小学科学“工程设计与物化”核心概念的学习进阶研究

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【摘要】把握科学核心概念的学习进阶，能促进学生连续性发展，加深教师对教学内涵的理解。本文阐述了学习进阶在小学科学教学中的应用，分析了“工程设计与物化”核心概念的学习进阶内容，提出了“工程设计与物化”核心概念的学习进阶教学设计模型。该模型在教学实践上取得了良好效果。

【关键词】小学科学；工程设计与物化；核心概念；学习进阶

《义务教育科学课程标准 （2022 年版）》（以下简称《新课标》）首次提出了13个学科核心概念，其中包含了“工程设计与物化”。“工程设计与物化”核心概念的理解，能帮助学生更好地领会跨学科概念的内涵。科学素养的培养有机融合在学科核心概念的学习过程中。新课标也指出，科学素养需要在长期连贯、进阶的学习与实践中形成。作为科学教育的研究范式，学习进阶深刻地影响着课堂教学改革。因此，精准把握科学概念的学习进阶，能促进学生连续性发展，促使教师明确教学顺序和内涵。本文阐述了学习进阶在小学科学教学中的应用，进行了“工程设计与物化”核心概念的学习进阶分析，提出了“工程设计与物化”核心概念的学习进阶教学设计模型。该模型在教学实践上取得了良好效果。

一、学习进阶理论在小学科学教学中的应用

（一）学习进阶理论理论

21世纪以来，学习进阶引领着科学教育领域的变革。学习进阶是 “对学生在一个时间跨度内学习和探究某一主题时，依次进阶、逐级深化的思维方式的描述”。学习进阶为科学核心概念和关键能力发展的提供连贯描述，学习进阶的研究成果为科学课程的科学规划和系统测评提供了认知依据。

（二）学习进阶在小学科学教学中的应用

新课标指出科学的课程理念之一是：“科学安排进阶，形成有序结构”。新明确要求教师基于学生的认知水平和知识经验，科学安排学习进阶。在小学科学教育中，学习进阶理论深刻地影响着广大科学教师的一线教学。

在科学教育领域，基于学习进阶的学生核心素养发展受到广泛关注。以学习进阶为基础的教学设计改进已成为研究热点。郭玉英和姚建欣提出了基于学习进阶的科学教学设计模型并进行了实证检验，取得了良好的效果。杨新瑞研究了“磁铁有磁性”的科学概念在二年级学生学习的发展情况，进行了“磁针与南北”单元学习进阶设计。刘怡以《雨水对土地的侵蚀》一课为例，围绕相关核心概念，合理安排学生认知发展的学习进阶，并应用于教学设计。由此可见，学习进阶在小学科学教学中的已有广泛应用，基于学习进阶的教学设计有助于学生构建核心概念，而且有利于教师分析理解不同学段的教学内涵。

二、“工程设计与物化”核心概念的学习进阶分析

（一）“工程设计与物化”核心概念的层级模型

“工程设计与物化”核心概念含括了三个学习内容：工程需要定义和界定、工程的关键是设计、工程是设计方案物化的结果，是工程活动的重点学习内容。三个学习内容的具体细化分析，有助于学习进阶分析。定义和界定工程问题是指明确条件和限制。设计是指依据工程问题，形成多种的解决方案，根据证据优化并确定方案。物化是选择合适和材料的工具，实施设计方案，做出初步的产品或实物模型；经过对结果的评估，改进发现的问题，进行多次迭代改进。三个学习内容是一个依次递进、逐渐进阶的过程，基于该过程，笔者分析制定了“工程设计与物化”核心概念的层级模型。

（二）学习内容的进阶分析

根据学段目标、学生特点，以及学科核心概念的本质特征，课标提出每个学段的内容要求。这些内容要求由浅入深，由表及里，由现象到本质，螺旋上升，进阶设计。根据学习内容要求，笔者分析归纳了学习的核心特征。

三、“工程设计与物化”核心概念的学习进阶教学设计模型

在郭玉英和姚建欣提出的基于学习进阶的科学教学设计模型的基础上，笔者根据“工程设计与物化”核心概念的要求和实际教学实践，提出了“工程设计与物化”核心概念的学习进阶教学设计模型。

（一）模型介绍

1.基于学习进阶分析学情

进行基于学习进阶的学情，需要对“工程设计与物化”核心素养进行分解重构。学情分析应该从以下三个方面问题来分析：（1）结合“工程设计与物化”核心概念的要求，确定学生的原有基础起点、中间状态、关键进阶节点和期望达成的水平终点；（2）需要学习的科学原理和技术工程是什么？期望培养的能力是什么？为了学习这些内容以及培养该能力，分析学生原有的科学观念、科学思维、探究实践和态度责任的核心素养处于什么水平，并期望它们发展到什么程度；（3）根据层级模型和核心特征，判断学生在课程学习中需要达到什么效果。

2.设计学习过程

刻画学习进阶的中间水平是设计学习过程的关键。教师要依据上述学情分析及经验，把握工程需要定义和界定、工程的关键是设计、工程是设计方案物化的结果三者间的逻辑关系，厘清三者的递进发展顺序。在技术与工程领域课程时，将工程问题按从简单到复杂的顺序进行排序，按“明确问题——设计方案——制作测试——改进迭代”的思路刻画进阶关键的五个层级，对相关工程技术进行补充解释和完善，确定进阶途径。

3.进阶过程的教学开发

依照学习轨迹，实施教学开发。教学中，以真实情境下的工程问题为起点，引出需要探究实践和能力发展才能解决的设计和制作任务。随后在驱动任务的激发和引领下，促使学生完成制作测试、迭代修正的过程。在教学实践的过程中，注意引导学生感受处理工程问题的规范性、解决方案的多样性，以及根据反馈迭代改作品的必要性，培养学生的工程实践能力和创新能力。

4.及时评价修正

教师在教学后，可以采用对学生的测验、自我反思、邀请专家和同事来听课来评估教学。通过评价反馈，及时修正改进教学和调整教学设计，以期达到更好的教学效果。

（二）应用效果

设计模型被应用在小学低中高三个学段的技术与工程领域教学实践中。通过课堂观察、测评和教学反思分析，模型发现加深了教师对“工程设计与物化”核心概念的教学理解，教学安排更合理，实验班学生在工程设计能力上都有更好的发展。

四、结语

学习进阶不仅有助于学生对核心概念的认识理解，而且提升了教师对教学内容的分析能力，加深了对核心概念在不同学段的教学内涵的理解。学习进阶设计是一个过程是复杂而且多个因素交互作用的结果。本文提出的“工程设计与物化”核心概念学习进阶的层级和教学设计模型仅仅是一个探索研究，仍需要不断修正完善，才能让学习进阶发挥其真正的作用，实现教学的提质增效。

【本文是中山市东区第四届教育科研立项课题“小学科学技术与工程领域工程设计能力的学习进阶研究”（课题编号：DQKT202063）的阶段性研究成果】

【参考文献】

[1]郭玉英， 姚建欣. 基于核心素养学习进阶的科学教学设计[J]. 课程·教材·教法，2016，36（11）： 64-70.

[2]中华人民共和国教育部. 义务教育科学课程标准（2022年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2022： 4.

[3]姚建欣， 郭玉英. 学习进阶：素养的凝练与范式的演变[J].教育科学，2018，34（04）：30-35.

[4]杨新瑞. 小学科学主要概念进阶设计研究[J].河南教育：教师教育， 2022（06）：53-54.

[5]刘怡. 运用学习进阶理论建构核心概念——以《雨水对土地的侵蚀》一课为例[J].科教导刊，2021（15）：134-136.

（责任编辑：邓羽婷）