磁鐵，這樣既可以讓磁鐵立起來(lái)，又可以彈跳。這時(shí)我又出示模型并進(jìn)行了演示，學(xué)生發(fā)現(xiàn)由于上面的柱形磁鐵空間太多，它沒有與下面的柱形磁鐵作用，因此彈跳不起來(lái)。通過(guò)模型的直觀演示，學(xué)生很快就構(gòu)思出了用柱形磁鐵制作玩具的方法。

2.問題鏈?zhǔn)乖O(shè)計(jì)思路清晰化

低年段的學(xué)生在設(shè)計(jì)時(shí)，思考往往是片面的，設(shè)計(jì)思路也不夠清晰，所以教師借助問題鏈可以促進(jìn)學(xué)生思考，幫助他們理清設(shè)計(jì)思路。例如在讓學(xué)生用柱形磁鐵做“蹦蹦蛙”玩具時(shí)，我就提出了以下問題鏈：

（1）你們的玩具是怎樣實(shí)現(xiàn)小動(dòng)物上下彈跳的？

（2）磁鐵除了這樣放，還可以怎樣放？

（3）吸管有什么作用？

（4）大家都選擇同樣的管子，為什么其他的管子不合適？

（5）為什么貼紙不能貼在吸管上？

問題鏈中每一個(gè)問題都有不同的指向性：第一個(gè)問題指向玩具彈跳的原理，第二個(gè)問題指向方法的多樣性，第三個(gè)問題指向材料的作用，第四個(gè)問題指向材料的選擇，第五個(gè)問題指向玩具的效果。通過(guò)思考這些問題，學(xué)生就清晰地知道在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮原理、實(shí)施的方法、每個(gè)結(jié)構(gòu)的作用、材料的選擇等問題。

3.頭腦風(fēng)暴激發(fā)創(chuàng)意設(shè)計(jì)

雖然在設(shè)計(jì)思維導(dǎo)向下的低年段教學(xué)更多的是教師指導(dǎo)，但這并不意味著教師必須帶著學(xué)生一步步去設(shè)計(jì)與制作，而是可以在教學(xué)的拓展部分適當(dāng)放手，讓學(xué)生發(fā)散他們的設(shè)計(jì)思維，在大家的頭腦風(fēng)暴中相互啟發(fā)，產(chǎn)生更多的創(chuàng)意設(shè)計(jì)。在學(xué)生完成了玩具的設(shè)計(jì)與制作后，我演示了幾個(gè)磁鐵玩具，讓他們知道還可以利用磁鐵的其他特點(diǎn)來(lái)做好玩的磁鐵玩具。接著鼓勵(lì)他們進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，說(shuō)說(shuō)想設(shè)計(jì)什么磁鐵玩具，學(xué)生的想法很多，如吃豆子的小雞、智能停車場(chǎng)、飛舞的蝴蝶……很多有創(chuàng)意的設(shè)計(jì)就在大家的交流中迸發(fā)出來(lái)。

設(shè)計(jì)思維導(dǎo)向下的低年段教學(xué)是以學(xué)生發(fā)展為中心，強(qiáng)調(diào)問題解決、創(chuàng)新精神等綜合能力的培養(yǎng)。在實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，從低年段就開始培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)思維，對(duì)他們科學(xué)思維的發(fā)展、科學(xué)探究能力的提升有很大的幫助。

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