新课标视角下小学科学设计思维的培养实践.pdf

2024年第1期总第90期【课堂聚焦课堂新探】新课标视角下小学科学设计思维的培养实践史加祥（上海市金山区教育学院，上海201508）【摘要】设计作为小学阶段需要开展的实践活动及小学生需要具备的重要能力与思维方式，在义务教育科学课程标准（2022年版）中被多次提及。文章在对设计与设计思维进行课标和文献理解的基础上，对其能力要素组成和实践流程进行了梳理，明确了设计思维的培育方法与策略，并对不同目标视角下和跨学科视角下的设计思维课堂教学实践进行呈现与总结，为小学阶段开展设计思维的培养和促进学生核心素养的发展提供借鉴。【关键词】科学课程标准；工程与技术实践；设计思维；课堂教学【作者简介】史加祥，高级教师，博士，上海市金山区教育学院小学科学教研员，主要研究方向为小学课程与教学。义务教育科学课程标准（2022年版）（以下简称“新课标”）指出，科学课程旨在培养学生的核心素养，为学生的终身发展奠定基础1。科学思维是素养发展的核心，是科学探究所需的关键能力与核心思维方式；探究实践不仅是学生通过科学探究形成的关键能力与对科学探究的本质理解，也是其他素养发展的关键途径。2设计作为小学生需要参与的实践活动及需要具备的重要能力与思维方式，在新课标中被多次提及。如何理解新课标中的设计能力与设计思维？在课堂教学中如何培养与发展？本文尝试对工程设计与基于设计思维的教学进行梳理与总结，期望为新课标的课堂落实提供启示与借鉴。一、设计能力与设计思维的多元理解从不同的视角看设计能力与设计思维会产生不同的理解，对不同的理解进行梳理能够给课堂教学奠定基础，指明方向。（一）设计活动与能力的课标理解对新课标中与设计学习相关的内容和要求梳理后发现，其在科学观念、科学思维和探究实践等素养中都有涉及。如在科学思维中有“设计简单的实验”“进行初步的创意设计”等学习要求，在探究实践中则要求“设计控制变量的实验方案”“设计并制作简单的装置”等。同时，将“设计方案”作为技术与工程实践的要素之一，在探究与实践之后培养学生构思、设计、实施、验证与改进的能力。对新课标进行梳理可以总结出设计有设计活动和设计能力两种理解。设计活动可以是设计实验、设计调查活动、设计剧情、设计制作工具等探究活动，也可以是“为蜗牛设计并建造一个家”“设计或改进一份均衡膳食菜单”等项目研究，还可以是制作之前的准备活动，如设计制作实物模型、设计一些有创意的小发明或小制作等。设计能力主要是作为解决问题和完成实际任务需要具备的能力之一，其既是科学学习中需要培养与发展的一种共同能力，又是在不同情境与任务中表现出来的独特能力。新课标中将设计活动与设计能力充分融合的内容主要是“技术、工程与社会”和“工程设计与物化”两个核心概念，并分学习阶段具体呈现了设计学习要求与活动，明确了技术与工程实践涉及明确问题、设计方案、实施计划、检验作品、改进完善、发布成果等要素。662024年第1期总第90期（二）设计与设计思维的文献理解对于设计与设计思维研究的文献众多，不同的研究有着不同的视角与理解。有研究从职业角度出发，将设计解释为一门学科，指出设计是利用设计师的敏感和设计师掌握的方法来匹配人们的需求，在考虑什么在技术上是可行的、什么是可行的商业策略基础上转化为客户的价值和市场机会。3而设计思维则采用设计师的思维，将消费者的需求放在首位来解决问题，设计思维依赖于以同理心观察人们如何与环境互动，并采用迭代、亲身实践的方法来创建创新解决的方案。4上述观点是将设计与设计思维作为特殊职业人群（设计师）的工作与思维方式来理解。也有的研究认为设计是基于一定设想、有目的、有规划的创造活动5。设计思维是学生通过独立思考、依靠团队合作来达成的动手实践过程，学生发挥想象力和创造力并通过测试不断优化方案，以解决实际问题为最终目标。6从不同的视角研究会对设计与设计思维产生不同的认识与理解。笔者通过对文献进行梳理，较为认同将小学科学中的设计理解为动手实践，目的是让学生把自己的想法变成有形的、可测试的过程与流程、制作与产品。而设计思维则是在科学学习中需要培养与发展的以解决方案为中心的一种独特思考和实践方式，是将遇到的问题和挑战重新定义为机会并解决的迭代、非线性过程，培养设计思维的目标就是要让学生跳出标准、勇于创新，并用创造力解决问题。综上可以看出，设计与设计思维没有单一的定义。设计可以是一种方法、一种实践。设计思维可以是一种策略、一种理念，也可以是一种看待自然和科学世界的方式。而开展设计和设计思维活动能够为学生提供迁移与应用所学课程知识的机会，增加学生的参与度，鼓励学生以新的方式展示他们的能力，同时还能提升学生合作学习、创造力和发散思维的能力等7。虽然设计活动的开展和设计思维的培养对学生有很多益处，但设计在之前的教学中往往被忽视，工程思维的渗透与培养几乎被无视8。现实对教师和学生提出了很大的挑战。对教师而言，开展设计思维活动的挑战包括教学时间的限制，缺乏教育设计思维的教学经验和有针对性的培训，需要准备充足的学习材料与资源等。对学生而言，则面临着参与活动时会产生困惑和沮丧、缺少好的想法和创造力、团队合作学习时遇到的冲突与困难等。二、设计思维的能力要素与实践模型新课标将“设计方案”作为技术与工程实践的要素之一，并且明确了设计是工程的关键，可见技术与工程实践的主要目标之一就是培养与发展学生的设计思维。（一）设计思维的能力要素笔者对已有研究梳理后发现，专家与学者对设计能力与思维的描述有多种方式，使用了不同的术语和行动序列对能力要素进行了描述，并联系和融入了很多概念与属性。有研究在对部分概念和模型识别的基础上发现一些能力要素被频繁地提及与使用，虽然对要素或能力有着不同的表述，但通过对内涵归纳后可以总结出如共情、界定、构思、原型、探索、测试、评价、优化等共同能力要素（见表1）。表1设计思维的能力要素能力要素共情界定构思原型探索测试评价优化其他表述同理心、以人为中心、需求导向、感觉理解、定义问题，澄清问题和限制条件创意设计、头脑风暴、形成解决方案建模、建构、创建、制造观察、收集信息与数据，发现检测、实验、尝试评估改进、迭代、再设计内涵围 绕 需 求 进 行 设计，设计突出以人为本基于对问题情况的深入理解，陈述可行或可操作的问题产生可能形成解决方案的备选想法创建原始或早期的解决方案模型，可以是草图或设计的其他实物、虚拟结构询问和收集信息与数据等，获得对问题的深刻理解试验和收集问题与反馈检查该设计是否满足需求基于用户反馈改进方案技术与工程要素明确问题设计方案实施计划检验作品发布成果改进完善672024年第1期总第90期从表1可以看出，无论是设计思维还是技术与工程实践，彼此的要素能够相互对应，设计思维强调共情与探索两个要素，在技术与工程实践中也能找到类似的表述。如在明确问题之前要针对实际需要，要根据实际效果来检验作品等。由此可见，可以将设计思维的培养作为新课标技术与工程实践学习要求落实的主要抓手。（二）设计思维的教学实践流程设计思维的各种能力要素并不是以线性的方式排列组成教师的教学过程或学生的实践流程，而是一个迭代的、非线性的过程。新课标指出，要根据实际效果进行修改迭代。由此，笔者对设计思维的能力要素进行分析、汇总，形成了具体的教学与实践流程（如图1）。图1设计思维的教学与实践流程图1中需要重点说明的首先是共情需求，此能力要素是指学生在设计中需要设身处地为他人着想，在特定的情境或任务中用他们的眼睛观看真正的世界，贯穿设计的全过程。其次是需要重视原型的制作，制作原型的目的是尽早发现与识别设计缺陷和可用性上存在的问题，避免时间、精力和资金的浪费，即使设计失败也能尽早发现并以较低的成本失败。最后是迭代，迭代不仅包括对原型的修改与优化，也包括在测试之后对方案的再构思与再设计，还包括对需求的再分析和对问题的再确定。设计思维的教学与实践流程为课堂开展设计教学提供了方向。然而，在实际教学中，教师还需要从学生的学习能力出发进行调整，不断培养与巩固学生的基础技能和科学思维方法，同时针对每个要素进行培育与发展，最终形成较为完整与系统的设计思维，并内化成为学生学习与思考的素养（如图2）。图2设计思维的培育方法与策略设计思维的培育方法与策略呈螺旋式上升。在具体的培育中，教师需要根据学生学段进行差异化和发展性设计，在低、中学段的设计活动中多一些工具技能、思维方法和能力要素的实践，在中、高学段可以重点开展能力要素和完整流程的实践。当然，低学段也需要适当开展完整流程的设计实践活动，但可以对要素进行删减和简化，以符合学生的认知与能力。与此同时，设计思维的培育也需要与其他思维型科学探究与实践充分结合，需要以新课标中的具体学习目标和要求为基础，在扎实的实践中细化落实。三、设计思维的课堂教学实践本文在厘清概念和对流程进行梳理的基础上对设计思维的具体教学进行了探索，为工程与技术实践的后续教学提供经验与借鉴。（一）不同目标视角下设计思维的实践从不同视角理解设计思维，定位不同的学习目标，会产生不同的过程与结果。为了帮助四年级学生学习新课标中“课程内容”的“12.2技术与工程改变了人们的生产和生活”，教师设计了如下的情境。情境在我国有些地区一旦遇到下雨，学生就没办法上课了，因为这些地区的学校没有电，而雨天教室光线暗，学生也就没办法继续上课了。我们该如何帮助他们解决这个问题？682024年第1期总第90期教师从不同视角出发进行教学实践，具体教学流程如下（见表2）。表2视角一界定问题：如何帮助学校解决没电的问题？构思方案：可以建造线路将电输送过去可以购买一些太阳能发电设备可以安装风力发电装置可以点蜡烛上课制作原型：安装风力发电装置测试检验：制作简易风力发电装置，测试、改进发布成果：小组交流、展示风力发电装置视角二共情需求：学生需要电做什么？我们有哪些方法能给他们供电？下雨天学生还能做什么？能不能做游戏或运动？这些地区的环境、经济是怎样的？界定问题：如何帮助他们供电？光线比较暗的时候，可以开展哪些学习活动？这些学校能不能搬迁或合并？构思方案：从上述两种视角的实践可以看出，设计思维的教学可以有不同的侧重点。视角一是将设计思维作为解决问题的设计方法，目的是让学生设计、制作简易风力发电装置，并在测试与迭代后完善制作，最终进行成果发布与展示。视角二看起来似乎与设计思维无关，但却体现了设计思维在知人知生活的基础上深挖需求，从而解决实际问题的本质，是将设计思维作为解决问题的方法。虽然视角二中界定的问题在短期内无法得到解决，而且问题也变得越来越大、越来越复杂，但充分体现了设计思维不是“快餐”设计工具与思维方法。因此，在实践中，教师对设计思维的不同认识会产生不同的教学过程与结果，在给予充足时空和资源支持后，学生就能创造出令人惊讶的成果和展现出令人难以置信的认知能力。上述实践也对科学探究、工程与技术实践中的情境创设产生了一定的启示，如真实的情境能够引发学生的兴趣，促进学生对问题的界定和方案的形成等。然而从学生学习多元、立体、复杂的过程与结果来看，真实情境对设计思维的形成而言并不是直接的线性关联，也并非只有真实情境才能生成设计思维。教师需要根据具体的培养与发展目标创设合适的情境或场域来发展学生的设计思维。（二）跨学科视角下的设计思维实践设计思维实践不仅是科学课程的学习要求，也是艺术、劳动等课程的学习目标，将设计作为跨学科教学的抓手有着独特的优势。教师可以借鉴已有研究和新课标要求，明确设计的具体表现水平，如将设计图分为“无标注，设计不合理”“有部分标注，设计比较合理”“标注清晰，设计合理”等不同表现水平9。另外，明确中、低学段学生的设计要求为能根据日常生活经验，在仔细观察和比较后能够发现物品的常见功能，能够绘制图纸，以满足部分设计要求，并在教师的引导下选择所需的主要材料，具备设计简单实施方案的能力；高学段学生能够根据生活经验运用类比和示例设计符合要求的模型，在任务要求明确的情况下凭借所学知识和经验进行分析、比较和选择合适的材料与工具，设计的方案能基本满足要求，设计的图纸基本符合规范性要求等。基于此，教师为五年级学生设计了“为绿萝制作简易自动浇水装置”的活动（见表3），让学生经历设计思维流程的同时，将其他课程的知识与能力迁移应用，发挥设计思维促进跨学科学习能力发展的作用。在“为绿萝制作简易自动浇水装置”的教学中，教师融合了多门课程的教学要求，也充分让学生迁移与应用科学课程中习得的科学观念、科学思维等素养。通过实践，教师发现需要在两个阶段给学生提供充分的时间、资源和支架支持。一是从绘制草图到形成设计图的过程中，需要帮助学生意识到草图和设计图之间的差别。为此，教师提供了适合小学生的较为标准的设计参考图，学生围绕需求和问题对设计图反复论证，形成了符合需求的图样。二是在学生根据图样原型制作、测试和改进的过程中，教师既需要给予学692024年第1期总第90期生充足的时间和空间，也需要给学生提供指向测试与改进的学习单，时刻提醒学生要满足的需求和要解决的问题。在实践中发现，设计思维的培育与养成不可能一蹴而就，也不仅是科学课程的任务，需要所有课程的共同努力。以设计思维培养为抓手开展工程与技术实践不仅符合新课标的要求，也被实践证明是可行的，这种方式受到学生的喜欢，并对学生的发展起到了积极的作用。在新课标学习与课堂转化的过程中，教师需要在梳理课标要求的同时借鉴已有的丰富研究，从学生的兴趣和实际能力出发进行设计与实施，使核心素养在课程实践中落实。参考文献：1 中华人民共和国教育部.义务教育科学课程标准（2022年版）M.北京：北京师范大学出版社，2022.2胡卫平，郭习佩，季鑫，等.思维型科学探究教学的理论建构J.课程教材教法，2021（6）：123-129.3 BROWN T.Design thinking J.Harvard business review，2008（6）：84-92，141.4TUTTLE G.What is design thinking and why is it important？EB/OL.（2021-02-24）2022-12-20.https：/ 周子明，张志，袁磊.融入设计思维的 STEAM 教育：模式构建与案例分析 J.现代远距离教育，2021（1）：56-62.7 RABER C.Design-based learning for the elementaryschool classroom D.Vancouver：Emily Carr University of Artand Design，2015.8喻伯军.小学科学教学关键问题指导M.北京：高等教育出版社，2020.9李薇.基于深度学习理论的小学科学单元项目式教学设计：以教科版“船的研究”单元为例J.中小学课堂教学研究，2023（8）：32-36.（责任编辑：罗小荧）情境共情需求界定问题构思方案制作模型测试检验发布成果国庆假期准备到了，班级里有很多盆绿萝，我们怎么做才能不让它们干枯？10月份当地平均气温为1728秋天绿萝需要比较多的水，一个星期大概需要300400ml水一次性浇水300400ml，土壤吸收不了，一大半流出去了怎么让绿萝一个星期都有适当的水？设计、制作一个能维持一个星期的简易自动浇水装置简易自动浇水装置产品发布会科学观念：天气与气候；植物生长需要水等；土壤科学思维：分析与综合、抽象与概括科学观念：应用科学原理设计并制作简易装置；使用简单的工具，对材料进行简单的加工处理；通过观察发现作品中存在的问题并提出改进方案艺术：了解实用与美观相结合的设计原则，为班级、学校的活动设计物品劳动：设计方案并选择合适的材料和工具制作简单作品，识读图样，根据图样制作，完成产品模型或原型的组装、测试表3“为绿萝制作简易自动浇水装置”教学与实践过程70