李情义 何彩霞

摘要： 以学生科学精神和实践创新能力的培养为目标，提出以“设计”为核心的项目框架，开发“制作净水器”项目教学案例。通过让学生经历运用科学和技术进行设计、制作产品和解决实际问题的过程，感受科学、技术与社会的联系，培养学生理性思维、批判性思维和勇于探究的科学精神。并且结合教学实践，从凸显设计思维培养、体现科学概念及原理的理解及应用、小组合作探讨实际问题的解决三个主要方面阐述以“设计”为核心的项目教学的教育价值实施策略。

关键词： 科学教育； 设计； 项目学习

文章编号： 10056629（2018）9004205 中图分类号： G633.8 文献标识码： B

在大力提倡发展学生核心素养的教育改革背景下，科学教育强调学生科学精神和实践创新能力的培养。与之相对应，新颁布的《义务教育小学科学课程标准（2017年版）》[1]增设了“技术与工程”领域方面的内容，《义务教育初中科学课程标准（2011年版）》[2]也设有“技术设计”主题内容，期望通过这些内容的学习，学生能够运用科学和技术进行设计和制造产品以解决相关实际问题，发展学生的实践创新能力。如何在科学教学中开展体现以“设计”为核心的项目教学已成为教学研究的重要内容。

1 以“设计”为核心的项目框架及教学案例

1.1 项目框架

项目学习是学生面对复杂、真实问题展开的探究过程，也是精心设计项目作品、规划和实施项目任务的过程[3]。以“设计”为核心的项目是指从实际需求出发，通过设计、制作及测试、改进，形成能够解决实际问题的产品[4]，其基本框架（见图1），包括： 实际需求——设计与制作产品（模型或原型）——产品测试与改进优化等要素。其中，“设计与制作产品”的过程体现了科学和技术的融合，即学生运用科学和技术进行设计，针对实际问题，从科学原理分析问题的实质，并依据科学原理从材料、结构及工艺等技术角度找寻解决问题的思路与方法；“产品测试与改进优化”是从产品效果、效率等方面测试产品功能，进而改进设计方案、优化产品，最终解决实际问题，这一过程重在培养学生质疑、批判性思维和不断改进创新的科学精神。

1.2 “制作净水器”项目教学案例

以上述项目框架为依据，结合不同阶段学生学习和发展需要，在科学教学和化学教学中开展“制作净水器”项目教学，其教学流程包括“明确任务——设计制作净水器——产品测试与改进——分享与反思”（见表1）[5]。该项目教学以生活中产生大量污水、造成水资源的浪费为问题，引导学生明确设计简易净水器净化生活废水的任务；学生在小组中开展学习，通过观察教师提供的一杯“污水”，分析讨论得出污水中杂质的种类大致可分为难溶物、可溶物、微生物等。在教师问题引导下，学生了解混合物分离的先后顺序： 先分离水中的难溶物杂质，再分离水中可溶性杂质；并且在分离难溶物杂质时还需要遵从颗粒由大到小的先后分离顺序。基于这样的分离顺序，学生从结构、性质、用途的角度分析教师所提供的多种材料（包括小砾石、石英砂、脱脂棉纱布、高密度PP棉、低密度PP棉、厚PP棉、活性炭和矿泉水瓶）的特点并进行选择。在充分理解科学原理和材料属性之后，学生通过小组交流画出设计草图，进一步讨论确定设计方案，画出净水器设计图。按照设计方案和图纸制作净水器，在设计和制作的过程中，学生依据需要使用一些工具，如剪刀、裁纸刀、直尺、镊子、搅拌棒等。对所制作的净水器进行测试，记录实验数据进行分析，反思并优化设计方案和改进产品，展示与交流心得。

2 以“设计”为核心的项目教学的教育价值实施策略

2.1 凸显学生设计思维的培养

设计思维是指人们在遭遇复杂现实问题时，能够综合运用自己已有智能，通过设计与思维双螺旋结构的相互依赖与促进，不断生成新问题解决策略，进而创造性地形成解决问题的思路与方案[6]。培养学生设计思维，是为了学生在面对复杂实际问题時，能够对已有知识和经验进行检索和应用，搭建一个问题解决体系，并找到知识与现实问题之间的联系。以“设计”为核心的项目，在规划设计方案过程中学生需要对科学、数学、技术、艺术等领域知识进行联合与集成，通过产品应用对象、应用情境分析，确定产品技术要求和目标，分析得出问题解决的框架，根据材料属性寻找实现目标的方案。这一系列学生活动体现应用设计思维解决问题的过程。

在“制作净水器”项目学习中（见图2），学生确定产品应用对象和应用情境，分析得出“净水器”产品要求，包括结构稳定、易于制作、过滤效率高等。想要达到这样设计目标，学生确定问题解决框架，即材料、结构和功能，从这三个方面去思考每一个产品的要求，最终得到解决方案。例如想要净水器过滤效率高，从材料角度可以充分利用高效的高密度PP棉，从结构角度考虑得到解决方案是遵从混合物分离原理、分级过滤的原则、层状结构、结构紧实等等。

学生经历的上述设计过程，体现了从“设计目标、根据目标建立问题解决框架、寻找解决问题的方案”等设计思维模型[7]，这一系列学生活动体现应用设计思维解决问题的过程。

2.2 通过画图将学生设计思维外显

设计图是产品设计中所应用的一种技术语言。以“设计”为核心的项目学习实施过程中，在方案设计环节要求学生通过勾勒草图不断完善设计方案，通过“设计图”呈现确定的设计方案。学生作为设计者在画草图时不仅仅是通过图样的方式呈现大脑中的设计方案，而且草图中蕴含了设计者画图时并未注意的灵感，设计者在设计过程中会根据草图提供的原始意象与“草图对话”[8]，激发、引入设计主体长时记忆内的、与该设计主题相关信息，对原草图进行重新解释，促使新意象（image）在头脑中形成，激发产生新的创意[9]。

在“制作净水器”项目学习中，学生在制定设计方案过程中，着重考虑的方面就是由不同材料组合而成的净水器的结构，在画草图之前，学生在小组内对材料的选择和使用先后顺序等问题基本达到共识，然而在画草图过程中他们会发现很多没有预想到的问题，例如矿泉水瓶能够容纳多少材料呢？每一种材料画多厚呢？基于这一发现，学生开始拿起尺子测量瓶身高度和材料厚度，并将尺寸标注在草图中（见图3）。这些发现引导学生从材料用量角度重新规划设计并调整方案。确定设计方案后，学生以设计图的方式进行呈现，感受“设计”活动中画图的规范性。

学生经历画草图的过程激发新的设计灵感进而完善设计方案，并通过设计图的方式呈现最终设计，这一教学环节将学生创造性的设计思维外显，使学生体会到画图在“设计”中的重要性，提升学生技术素养。

2.3 体现科学概念及原理的理解和应用

科学概念及原理是科学教学的重要内容。以 “设计”为核心的项目教学中，科学概念及原理是设计的重要依据，学生经历设计、制作、测试、优化等产品设计整个过程体现其对科学概念及原理的理解和应用。

“制作净水器”项目教学，学生进行初步设计时依据“水的净化”相关的科学概念及原理，具体包括“生活废水”中的杂质分类、材料的结构决定其性质和用途、溶解、过滤、混合物分离原则等[10]。若在小学5年级开展“制作净水器”项目学习时，考虑到学生的认知基础，其所涉及的相关原理见表2。

学生在制定方案之前了解“生活废水”中的杂质可以分为难溶物和可溶物，通过阅读资料得到“杂质颗粒物由大到小”的混合物分离原则，从结构的角度认识材料属性和功能。在项目中应用混合物分离原则确定净水器的功能结构先后为去除大颗粒难溶物、去除小颗粒难溶物、去除可溶性有机物。根据对材料的认识确定净水器的材料应用顺序大致为纱布、砾石、石英砂、PP棉、活性炭。依据产品要求思考材料的工艺处理方式，结合“净水单元重复操作”等净水技术完善设计方案。在产品改进优化阶段，应用科学知识及原理从科学性、材料及工艺的角度分析问题并得到改进方案。

由此可见，学生在进行此类项目学习过程中，对相关的科学概念及原理有了更加深入的理解，并学会应用这些科学知识对产品进行检验和分析。

2.4 小组合作探讨实际问题的解决

以“设计”为核心的项目学习采取小组合作的方式进行，小组成员提出创造性的问题解决方案并进行讨论和筛选，通过动手制作模型再次思考设计方案的合理性，根据科学的测试结果综合分析，改进方案并优化产品，整个过程学生在小组内合作探讨解决实际问题，体会团队的力量和合作精神的重要。

例如，“制作净水器”项目学习以4人为一个小组进行，小组成员每人都有自己的身份和职责[11]（见表3）。在这样的小组中，每个成员从不同角度监督和控制整个团队任务完成的进度和效度，最终的“产品”体现着每一个成员的智慧和付出，使每个学生的使命感和成就感更强。学生在履行职责的同时，全程参与到小组活动的每一个环节中，使得活动参与度更高。

小组合作学习的方式中，教師的角色从科学知识传授者转变为以学生为研究主体的共同学习者。教师以任务驱动、问题启发的形式与学生一起交流和研究，为学生搭建思维台阶，引导学生深入思考[12]。对学生遇到的问题不做“对或错”的判断，鼓励学生“试一试”，通过实践探究的方式寻找答案，为学生营造一个敢于发表自我想法的安全心理氛围，为学生创造力的培养提供充足的空间[13]。

3 结束语

以“设计”为核心的项目框架对开发科学学习与实践活动具有方法性意义，依据这一框架设计的制作水火箭、小氧吧、制作净水器等项目学习活动，可直接应用于中小学科学教学和化学学科实践活动。此外，“制作净水器”项目学习已应用于中小学科学教师培训，参与培训的教师通过体验式学习对以“设计”为核心的项目教学有了深刻的理解，这将有助于今后进一步在科学教学和化学教学中开展项目教学。

参考文献：

[1][10]教育部. 义务教育小学科学课程标准（2017年版）[S]. 北京： 北京师范大学出版社， 2017： 52～58.

[2]教育部. 义务教育初中科学课程标准（2011年版）[S]. 北京： 北京师范大学出版社， 2011： 45～51.

[3]巴克教育研究所. 项目学习教师指南——21世纪的中学教学法[M]. 北京： 教育科学出版社， 2007： 9～26.

[4]尹定邦. 设计学概论[M]. 湖南： 湖南科学技术出版社. 2016： 13～36.

[5][11]李情义. STEM教育背景下“自制净水器”实践活动教学及反思[J]. 教育与装备研究， 2016，（9）： 40～42.

[6]林琳，沈书生. 设计思维的概念内涵与培养策略[J]. 现代远程教育研究， 2016，（6）： 18～25.

[7]Dorst， K & Cross. N. Creativity in the design process： coevolution of problemsolution [J]. Design studies， 2001，22（5）： 425～437.

[8]Schn， Donald A. The reflective practitioner： how professionals think in action [M]. New York， n.y.， USA： Basic books. 1983： 80～96.

[9]尹碧菊等. 设计思维研究现状及发展趋势[J]. 计算机集成制造系统， 2013，19（6）： 1165～1176.

[12]苏·考利. 教会学生思考[M]. 北京： 教育科学出版社. 2014： 112～140.

[13]胡卫平等. 儿童青少年技术创造力的发展[J]. 心理研究， 2011，4（2）： 24～28.