基于工程设计的生命科学领域学习新范式

构建学习模型

基于工程设计的小学科学“生命科学”领域的学习，其过程一般分成四个环节，即“触发期—风暴期—设计期—求证期”，其课堂学习模型如下图。

学生在特定问题情景中或既定条件下，利用已有知识能力，通过反复建模和最优化达到某一特定目的的学习过程，我们称之为工程设计学习。从参与广度看，学习具有全体性;从参与深度看，设计活动具有无限性;从参与态度看，设计活动具有激趣性。在学习中，学生人人都是设计师，学生走到了“前台”，教师退居了幕后，有利于培养学生的批判性思维、创造性思维和非语言思维。

《义务教育小学科学课程标

准》的嬗变之一，就是将“技术与工程”独立于原有的生命科学等领域，以体现学生的工程设计学习。如何在诸如“生命科学”领域渗透工程设计学习，一直是广大科学教师研究的主要课题。本文以小学科学“生命科学”领域的主要内容为主体，提出了基于工程设计的小学科学“生命科学”领域学习新范式。

基于工程设计的“生命科学”领域的学习内容

小学科学“生命科学”领域的学习内容，主要以生命体观察为主，描述生命体内部各器官的结构特点，体验其功能，以及生命体外在的生存环境与它们的形态及相互联系。

结构—功能型：基于工程设计的学习，可以围绕着生命体器官的“结构”与“功能”两个维度，探求结构与功能相互联系的适应性，并且随着学生对结构与功能之间的关系的理解进一步深化。比如教科版小学科学四年级上册第四单元“我们的身体”中的“骨骼、关节和肌肉”“食物在体内的旅行”“食物在口腔中的变化”等开展“结构与功能”的设计活动。

环境—形态型：基于工程设计

的学习，可以围绕着生命体生活的“环境”与“形态”两个维度，探求环境与形态相互联系的因果性，感受生命体的进化就是对环境的适应。比如教科版小学科学四年级下册第二单元“新的生命”中的“把种子散播到远处”“动物的卵”等，六年级上册第四单元“生物多样性”中的“原来是相互关联的”等开展“环境与形态”的设计活动。

触发期：界定目标。触发期，是学生聚焦问题和界定任务要求的过程。就是让学生明确学习的主要任务，或者是需要解决的主要问题，激活学生头脑中对任务已有的理解，为下一学习活动做好准备。创设情境是科学学习课堂引入的惯用方式，基于工程设计的学习情境创设，更强调情境所具有的“角色”代入感。

风暴期：构思方案。风暴期，是学生基于设计任务和相关的界定要求，组内相互交流、相互质疑，形成设计方案的过程。风暴前期，思维具有发散性，会产生足够多的支持需求的方案;随着交流的深入，慢慢聚合于某几个构思方案，也对触发期的界定目标的再明确，再清晰;风暴后期，回顾目标，选择最终优化方案。

设计期：建造模型。设计期，是学生基于设计任务和相关的界定要求，运用概念草图、简易模型等可视化的形式，辅以简要的文字说明，准确、快速、方便地将自己的创意转化的过程。工程的设计是工程的关键的所在，是学生在构思方案、思维可视化、评价及重构过程中，对知识的学习、理解和创新。求证期：效能评估。求证期，是学生对设计进行效能评估、链接生活的学习环节。生命科学领域涉及的很多都是无法直观认知的器官和系统，属于“暗箱”结构，难以求证或不求证结构相同，但一定可以求证功能是否相似。因此，效能评估一般首选是求证功能是否满足任务的要求和环境的条件限制，寻求自然世界与之结构相同的原型，再进行求证。

抓好学习策略

刚柔相济。所谓“刚”，主要体现在设计严谨的层面。所谓“柔”，主要体现在环境、心态、交往等层面。尽管设计活动的时空可能是宽松的，但设计过程以及其中的各个环节需要有严谨的态度，比如认真细致的思考、实事求是的记录、有理有据的争辩等。宽严相济的人文环境建设，有助于发展学生设计的创造性、严密性，以及积极的人际交往态度。

质疑反思。质疑反思是指在思维活动中善于严格估计思维材料和精细检查思维过程的智力品质。在科学学习中，如何引导学生采取一定的方法通过鉴别，找出问题所在，是培养学生批判性思维的好途径。教师可引导学生多思考，善于自己发现问题，提高自我纠错能力;也可引导学生检验设计方案的合理性，提出修正方案，探索解决问题的新途径;或者鼓励学生多问几个“为什么”。

互助共识。在科学学习中，友善的同伴关系主要表现为寻求同伴合作、聆听同伴见解、尊重他人观点、善意作出评判、积极表达自我、扬弃已有观点等。寻求同伴合作，表现为征求同伴对问题的不同看法、商讨设计活动的方案、邀请同伴参与并共同完成设计操作、与同伴分享并分析设计所得。

提升学习效果

新颖学习方式，深入理解知识，逼近科学本质。学习中，学生在设计任务单的引领下，通过设计—探究的学习过程，自主设计、自由论证，主动理解科学知识，并学以致用，这种学习方式丰富了学生对知识及知识产生过程的理解。同时，生命科学领域贯穿始终的“因果关系”“结构功能”等科学大概念，更是有助于学生对科学知识的累积、连贯，帮助学生慢慢逼近对科学本质的理解。

逆向学习过程，提升探究能力，整合工程探究。在学习中，学习是自下而上进行的，学生并不聆听教师讲授，而是学生自主设计、倾听其他同学的设计方案，对他人的设计制品和模型提出不同的意见和表示质疑，并思考他人意见，改进自己的设计方案，这使得协作性的知识建构探究成为可能。设计是学生不断深化科学知识的过程，更是学生科学探究的实践过程。

多重评估方式，发展批判能

力，融合实践思维。在学习中，学生需要对设计的产品进行效能评估，通常包括设计的功能性评估和结构性评估两类。无论是功能性评估还是结构性评估都是激发和改进设计的重要手段。适时对学生的模型和设计方案进行评价，能促进学生反思能力与批判思维能力，同时学生体会到“做”的成功和乐趣，并养成通过“动手做”解决问题的习惯。

基于工程设计的小学科学“生命科学”领域的学习，充分体现了小学科学课程教育改革的方向，融合了科学、工程、数学、技术的理念，是探究过程和工程设计的完美融合。其简单、高效的模式，妥善处理了学生主体和教师指导的关系，学生学习的广度、深度和效度，在有限的时间里，把主要活动做好做到位，让学生学得深刻。