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基于技术设计的小学科学教学(2014浙江省小学科学论文一等奖)

基于技术设计的小学科学教学(2014浙江省小学科学论文一等奖)

作者:万嵩海      时间:2015-4-25      点击数:

  基于技术设计的小学科学教学
  [摘要]
  技术设计是小学生科学探究学习的四大主题之一,也是提升小学生科学实践能力的重要手段。本文阐释了"基于技术设计"的教学内涵,分析了"基于技术设计"的目标设计,提出了"技术设计感悟型"、"技术设计习得型"、"技术设计分析型"、"技术设计制作型"四种类型的"基于技术设计"的学习主题,并对每种类型的学习主题作了较为深入的教学流程解析。
  [关键词]小学科学,技术设计,学习主题,教学策略
  [正文]
  一、基于技术设计的教学释义
  从本意看,技术是指根据实践经验和科学原理发展成的各种解决问题的手段、方法和技能。设计则有两种理解,一是作为过程,它是指将问题解决的设想用视觉形式表达出来,比如设计一个太阳能热水器;二是作为结果,它是指用视觉形式来表达的某种设想,比如太阳能热水器的设计。
  从教学层面看,小学科学技术设计的教学旨在通过学生对技术产品的学习,来引领他们感悟人类在技术设计领域中的认识过程,引导他们将所学知识转化为可见的实物化的技术产品,或借助技术产品的探究来发现其中的科学概念、原理、规律,帮助他们初步理解科学与技术、技术与社会的关系。同时,通过让他们完成带有技术目标的设计或制作任务,来提升创造力和解决问题的能力,发展他们的科学志趣。
  从学习层面看,学生的技术设计学习主要包括以下四个方面--
  (1)对技术与设计的感悟,即在使用技术产品的过程中,感悟技术设计的重要性以及技术产生和发展过程。比如,感悟到"使用仪器能拓展人类视野"、"科学进步使仪器和工具更精细"。
  (2)对技术设计相关技能的习得,即学生以寻求并初步掌握某种特定的探究技术、操作技能或设计技巧而进行的专项训练。比如,统计图表的绘制技术、测力计的操作、酒精灯的使用。
  (3)对产品所含技术进行分析,即学生以了解产品的结构、功能、原理及其关系和设计巧妙性而进行的分析。比如,对桥梁结构与承重关系的研究、对古老技术工具(如杆秤、滴漏)的研究。
  (4)运用技术设计手段来加工产品,即学生通过一定的设计来制成某个具有特定结构和功能的技术产品的过程。比如,设计制作小赛车、制作太阳能热水器。
  某个学习主题是否隶属于小学科学技术设计的教学内容范畴、是否能采用基于技术设计的教学策略,一般有三个同时具备的判别指标:(1)以某种实物化的技术产品作为探究对象,比如小车、杆秤、开关、太阳能热水器。(2)这个技术产品具有三个构成维度,即结构维度、功能维度、原理维度。(3)以技术产品的某个构成维度为切入口并展开教学。
  二、基于技术设计的目标设计
  在美国新一代《国家科学教育标准》中,已经用"工程设计"取代"技术设计"。它认为,技术教育不仅仅是培养技术设计的能力,而是强调与设计过程(包括确定问题、制订方案、优化方案)有关的能力,强调对科技活动过程、科学与技术的种种联系的理解,强调社会需求对科技发展的影响与促进[1]。同时,它为技术设计教学所要达成的科学"大概念"制定了明确的标准(见附件《基于技术设计的小学科学大概念》)。
  结合小学生科学学习的特点和需求加以分析,小学科学技术设计教学的知识、过程、情感的三维总体目标可以设计为:
  (1)通过学习,初步了解"设计与技术"领域的基本概念,知道工具和仪器是设计的产物,知道使用工具和仪器能更好地认识世界,知道人们设计不同的结构和实物产品来实现不同功能和用途。
  (2)通过学习,初步学会综合运用知识和经验进行简单的设计和制作,以提高解决工程性的简单实际问题的能力。
  (3)通过学习,逐步发展对设计与技术学习的兴趣,初步体会人类在设计与技术领域的认识过程,初步意识到设计与技术的伦理问题和"双刃剑"作用。
  以下是《设计制作小赛车》一课的两种课堂教学目标设计,前一种是引用了《小学科学教师教学用书》的目标设计[2]。
  (1)《教师教学用书》中的目标设计
  科学概念:技术设计具有一定的程序;技术设计需要运用科学概念、相互交流和执行程序。
  过程与方法:设计和制作小赛车。
  情感、态度、价值观:关心科技新产品、新事物,意识到科学技术会给人类与社会发展带来好处;发展对技术设计和动手制作的兴趣,激发创新精神;尊重自己和他人的劳动成果。
  (2)基于技术设计的目标设计
  科学知识:提高小赛车行驶的速度,主要是考虑提高动力、减少阻力、减轻重量、减少摩擦力等因素;小赛车的运动快慢与它受到的拉力或反冲力的大小有关,与它受到的摩擦力大小有关;产品的设计,就是将科学原理转化为现实的过程,需要考虑产品的构造、功能、材料选择等。
  过程方法:通过观察赛车的结构,了解赛车各部分的功能及设计原理;通过小赛车的设计与制作活动,将运动与力的关系体现在小赛车的设计与制作之中;通过自制小赛车的效能展示,发现小赛车的性能缺陷,并进一步完善小赛车的设计与制作。
  科学态度:体验科学原理和技术设计之间的承辅关系;感受科学技术及其设计在实践过程中得以完善与发展。
  在基于技术设计的目标设计中,科学知识目标应该是通过技术设计活动所强化了的科学基本原理,以及所形成的技术设计的概念和思想;过程与方法的目标应该是针对技术设计所采取的学习过程和方法;科学态度目标则是学生在科学、技术与社会的联系上所形成的意识和态度。
  三、基于技术设计的教学策略
  1."技术设计感悟型"学习主题的教学策略
  "技术设计感悟型"学习主题的教学主旨,是引导学生在使用技术设计产品(实物、模型或系统)的过程中,感悟技术与设计的重要性以及技术和设计的产生与发展过程。常见的学习主题有《运动和设计》、《使用工具》、《自行车上的简单机械》、《放大镜》、《用显微镜观察》、《找拱形》等。
  "技术设计感悟型"学习主题的教学,突出了对技术设计中的结构、功能、原理及其相互关系的体验,其教学流程主要经历"技术情境"、"经验钩沉"、"技术体验"、"交流反思"、"感悟提升"五个阶段,如下图。
  "技术情境"阶段,教师应该为学生亲历体验相关的技术设计活动提供必要的学习情境。技术情境的主要呈现对象应该是实物化的技术产品,而切入点必定是技术产品的某个维度。比如,在《使用工具》的教学中,首先呈现形状各异、结构不同的工具,让学生猜测这些工具有什么不同用途,这种情境呈现方法是由技术产品的结构维度切入,并向功能维度延展。
  "经验钩沉"阶段,教师应该鼓励学生充分展示自己对技术产品的结构、功能、原理及其日常运用的已有知识、方法和态度。教师可以结合技术情境提出诸如"知道什么"、"怎样解释"、"如何看待"等开放性的问题来收集学生的原始经验。"知道什么"钩起的事实描述,"怎样解释"钩起对技术产品所含原理的试析,"如何看待"则钩起对技术产品及其运用的主观态度。
  "技术体验"阶段,教师应该引导学生体验技术产品的结构设计、原理运用、功能达成以及三者的巧妙联系。学生观察技术产品的结构、体会技术产品的功能、分析技术产品的设计原理,从而逐步丰富探究经验和对技术设计的认识。由技术产品的结构与特征、整体功能与局部功能、使用经验与潜在问题三个部分组成的学习单有助于探究活动更加丰富和有效。
  "交流反思"阶段,教师应该鼓励学生分享亲历过程中获得的各种经验和感受,并引导他们进行反思。教师需要为学生预留一些自我反思和组内交流的时间,以便他们能对探究经历进行初步概括形成个性化的概念或观念。在组际交流中,学生一方面交流组内获得的各种事实,另一方面需要将组内形成的各种判断、联想、建议、观念或问题置于更大的环境中寻求认同。
  "感悟提升"阶段,教师应该帮助学生就技术设计中的"结构、功能与原理"建立联系,感悟"积极思考、勇于创造在技术设计中的重要性"。在此阶段,要引导学生批判性地思考关于技术设计的各种概念或观念,对主流的、科学的观念达成共识,并纳入自己的经验之中。最后,引导学生通过各种后续活动来加深理解或解决一些简单问题。
  2."技术设计习得型"学习主题的教学策略
  "技术设计习得型"学习主题的教学主旨,是引导学生寻求并初步掌握某种特定的探究技术、操作技能或设计技巧,并从中深化对技术设计的认识。常见的学习主题有《酒精灯的使用》、《温度计》、《力的测量》、《显微镜的使用》等。
  "技术设计习得型"学习主题的教学,突出了学生从规则执行者向规则创造者的转变过程,弱化了教师的规则传授者地位,其教学流程主要经历"技术呈现"、"自主尝试"、"质疑解难"、"规则制定"、"技术运用"五个阶段,如下图。
  "技术呈现"阶段,教师应该为学生提供某种技术工具的使用场景,或者提供暗含结构、功能、原理的技术工具。比如,在《力的测量》教学中,首先呈现生活中广泛存在的各种力及其大小,来引起学生对利用测力工具来测量各种力的兴趣,这种教学切入方法将技术工具的功能维度隐含在真实情境中,并通过后续探究向技术工具的结构维度和原理维度延展。
  "自主尝试"阶段,教师应该在充分考虑技术工具的使用安全前提下,让学生自行观察技术工具的结构特点,并利用特定的技术工具来尝试解决简单的活动任务。使用安全涉及对工具各结构的保护、对自身生理上的保护两个方面。在此阶段,教师要鼓励学生收集操作过程中的各种经验,发现存在的问题。
  "质疑解难"阶段,教师应该引导学生充分交流各自的活动所得,鼓励他们用自己的活动经验来解答同伴提出的相关问题。在此阶段,首先应该听取学生在技术工具的观察和使用中遇到的问题和困惑,并通过质疑或相互解答让学生自行解决疑惑。然后逐步引导学生厘清技术工具的结构、功能与原理之间的关系。

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