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实地考察是一个开阔学生见识的极好机会，但是交通会是一个问题——老师坐在第一排给司机指路，并且不断地提醒坐在后面的学生注意在车上保持安全行为。为了不再重复长时间坐大巴的不愉快经历，我们决定将二年级的实地考察地点选在离家近的地方——从学校出发，能步行到达的地方。
我们围绕当地的河流开发了一系列集科学、社会研究、数学和文学于一体的单元活动，并在收集学生有关河流问题的基础上开始本年度关于河流单元的学习。学生想知道的一些典型问题包括：河流的发源地在哪里？河流的尽头在哪里？河流在什么地方最靠近我们学校？这些问题引出了一个制图单元，成为我们第一次挑战工程设计的高潮：制作一种工具去测量河流的长度、宽度和深度。随着学生们的设计、构建和完善工具，他们会对这次挑战有更深的理解，也会在工程活动中获得收获。他们能够学习如何收集、分析和评估数据，也会对制作地图或对一个特殊位置的制图有更好的理解。这次设计挑战需要学生相互交流可测量是什么意思，我们鼓励他们思考：“对河流来说可测量意味什么？”这次探究活动还促进了学生间的团结合作，为这一年的实践探索打下了基础。
我们的活动主要由5个步骤组成。基于波士顿科学博物馆开发的工程课程是基础，通过4个课程，要求学生会问、大胆猜想、制订计划、制作及改进测量工具。这项工程活动达到了新一代科学课程标准中工程设计的要求：学生能够通过提出问题、观察、收集信息来展示自己对内容的理解。把工程里的要求与对河流的研究相结合，也能体现新一代科学课程标准里科学、工程和技术的相互依存的跨学科概念。这篇文章详细描述了我们开展了5年的活动，可以给科学教师开展此类活动提供一个参考案例。
确定地点
为了准备测量工具来进行设计挑战活动，学生们通常需要回顾有关地图的概念及画地图的一些技能。随着GPS和网络资源的使用日益广泛，学生们现在很少接触纸质版地图。在设计挑战任务时，我们设计课程来调动他们的已有知识，回顾之前学过的概念并向他们介绍一些新的词汇。学生们日常生活中会接触各种各样的地图，可以让他们比较不同类型的地图，如地形图和空间图。学生通过阅读《绘制一分钱的世界》来复习地图规则。他们也成为制图员，与搭档合作绘制教室的俯瞰图。
我们向学生介绍了互动的技巧后，在单元设计中增加了一个新的活动——使用平板电脑，学生利用平板电脑访问波士顿的图书馆网站，通过网站，能够看到我们的河流在1900年的鸟瞰图。学生对弯曲的河流形状做注解，并学会了一个新词——蜿蜒。这个网站有一个放大功能，学生可以对地图上的一个小位置放大，进行更为细致的观察。学生们十分激动，都想从这个地图上找出学校的所在位置。他们还对制图时把什么放进地图里、什么在地图里应该省略进行了讨论。学生们很好奇：在那个年代，谷歌地球和飞机都还没有发明，地图是怎么制作的呢？
第一课：引发兴趣
完成了复习课程后，我们就可以向学生介绍工程设计活动了。首先，告诉学生我们将要去学校附近的河流边制作一幅地图，引发他们的兴趣。为了制作地图，需要测量这条河流的大小，我们让学生知道将会把他们分为3个小组来开展测量工作。然后，我们向学生介绍新词汇（长度、宽度和深度），用来描述河流大小。
第一小组测量河流的长度，第二小组测量河流的深度，第三小组测量河流的宽度。我们提供一些常用的测量工具供学生挑选，大家讨论了使用尺子、米尺及一些测量方法收集数据的优缺点。通过讨论，学生明白了没有哪件工具真正适合，需要设计新的测量工具。老师告诉学生，在整个活动过程中将会给每组配备一个成年人，大人会时不时地对任务提出相关的问题，会和小组成员一起思考测量方案并挑选最佳方案进行测试。学生也被告知需要利用现有的材料来制作他们自己的工具。
课程结束后，学生需要按顺序排列出他们喜欢的任务。多年以来，参与活动指导的老师们发现，在活动中给学生适当的控制指导，可以激发他们的学习动机和学习欲望。一名学生在测量河的宽度时可能很享受使她的手被弄湿的状态，而另一名学生可能更喜欢在干的地面上沿着河岸测量河的长度。老师根据学生的不同情况，按照4～8人一组创建了3个小组，额外的成年人是从学习支持人员中招募的，允许各组的成年负责人带领该组成员一起工作。因为这个项目在年初进行，需要一些合作，我们发现招募那些协助过社会活动的人员参与，对我们的活动很有帮助。所有参与活动的协助人员，都明确了该项目所要达到的预期目标。
第二课：探索
在第二阶段，学生要对工程设计活动进行更为深入的研究。我们可以通过头脑风暴来让学生提出可行的测量方案，然后选择其中的一个思路进行更为详细的设计。在这个有趣的环节中，学生们都卷起他们的袖子，开始工作。每组的指导员向每组成员布置任务，即每组在活动介绍后需要上交4份文件：一是对要制作的工具的书面描述；二是对制作出来的工具如何使用进行画图并给出图解；三是对这个工具怎么运用的说明书；四是在活动中所用到的材料清单。具体的工作如写文件、创造性工作、供应物品等可以分配到个人，明确工作责任，或者是根据兴趣，由学生自愿承担。
随着每组学生开始专注于自己的测量工作，一些问题出现了。测量河的宽度的小组想出了一个方法，就是将一根绳子从河的一岸延伸到另一岸。另一小组想着能不能把船划到河的中间来测量河的深度，该组还讨论是否必须从河的中间来测量河的深度，以及从离河岸近的地方测量的结果是否会与从河中心测量的结果一样。随着问题的提出，老师和指导员一起指导学生去找其他学习资源，例如，对所处地点的图片进行更为细致的观察，就会发现有一座桥可以利用，通过这座桥可以到达河的中心和对岸。学生们高兴地将这些信息应用到他们的计划中。
这个活动与学科核心概念中的ETS1.B相关：设计可以通过画草图、绘画和制作物理模型来表达，这些工作在与其他人交流问题解决方案时是十分有用的。在学生介绍活动时，通过引导学生对文本材料进行回顾，能够帮助老师对学生做出合理的评价。在整个活動中，允许老师对进展慢的组提供帮助。 第三课：调查和解释
老师了解了每个小组提出的材料要求后，就可以带领学生到测量场地去设计、制作和测试工具。在动身前，我们向学生强调了哪些行为是允许的，哪些行为是不允许的，组织他们学习了安全条例，强调学生不能进到河里去。我们确保学生能够识别出长在测量场地附近的毒藤。我们要求学生去实地考察时要穿长裤长袜，以免皮肤暴露在外面。由于河流离学校近，老师们事前选出了一个安全的地方供学生使用，并对操作区域进行了安全检查。我们还准备了洗手液，学生在回学校前都要用温水和洗手液洗手。由于项目是进行实地考察，考虑到学生的年龄，我们挑选了一些家长担任每组的指导员。
在测量场地，每组成员回顾了他们的设计稿，并开始制作测量工具。在工作中，他们发现对水进行作业的特殊挑战出现了——探测河的宽度。一组学生在教室里，对一段绳子每隔一定距离做一个标记，他们发现，当标记变湿后，就会被水冲掉，他们最后通过给绳子打结的方式做标记来解决这个问题。测量深度的小组发现波浪使绳子动起来，松散的绳子在水下不停地浮动，老师记录下他们的讨论：
生1：看，它以对角线的方式移动，许多线要缠绕在一起了，我们需要一个浮标。
生2：可能什么东西阻塞了底部。
生3：可能它撞到鱼了……
最终，他们在河岸边找到重物，并尝试在绳子的底端绑上不同的重物，使绳子下沉。这个组的学生在讨论中，能够描述他们的观察，能够确认和解释问题，并能找出新的解决方案。
各组学生继续询问、思考和计划，他们一起动手操作，制作或改进工具，在这个过程中，他们学到很多。这种类型的活动和新一代科学课程标准中所倡导的科学工程实践的内涵是一致的，旨在引导学生相互合作、做好计划和实施调查，为解决一个问题收集数据、找出证据。这类活动的目标也是为了让学生在测试不同的材料过程中来分析数据，最后看看哪種材料的性质最能解决问题。
在这一阶段，成人指导员提出一个新的问题，即每组成员需要考虑如何记录测量的数据。这个活动的首要任务是工程设计，数据收集是测试部分的一个重要组成部分，测试记录可以成为小组工作的路线图，也是老师对学生的工作进行评估的一个重要依据。每个小组都需要思考一些主要问题：这个工具是如何工作的？对工具做了什么改变？工具的改变有没有解决问题？一个组尝试着运用两种不同的方法测量河流长度，结果得到了两种不同的结果。他们意识到这种差异是进行有效性设计的一个重要线索，是进一步工作需要考虑的。
第四课：阐释和评估
回到学校，学生们反思他们在河边的经历。一个组在他们的绳子上做标记时出现了问题，他们后来在图解中及时做了调整，并反思他们之前的选择，他们最后应用胶带替代以前的标记，这是他们在河边做出的决定。有些小组在更熟悉的地点伸展开他们的测量工具，来获得一个相对的大小（如相对于操场攀缘植物的大小等）。测量河流宽度的一个小组发现他们使用的绳子只能伸展到终点的一半，这条河远比他们预期的要大很多，他们很难安全地测量。他们经过讨论，决定把绳子均匀地四倍展开，确定了一个标准长度单位，然后补充说，最终的数据是测量数据的四倍。在反思阶段，每个组都和全班同学分享了他们的测量数据，教师鼓励学生向汇报的同学提出问题和建议。写作提示和科学笔记本在这个阶段可以融合进来。在我们的案例中，学生们都会呈现他们完成的项目报表，并与观察记录相结合。
学生的反思是老师评价学生在这次活动中的表现的一个重要依据。教师在组织学生反思的一张表格中问他们是如何改进工具的，一名学生写道：“除了尝试着把岩石绑在绳子上、用胶带绑等方法，我们还必须把它放在河水流动的地方。”这位学生记录了对工具做出的两次改变，并说明如何提高它们的有效性。另一名同学回答同样的问题是这样写的：“我们运用统计标志来代替胶带，以节约时间。”这名学生不仅描述了他们对工具做出的改变，还解释了为什么要做这样的改变。所有学生都积极参与了设计、测量、改进工具等活动。
尾声
我们告诉学生我们将要对河流的一部分绘制地图，因为有两个班的学生同时执行这项设计活动，所以学生就想把他们的测量结果和另一个班同学的测量结果做比较。通常，两个班测量的数据不会一样，这样，学生们就会反思他们设计制作的工具，能不能测出精确的数据来绘制地图。学生们会发现，有时工程师最初的认真努力并不一定能成功，有时甚至要做第二次尝试。在活动过程中，如果有一个科学家或其他专家来说说他（或她）自己的工作，这样就更完美了。有一年，我们十分有幸地邀请到一位制作与发射卫星的专家，他的工作是专门为世界上的许多公司提供图像数据。
这次活动的真正目的是向学生介绍一个5步工程设计过程，在本学年里，我们将使用这个工程设计过程，引导学生解决两个具有挑战性的设计。这个项目引起了学生对科学学习的兴趣，他们以合作的形式，通过自己的调查，为现实世界中的问题找到答案。他们收集数据，辨别重要信息，转变他们对事物的看法来获得新的视野和知识。在这个活动过程中，他们也运用了数学方法，并对地图的视觉呈现效果与真实场景之间的关系有了更为深入的理解。虽然我们的工作是有计划的，但有时也会出现混乱的局面，经过师生共同努力，我们可以积极地进行调整，获得一些满意的结果，这样的教学值得我们付出自己的努力。
（译者：高梦波 首都师范大学初等教育学院；校对：刘忠学 人民教育出版社综合理科室）
我们围绕当地的河流开发了一系列集科学、社会研究、数学和文学于一体的单元活动，并在收集学生有关河流问题的基础上开始本年度关于河流单元的学习。学生想知道的一些典型问题包括：河流的发源地在哪里？河流的尽头在哪里？河流在什么地方最靠近我们学校？这些问题引出了一个制图单元，成为我们第一次挑战工程设计的高潮：制作一种工具去测量河流的长度、宽度和深度。随着学生们的设计、构建和完善工具，他们会对这次挑战有更深的理解，也会在工程活动中获得收获。他们能够学习如何收集、分析和评估数据，也会对制作地图或对一个特殊位置的制图有更好的理解。这次设计挑战需要学生相互交流可测量是什么意思，我们鼓励他们思考：“对河流来说可测量意味什么？”这次探究活动还促进了学生间的团结合作，为这一年的实践探索打下了基础。
我们的活动主要由5个步骤组成。基于波士顿科学博物馆开发的工程课程是基础，通过4个课程，要求学生会问、大胆猜想、制订计划、制作及改进测量工具。这项工程活动达到了新一代科学课程标准中工程设计的要求：学生能够通过提出问题、观察、收集信息来展示自己对内容的理解。把工程里的要求与对河流的研究相结合，也能体现新一代科学课程标准里科学、工程和技术的相互依存的跨学科概念。这篇文章详细描述了我们开展了5年的活动，可以给科学教师开展此类活动提供一个参考案例。
确定地点
为了准备测量工具来进行设计挑战活动，学生们通常需要回顾有关地图的概念及画地图的一些技能。随着GPS和网络资源的使用日益广泛，学生们现在很少接触纸质版地图。在设计挑战任务时，我们设计课程来调动他们的已有知识，回顾之前学过的概念并向他们介绍一些新的词汇。学生们日常生活中会接触各种各样的地图，可以让他们比较不同类型的地图，如地形图和空间图。学生通过阅读《绘制一分钱的世界》来复习地图规则。他们也成为制图员，与搭档合作绘制教室的俯瞰图。
我们向学生介绍了互动的技巧后，在单元设计中增加了一个新的活动——使用平板电脑，学生利用平板电脑访问波士顿的图书馆网站，通过网站，能够看到我们的河流在1900年的鸟瞰图。学生对弯曲的河流形状做注解，并学会了一个新词——蜿蜒。这个网站有一个放大功能，学生可以对地图上的一个小位置放大，进行更为细致的观察。学生们十分激动，都想从这个地图上找出学校的所在位置。他们还对制图时把什么放进地图里、什么在地图里应该省略进行了讨论。学生们很好奇：在那个年代，谷歌地球和飞机都还没有发明，地图是怎么制作的呢？
第一课：引发兴趣
完成了复习课程后，我们就可以向学生介绍工程设计活动了。首先，告诉学生我们将要去学校附近的河流边制作一幅地图，引发他们的兴趣。为了制作地图，需要测量这条河流的大小，我们让学生知道将会把他们分为3个小组来开展测量工作。然后，我们向学生介绍新词汇（长度、宽度和深度），用来描述河流大小。
第一小组测量河流的长度，第二小组测量河流的深度，第三小组测量河流的宽度。我们提供一些常用的测量工具供学生挑选，大家讨论了使用尺子、米尺及一些测量方法收集数据的优缺点。通过讨论，学生明白了没有哪件工具真正适合，需要设计新的测量工具。老师告诉学生，在整个活动过程中将会给每组配备一个成年人，大人会时不时地对任务提出相关的问题，会和小组成员一起思考测量方案并挑选最佳方案进行测试。学生也被告知需要利用现有的材料来制作他们自己的工具。
课程结束后，学生需要按顺序排列出他们喜欢的任务。多年以来，参与活动指导的老师们发现，在活动中给学生适当的控制指导，可以激发他们的学习动机和学习欲望。一名学生在测量河的宽度时可能很享受使她的手被弄湿的状态，而另一名学生可能更喜欢在干的地面上沿着河岸测量河的长度。老师根据学生的不同情况，按照4～8人一组创建了3个小组，额外的成年人是从学习支持人员中招募的，允许各组的成年负责人带领该组成员一起工作。因为这个项目在年初进行，需要一些合作，我们发现招募那些协助过社会活动的人员参与，对我们的活动很有帮助。所有参与活动的协助人员，都明确了该项目所要达到的预期目标。
第二课：探索
在第二阶段，学生要对工程设计活动进行更为深入的研究。我们可以通过头脑风暴来让学生提出可行的测量方案，然后选择其中的一个思路进行更为详细的设计。在这个有趣的环节中，学生们都卷起他们的袖子，开始工作。每组的指导员向每组成员布置任务，即每组在活动介绍后需要上交4份文件：一是对要制作的工具的书面描述；二是对制作出来的工具如何使用进行画图并给出图解；三是对这个工具怎么运用的说明书；四是在活动中所用到的材料清单。具体的工作如写文件、创造性工作、供应物品等可以分配到个人，明确工作责任，或者是根据兴趣，由学生自愿承担。
随着每组学生开始专注于自己的测量工作，一些问题出现了。测量河的宽度的小组想出了一个方法，就是将一根绳子从河的一岸延伸到另一岸。另一小组想着能不能把船划到河的中间来测量河的深度，该组还讨论是否必须从河的中间来测量河的深度，以及从离河岸近的地方测量的结果是否会与从河中心测量的结果一样。随着问题的提出，老师和指导员一起指导学生去找其他学习资源，例如，对所处地点的图片进行更为细致的观察，就会发现有一座桥可以利用，通过这座桥可以到达河的中心和对岸。学生们高兴地将这些信息应用到他们的计划中。
这个活动与学科核心概念中的ETS1.B相关：设计可以通过画草图、绘画和制作物理模型来表达，这些工作在与其他人交流问题解决方案时是十分有用的。在学生介绍活动时，通过引导学生对文本材料进行回顾，能够帮助老师对学生做出合理的评价。在整个活動中，允许老师对进展慢的组提供帮助。 第三课：调查和解释
老师了解了每个小组提出的材料要求后，就可以带领学生到测量场地去设计、制作和测试工具。在动身前，我们向学生强调了哪些行为是允许的，哪些行为是不允许的，组织他们学习了安全条例，强调学生不能进到河里去。我们确保学生能够识别出长在测量场地附近的毒藤。我们要求学生去实地考察时要穿长裤长袜，以免皮肤暴露在外面。由于河流离学校近，老师们事前选出了一个安全的地方供学生使用，并对操作区域进行了安全检查。我们还准备了洗手液，学生在回学校前都要用温水和洗手液洗手。由于项目是进行实地考察，考虑到学生的年龄，我们挑选了一些家长担任每组的指导员。
在测量场地，每组成员回顾了他们的设计稿，并开始制作测量工具。在工作中，他们发现对水进行作业的特殊挑战出现了——探测河的宽度。一组学生在教室里，对一段绳子每隔一定距离做一个标记，他们发现，当标记变湿后，就会被水冲掉，他们最后通过给绳子打结的方式做标记来解决这个问题。测量深度的小组发现波浪使绳子动起来，松散的绳子在水下不停地浮动，老师记录下他们的讨论：
生1：看，它以对角线的方式移动，许多线要缠绕在一起了，我们需要一个浮标。
生2：可能什么东西阻塞了底部。
生3：可能它撞到鱼了……
最终，他们在河岸边找到重物，并尝试在绳子的底端绑上不同的重物，使绳子下沉。这个组的学生在讨论中，能够描述他们的观察，能够确认和解释问题，并能找出新的解决方案。
各组学生继续询问、思考和计划，他们一起动手操作，制作或改进工具，在这个过程中，他们学到很多。这种类型的活动和新一代科学课程标准中所倡导的科学工程实践的内涵是一致的，旨在引导学生相互合作、做好计划和实施调查，为解决一个问题收集数据、找出证据。这类活动的目标也是为了让学生在测试不同的材料过程中来分析数据，最后看看哪種材料的性质最能解决问题。
在这一阶段，成人指导员提出一个新的问题，即每组成员需要考虑如何记录测量的数据。这个活动的首要任务是工程设计，数据收集是测试部分的一个重要组成部分，测试记录可以成为小组工作的路线图，也是老师对学生的工作进行评估的一个重要依据。每个小组都需要思考一些主要问题：这个工具是如何工作的？对工具做了什么改变？工具的改变有没有解决问题？一个组尝试着运用两种不同的方法测量河流长度，结果得到了两种不同的结果。他们意识到这种差异是进行有效性设计的一个重要线索，是进一步工作需要考虑的。
第四课：阐释和评估
回到学校，学生们反思他们在河边的经历。一个组在他们的绳子上做标记时出现了问题，他们后来在图解中及时做了调整，并反思他们之前的选择，他们最后应用胶带替代以前的标记，这是他们在河边做出的决定。有些小组在更熟悉的地点伸展开他们的测量工具，来获得一个相对的大小（如相对于操场攀缘植物的大小等）。测量河流宽度的一个小组发现他们使用的绳子只能伸展到终点的一半，这条河远比他们预期的要大很多，他们很难安全地测量。他们经过讨论，决定把绳子均匀地四倍展开，确定了一个标准长度单位，然后补充说，最终的数据是测量数据的四倍。在反思阶段，每个组都和全班同学分享了他们的测量数据，教师鼓励学生向汇报的同学提出问题和建议。写作提示和科学笔记本在这个阶段可以融合进来。在我们的案例中，学生们都会呈现他们完成的项目报表，并与观察记录相结合。
学生的反思是老师评价学生在这次活动中的表现的一个重要依据。教师在组织学生反思的一张表格中问他们是如何改进工具的，一名学生写道：“除了尝试着把岩石绑在绳子上、用胶带绑等方法，我们还必须把它放在河水流动的地方。”这位学生记录了对工具做出的两次改变，并说明如何提高它们的有效性。另一名同学回答同样的问题是这样写的：“我们运用统计标志来代替胶带，以节约时间。”这名学生不仅描述了他们对工具做出的改变，还解释了为什么要做这样的改变。所有学生都积极参与了设计、测量、改进工具等活动。
尾声
我们告诉学生我们将要对河流的一部分绘制地图，因为有两个班的学生同时执行这项设计活动，所以学生就想把他们的测量结果和另一个班同学的测量结果做比较。通常，两个班测量的数据不会一样，这样，学生们就会反思他们设计制作的工具，能不能测出精确的数据来绘制地图。学生们会发现，有时工程师最初的认真努力并不一定能成功，有时甚至要做第二次尝试。在活动过程中，如果有一个科学家或其他专家来说说他（或她）自己的工作，这样就更完美了。有一年，我们十分有幸地邀请到一位制作与发射卫星的专家，他的工作是专门为世界上的许多公司提供图像数据。
这次活动的真正目的是向学生介绍一个5步工程设计过程，在本学年里，我们将使用这个工程设计过程，引导学生解决两个具有挑战性的设计。这个项目引起了学生对科学学习的兴趣，他们以合作的形式，通过自己的调查，为现实世界中的问题找到答案。他们收集数据，辨别重要信息，转变他们对事物的看法来获得新的视野和知识。在这个活动过程中，他们也运用了数学方法，并对地图的视觉呈现效果与真实场景之间的关系有了更为深入的理解。虽然我们的工作是有计划的，但有时也会出现混乱的局面，经过师生共同努力，我们可以积极地进行调整，获得一些满意的结果，这样的教学值得我们付出自己的努力。
（译者：高梦波 首都师范大学初等教育学院；校对：刘忠学 人民教育出版社综合理科室）