设计型学习：初中学生工程思维的学习路径设计与实践

/设计型学习：初中学生工程思维的学习路径设计与实践【摘要】在创新驱动发展的时代潮流下，基础教育阶段创新型人才培养的需求也面临着新的变化，工程思维成为当前备受关注的一种高阶思维。在科学课堂中构建设计型学习的路径，从实际问题出发设置挑战性任务，针对任务组织一系列探究活动，引导学生在完成任务过程中获得知识与技能、产出产品或模型并对其进行合理评价，是发展学生工程思维的可行方案。【关键词】科学教育；模型；作品；探究活动；工程思维；设计型学习

在创新驱动发展的时代潮流下，基础教育阶段创新型人才培养的需求也面临着新的变化，注重学生高阶思维的发展、培养学生在实践活动中解决真实问题的能力等备受关注。其中工程思维作为中国学生发展核心素养的重要素养之一，是“实践创新”所需的重要思维能力，其定位是能将创意和方案转化为有形物品或对已有物品进行改造与优化等[1]；新颁布的《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“新课标”）也首次明确“工程设计与物化”是科学学科的13个核心概念之一，并将培养学生技术与工程实践能力作为科学核心素养目标的重要指标[2]。然而当下的科学课堂教学，更多的是以具体知识的理解和应试为中心，学生在课堂上缺乏言语表达、动手设计、相互质疑的机会，整堂课下来，思维发展严重受限，更遑论培养工程思维。如何将工程教育融入科学课堂，寻找一条理想的学习路径来发展学生的工程思维，成为当前亟待解决的问题。 一、以设计型学习发展学生工程思维的价值 在基础教育阶段，工程思维的教学应用和培养多集中在STEM教育、机器人教育、创客教育、高中通用技术课程以及其他跨学科主题课程中，针对工程思维的大多数研究也多是基于STEM理念和项目式学习理论，通过设计跨学科主题来培养学生的工程思维。如肖晨基于STEM教育的视角构建跨学科实践活动的目标设计，指向学生思维的培养，具体阐述跨学科实践活动的过程设计与教学实施，形成指向工程思维培养的跨学科实践活动的实践策略[3]；周贵乐基于项目式学习，以“如何把自然界中的盐转化为餐桌上可食用的盐”为例，在化学教学中渗透工程思维[4]。但上述策略常常会因为学科间的学习进度或某一学习主题的学习时长及学习时空等条件限制，无法在一节课内做出物化产品，且这样的课堂更多是在复习课中开设。 设计型学习是一种新型的学习方式，是学习个体及共同体为改进现实、发展自身知识与能力，围绕真实、劣构问题中人工制品的功能、标准与结构所进行的迭代拓展性的反思探究活动[5]。由于设计型学习是从真实的问题情境出发，在后续的成果展示阶段，有条件的可以物化，没有条件的可以采用建模的方式解决实际问题，因此无论在新课还是复习课中都可以开设。最重要的是，设计型学习的学习路径也能承载发展学生工程思维的使命，如在学习“工程设计与物化”这一核心概念时，教师可以通过一系列的设计，引导学生综合运用物质与能量、结构与功能、系统与模型、稳定与变化等跨学科概念，在循环往复的迭代探究中表达自己的观点，发展工程思维。 二、设计型学习路径的构建 工程思维是人类在进行工程决策、工程设计、工程实施及工程评价的过程中形成的，从现实出发的一套具有规则性、筹划性、构建性和权衡性等特点的思维品质。而设计型学习是一种融合探究活动和设计实践的学习方法，它包括设置挑战任务、开展系统探究、尝试设计物化和组织迭代优化四个学习环节。课堂上由教师提出设计型学习挑战，学习者根据学习实际采用个体或团体合作的方式，经过反复探究和设计，最终完成面向真实情境的任务，形成学习成果。 在已有研究的基础上，笔者结合自身多年的教学实践经验，构建了指向初中学生工程思维发展的设计型学习路径，具体的研究内容和切入点如图1所示。 图1指向初中学生工程思维发展的设计型学习路径图 由图1可知，设计型学习的学习路径主要是通过设置挑战任务（工程决策）、开展系统探究（工程设计）、尝试设计物化（工程实施）和组织迭代优化（工程评价）等学习环节，分别发展学生的规则性思维、筹划性思维、构建性思维和权衡性思维等思维品质。四个学习环节又可以提炼成探究和实践两部分。 （一）工程决策环节：设置挑战任务 规则一般是由班级小组内成员共同制定且需所有成员一起遵守的条例或章程，规则性思维实质上是事物变化及人的行动的客观逻辑在人们思维活动中的体现和反映。工程活动作为一种操作性活动离不开规则，工程规则表现为各种章程、规程、制度、守则、规范、标准等。因此，遵守工程规范与标准是工程活动最重要的行动原则之一，它能保证工程活动的顺利实施并达到预期目标。 为了促进学生规则性思维的发展，笔者在工程决策阶段设计了如图2所示的教学活动。 图2工程决策环节的教学活动图 由图2可知，教师通过做实验、看视频或讲故事等方式创设真实情境，提出具有挑战性的任务并引导学生做出相关决策。学生则根据真实的情境完成界定问题、调查研究和制定计划。工程决策阶段，教师只能是引导而不能代替决策，决策的主体是学生，该阶段结束时，学生制定好的计划中要有明确的工程总目标、总设计和总标准。 （二）工程设计环节：开展系统探究 工程设计是面向真实问题并以实现设计物化为目标的活动。在进行工程设计时，学生需要从特定时空条件下的客观事实及其环境约束出发，充分考虑其“现实性”和“实现性”问题。因此，筹划性思维（包括工程的可行性、可操作性、运筹性等）就成为一个工程思维活动灵魂所在的思维品质。 为了促进学生筹划性思维的发展，笔者在工程设计阶段设计了如图3所示的教学活动。 图3工程设计环节的教学活动图 由图3可知，学生针对上一环节制定的计划分解任务，并根据具体的活动及探究点收集素材，获得他们需要掌握的知识和技术。教师在这一阶段则要帮助学生收集资料，梳理缺失知识，协助修改和调整设计，组织学生开展学生个体、生生之间和师生之间的探究活动，引导学生对整个计划做好筹划等。 （三）工程实施环节：尝试设计物化 工程活动以建造为核心，它始终围绕着一定边界条件下的人工物和人工系统的现实构建过程展开。因此，工程思维本质上是一种构建性思维，它从构建、制造一个结构良好、功能优化、效率优良的人工系统的角度观察、分析、权衡和处理问题。 为了促进学生构建性思维的发展，笔者在工程实施阶段设计了如图4所示的教学活动。 图4工程实施环节的教学活动图 由图4可知，若条件允许，由教师和各小组组长负责组织组内学生根据制定的方案将产品物化，同时对物化后的产品进行性能测试，保证方案的可行性；若条件不允许，有的设计方案由于各种原因无法物化成产品，那么可以采用画图或制作模型等方式预评估产品的性能。当然，教师还要引导学生从成功经验、不足之处和未解之谜三个维度对工程实施环节的学习做好经验总结。 （四）工程评价环节：组织迭代优化 工程活动作为一种复杂的建构活动，其突出特征在于通过合理匹配各种要素，包括优化选择各种模式，调和各种不同需求，对多元、多维价值目标进行比较权衡等，并在物理、化学、生物学、技术、人文、审美等多种异质要素之间进行复杂的权衡、妥协、统筹、协调，以达到系统目标。因此，工程思维过程中必然体现着权衡利弊、价值统摄、兼容并包等方方面面的权衡性思维。 为了促进学生权衡性思维的发展，笔者在工程评价阶段设计了如图5所示的教学活动。 图5工程评价环节的教学活动图 由图5可知，教师要组织学生在班级内进行成果展示工作，展示前要向学生明确应从阐述方案设计、分享设计成效和回应师生质疑三个维度进行，并提醒其他学生对别人作品中的优缺点进行评价。此外，教师还要组织学生对展示结束后产生的集中性问题进行讨论和分享，最终努力在科学性、实用性和美观性等方面做好权衡判断，完善作品，完成挑战任务。 三、设计型学习的教学实践 “液化”隶属于新课标“物质的变化与化学反应”核心概念“物质的三态变化”中的学习内容。对于该学习内容，新课标的教学提示要求教师结合生产生活实际，创设真实的问题情境，使学生真切感受到身边发生的物质变化，同时要开展实验探究活动。结合生产生活和科学研究中有关物质制备与转化的实际问题，让学生感受化学变化与化学反应在创造新物质过程中的重要作用。本文以浙教版初中科学教材中的“液化”一课为例，对运用设计型学习路径发展初中学生工程思维的教学实施过程进行阐述。 （一）设置挑战任务，唤醒学科意识 认知冲突指的是人认知发展过程中原有的认知结构与现实情境不相符时在心理上产生的矛盾或冲突[6]。只有通过调节解决认知冲突，才能促使人的认知活动不断丰富和发展。基于此，本课的这一环节教学活动是这样设计的： 【界定问题】沙漠是很多旅游爱好者的首选去处。我们知道沙漠一直以来都是生命的禁区，尤其是人类的禁区，因为沙漠中水资源非常匮乏。如果有一天，你也身陷沙漠中，该向哪“要”水？ 【调查研究】教师向学生提供必要的数据，组织学生计算：我们的教室长10米，宽8米，高3米，求这个空间内水蒸气的质量，以此来判定向空气“要”水是否“靠谱”。 【制定计划】学生通过计算后发现，向空气“要”水是可行的。接着由各组组长牵头组织组内同学开展如何“要”到水的探究，即明确当堂课的目标就是要设计出一个“造水杯”，同时和组内同学一起明确设计标准，制定设计的要求和探究活动的规则等。 该环节中的问题和任务具体而真实，它的主要意图是发展学生的规则性思维。通过具体而真实的情境有效引导学生回顾已有知识并产生认知冲突，如学生知道空气中有水蒸气但不大愿意相信其质量很多，所以教师给学生提供必要的数据，让学生计算一定空间中水蒸气的质量。这一任务设计非常巧妙，且这样的计算是有生命的，不是为了计算而计算，它一方面能引导学生运用如密度的相关知识来解决实际问题，起到很好的复习作用；另一方面又能鼓励学生独立思考并引起学生的认知冲突，有利于激发学生的积极思维，为计划的制定和发展学生的规则性思维做了很好的铺垫。 （二）开展系统探究，驱动深度研习 要想让学生产生积极主动的思维，促进学生思维结构的发展，教师须搭建一个良好的学习平台，引导学生针对具体的课堂目标和设计标准，运用所学知识投入学习。所以，笔者在这一环节设计了如下的学习活动： 【任务分解】要设计一个“造水杯”，如何做能实现把空气中的水蒸气变成液态水？需要新增一个什么装置？这个装置将安装在杯子的什么部位？如何让这个装置获得工作所需要的能量？基于这些问题，学生将项目计划进行任务分解。 【收集资料】寻找证据说明为什么无论是“降温装置”还是“压缩装置”，都能实现水蒸气的液化，如何解决“压缩装置”的能量来源问题。 【合作探究】借助个体、同伴和教师的力量共同探讨后，多数小组认为应当新增一个压缩装置并将之放置在杯盖处。因为如果将压缩装置放在杯底，一方面会减少杯子的储水量（装置会占据部分杯子的容积），另一方面压缩装置需要供电，当杯底有了冷却后的水可能会存在用电方面的安全隐患。 该环节中的问题和任务充满挑战，它的主要意图是发展学生的筹划性思维。在这个环节，学生首先要想明白如何做可以把沙漠中的水蒸气变成液态水，其次是明确哪种方法在该情境下更有实现的可能性，最后是确定如何安装这个装置以及解决该装置的能量来源。这一系列问题都充满了挑战性和逻辑性，整个探究的系统开展需要小组成员做好充分的规划。 （三）尝试设计物化，强化实践能力 工程活动的本质是创造人工实体，设计与物化是其中的重要环节。学生的实践能力只有通过真正的实践活动才能提高，因此设计和制作都是学生必须亲身经历的活动。但有些工程活动可能是因为受到现有工具和材料的限制，无法在课堂上物化出产品，教师也只能通过画图建模等方式来替代制作。例如，本堂课的“造水杯”，学生是无法在课堂上物化成产品的。所以，笔者做了如下安排： 【组织实施】各小组长可以把上一环节中对于“造水杯”的设计构想用绘画的方式画出来。 【评测效果】因“造水杯”无法物化成产品，所以由小组长组织组内同学交流“造水杯”将会出现的效果。 【总结经验】小组长牵头分别在组内组织同学从设计“造水杯”需要用到的科学知识、科学方法以及小组间如何约定小组合作规则和规划方案等几个方面进行经验总结。 该环节中的问题和任务充满期待感，它的主要意图是发展学生的构建性思维。教师先要引导学生按照设计方案完成作品，有条件的，教师要组织学生根据提供的材料和工具物化出产品；条件不具备的，教师要从草图、简图到示意图循序渐进地帮助学生养成用图形表达设计思路的习惯。然后引导学生学会利用相关的科学原理和其他学科工具对实际问题的结果进行初步预测，并做好经验总结。 （四）组织迭代优化，衍生多样路径 教师可以让学生把设计说明书、产品模型和物化后的产品等，通过多种方式在班级内展示。在展示交流中，教师要让学生相互配合推介自己小组的作品，努力发挥每个学生的积极性，同时要对别人的作品给予应有的鼓励和恰当的质疑。所以，本课的这一环节教学活动是这样设计的： 【展示作品】各小组长组织组内的1位同学依次向班级内的其他小组介绍作品，包括阐述方案的设计原理、设计成效等，同时要做好接受班级师生质疑和追问的准备。例如，在这个环节中，班级内就有学生提出一个非常有挑战性的问题：增加一个压缩装置可以实现将空气中的水液化并流至杯子的底部，那么你是否有想过，“