设计思维导向下的小学科学教学实践研究

陈金冬

设计思维是一套创新式解决问题的方法学，也就是一种以解决方案为导向的思维形式。它不是从某一个问题入手，而是从目标或者要达成的成果入手，找出解决方案的过程。设计思维在小学科学技术与工程学习中有着重要的作用。如果采用设计思维作为教学设计的理念，将会为学生打开创新设计的大门。

设计思维与小学科学教学的适切性

2017版的《小学科学课程标准》指出：“人们为了生产和生活更加便利、快捷、舒适，创造了丰富多彩的人工世界。”“技术的核心是发明，是人们对自然的利用和改造。”“工程技术的关键是设计，工程是运用科学和技术进行设计、解决实际问题和制造产品的活动。”纵观技术与工程在目标、关键性、过程和评价上有一些共性。

目标的一致性，即教学目的都是为了解决实际问题，为学习和生活服务;设计的关键性，即设计想法是产品创造的灵魂，是解决问题的可行性方案;过程的一致性，即学生都在经历发现问题、分析问题和解决问题的过程;评价的一致性，即实践作品与实际需求的匹配度是衡量学生学习效果的重要依据。

“比较水的多少”案例的来源

“比较水的多少”选自教科版3年级上册，首先直接展示3个不同形状的瓶子，让学生思考哪个瓶子里水多，哪个瓶子里水少。学生根据生活经验，用多种办法比较水的多少。但是人的直观感觉有时会出现错误，为了能准确比较水的多少，学生开始设计并制作一个刻度杯（量筒的原型）。不同学生的刻度杯的单位是不一样的，就导致测量结果的交流有困惑，从而引出相对精密的测量仪器——量筒。接着让学生学习使用量筒，精确地比较水的多少。

本节课的重点和难点是经历人类发明量筒的过程。知道液体具有一定的体积，液体的体积可以用量筒测量。然而教材把时间均匀地分布在3个活动上，每个活动都做不充分。因此汲取设计思维的精髓作为教学设计的理念，让学生从量筒发展史入手，设计并制作一个量水的工具，然后不断修改优化，解决现有的量水问题。

设计思维导向下的活动设计

用设计思维作为活动设计的导向，以工程设计过程为主导，根据学生的情况对本节课的教学目标和活动进行重新定位和调整。

设计思维导向下的目标取向

教材的目标和设计思维导向下的目标都重视对科学概念的理解，重视学生的体验，鼓励学生用多种方法解决问题。不同的是，设计思维导向下的目标更重视产品的设计和制作过程，让学生经历发现设计需求、设计、制作、测试和改进产品的过程，提高学生的创新思维能力。

设计思维导向下的活动调整

设计思维导向下的活动简化了认识量筒的过程，把比较谁多谁少放在了运用环节，把比较水多多少这个难点内容做实做透。设计思维导向下的教学活动调整，为学生打开了古人设计和发明量筒的大门。学生经历量筒的形成和发展过程，不仅知道工具的使用方法，更重要的是学会了创造工具。

设计思维导向下的课堂教学

创设情境，挖掘设计需求

创设情境是小学科学课常用的课堂导入方式，旨在创造真实的学习情境，激发学生的探究兴趣。设计思维导向下的情境与人们通常所说的情境既有相似之处，又有略微的区别。它强调真实性，在整个教学活动中要求真实的情境、真实的问题，并且真实地解决。

古代买卖酒场景：老板我要1杯酒，老板我要2杯，老板我要10杯酒……买酒的客人特别多，1天下来卖酒的师傅就累得不行了。他想：如果有一个量酒的工具，不管多少杯，我只要量1次就可以了，那该多好呀！

这样的情境非常真实，让学生有身临其境的感觉。买卖酒场景播放完毕，教师提问：“如果你是卖酒的师傅，你觉得用这样的小瓢量方便吗？”促发与卖酒师傅进行共情，体验到人们一小瓢一小瓢卖酒的辛苦及麻烦。学生发现问题之后，教师点出本课主题：设计并制作一个量水工具。设计思维导向下的情境更多地是为了暴露真实的生活需求，为学生发现提炼设计需求服务。

头脑风暴，汇集设计创意

学生发现设计需求后，就需要通过设计解决冋题。冋题解决的关键是设计创意。在40分钟短暂的课堂时间内，常用的激发设计创意的方法就是头脑风暴。

头脑风暴有其特定的操作方法。它的起点是设计需求，终点是修改设计解决需求。从明确需求到解决需求的过程一般有2条路径（图1）。“比较水的多少”的设计需求是：1个能够量取多种体积的量水工具。由于这个问题比较简单，所以选择了第1条路径，即：直接让学生独立思考，记录突发灵感，形成初步的问题解决方案，然后小组讨论并选择最佳创意，最后全班交流修改设计。

学生完成设计之后，在教师的组织下，主要围绕设计需求、设计材料和设计的可操作性这3个角度开展交流。在活动中，笔者收集到了学生的解决创意，主要有量体积的刻度杯、比高度的量瓶和称重量的称重杯这3种设计思路。学生充分考虑到材料的适用性，选择了能够直观看到刻度的透明直筒的杯子做刻度杯;为了增加产品的实用性，他們把刻度设计成了防水的。

设计思维导向下的设计创意分享，一定是围绕设计需求开展的。只有解决了实际问题才是好的设计，只有用最简单的方法高效解决了问题才是好的创意。在这样的研讨下，分享的学生能够得到全班同学的建议，听众能够获取其他小组的设计精髓，可谓事半功倍。

动手操作，制作产品原型

制作是活动的关键环节，创造者需要寻找适合的材料，将设计创意变成产品。小学生的动手操作能力比较弱，需要教师细致地指导。教师在制作指导的时候要有选择地挑选那些直接影响产品质量的操作。在引导的过程中不断追问，让学生自己总结操作的要点。以刻度杯法为例，教师可以用如下的方法引导。

教师：在制作刻度杯的时候有什么需要注意的吗？

学生：（演示）量一小杯水，倒到长筒杯子里去，在水位处画1条刻度。

教师：你们也是这样想的吗？为了让工具更准确，制作过程中有没有需要注意的地方？

学生：刻度要均匀？

追问：怎样做到刻度均匀？

学生：每次小杯子里倒的水要一样多。每次要1小杯倒满，但是不能溢出来、漏出去。

追问：漏出去会怎样？

学生：会让刻度变得不准。

学生：倒出的时候，要倒干净。

……

在制作的过程中，教师还应关注学生的小组分工合作情况，让每一个孩子有事做。经过教师的细致指导，学生的制作活动变得更加顺利。图2展示了学生的3种创意产品，产品制作的完成是学生对自我的肯定，增加了学生的成功体验和学习动力。

场景测评，获得使用反馈

教学和评价是课程实施的2个重要环节，相辅相成。评价既是对教学效果的检测，也与教学过程的相互交融，从而促进与保障学生的发展。思维导向下的课堂评价主要分成3个部分，设计想法、小组合作和产品性能评价。每一个维度的评价都有多个评价细则，右表是“比较水的多少”这一课的评价细则。

思维导向下的评价主体多元、方式多样。不仅有以教师为主体的评价，也有教师对学生，以及学生对学生的评价。针对产品的评价，要在真实的场景中获得使用的反馈，根据使用反馈进一步修改自身设计。教师在教学中应该注重对学生合作学习、学习过程和学习成果的评价。

在小学科学课堂教学中，无不渗透着设计思维。特别是工程与设计类型的课，时刻能够找到设计思维的印迹。这一类课均可以吸取设计思维的精髓，以设计思维为教学设计理念，让学生体验设计的一般过程，并用设计思维创造性地解决问题。在设计思维导向下的小学科学课堂中，学生能够体验真实的情境并发现设计需求，通过头脑风暴的方式形成设计方案，根据设计方案制作出产品，使学生的设计思维和创新思维得到飞跃式的发展。