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【摘要】工程技术的关键是设计，工程是运用科学和技术进行设计、解决实际问题和制造产品的活动。本课例的开发目的在于引导学生从生活中遇到的实际问题出发，将科学原理与技术进行巧妙的融合，引导学生在头脑中的表象运作指导下完成手眼协调的操作过程。
【关键词工程技术 便携式干鞋器
【中图分类号】G623 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2020）09-0250-02
本课选自教科版《科学》四年级下册第一单元《电》最后一课。
从认识论角度来看本课：以学生在户外运动时遇到的真实问题（唯一携带的鞋被弄湿，需要快速干鞋）引入，通过对市售干鞋器（电热干鞋器）的调研——安全性、速干性和便携性都无法满足消费者的需求，从而产生发明一个新型便携干鞋器的需求。支撑这项发明的科学原理正是学生们所学习的关于加速水份蒸发的知识，以及电路连接方法的应用。在这个过程中学生的认识实现了两次倒转，第一次是利用已有生活经验解决生活问题的倒转（在户外如何解决快速干鞋），第二次倒转是利用已有知识去设计制作技术实物的倒转（水份蒸发和电路连接的综合应用设计制作便携式干鞋器）。经历了两次倒转后，学生的已有经验和知识均被唤醒，真正实现了科学原理和技术发明的链接。
从方法论角度来看本课：技术的对象是客观实体，是在对客观实体认识的基础上，对各种实体的表象进行组合改造。本课由加速蒸发的方法（加热、风吹、干燥空气）之——风吹法为突破口，引导学生深入讨论影响风吹法速干鞋子的影響因素（风速、蒸发面积、通风环境），基于此打开设计思路，对各种开放性材料进行改造和重组最终达成速干、便携目标。在这个过程中学生既经历了对便携式干鞋器结构的设计也经历了对技术实物加工流程的设计，形象思维方法贯穿设计过程始终。
一、教学背景分析
1.课标分析
2017版《小学科学课程标准》关于科学、技术和工程的关系是这样描述的：工程技术的关键是设计，工程是运用科学和技术进行设计、解决实际问题和制造产品的活动。其中，明确指出3-4年级学生所要达成的学习目标是知道工程设计的基本步骤包括明确问题、确定方案、设计制作、改进完善等。针对一个具体的任务，按照设计的基本步骤来设计一个产品或完成指定的任务。对自己或他人设计的想法、草图、模型等提出改进建议，并说明理由。
2.教材分析
本课的设计源于学生生活情境中遇到的实际问题（如何在户外实现快速干鞋），需要学生综合应用蒸发（加速水分蒸发的方法：加热、风吹、干燥空气）和电路（串并联电路的特点和连接方式）的科学原理来解决。因此，将本课安排在学生学习了三（下）《水和水蒸气》、四（下）《不一样的电路连接》后，于教材四（下）《电》单元最后一课教授。
3.学情分析
本课重点关注通过对学生技术教育因素的培养提升学生问题的解决能力。为了解学生真实的认知水平，教师课前做了调查、访谈：
知识基础：通过三（下）《温度与水的变化》单元的学习，学生能够说出加快水蒸发的方法。通过四（下）《电》单元的学习，能够区别串联和并联电路是两种不同的电路连接方法。但这些知识大部分是零散的，在遇到实际问题时，学生缺乏对所学科学原理的整合，缺乏综合运用知识解决实际问题的能力。
设计基础：由于“工程与技术”领域在新课标颁布之前一直没有涉及，学生缺乏设计方面的经验：空间想象能力不足，头脑中构思的技术实物不能很好的转化为设计图，导致依图制作时图物不符;设计方面没有全局观念，只关注技术物（干鞋器）的局部结构，不能整体考虑技术物的功能，导致设计制作的技术物功能性和稳定性都不能达到理想的效果。
制作基础：本次教学中使用的材料和工具虽然大都是生活中常见的，但是学生在选择恰当的工具对材料进行加工以解决生活实际问题的经验相对不足。
二、教学目标及重点、难点
科学知识目标：综合运用水的蒸发、电路连接等方面知识，设计制作便携式干鞋器;了解干鞋器的各部分组成及作用;在设计过程中了解简单结构设计应考虑的主要因素;在制作过程中体会工具的使用技巧，探寻使作品符合要求的有效方法。
科学探究目标：通过设计制作便携式干鞋器的活动，尝试将所学的科学知识与实际问题相结合，提高动手操作能力及分析问题、解决问题的能力和创造能力。
科学态度目标：经历设计制作便携式干鞋器的过程，体验这一过程中遇到的困难，感受解决问题之后获得的喜悦。
科学、技术、社会与环境目标：了解并意识到人类对产品的改进以适应自己不断增加的需求;了解人类的需求是影响科学技术发展的关键因素。
教学重点：设计制作便携式干鞋器
教学难点：有目的地进行设计，能根据设计图的信息，合理选择材料与工具，并在制作过程中发现问题及时调整与修改设计图。
三、教学过程设计及评析
（一）聚焦问题
近几年有一项运动特别火爆——户外徒步，在享受运动快乐的同时也难免遇上这样的尴尬（出示PPT：你的旅行箱里唯一的鞋被弄湿了），通常你们是怎么处理的？
在解决户外快速干鞋的问题时，你们觉得哪种方法更实用更可行呢？（头脑风暴产生可行的解决方案）
如何利用风吹法设计制作一款便携式干鞋器？这节课，我们一起设计制作一款便携式干鞋器。（板书：设计制作便携干鞋器）
【设计意图】从认识论看，技术是满足某种需求符合技术目的的操作流程形式。表现在设计制造过程是由需求出发，从而产生技术目标（观念中的技术物）。教师以户外徒步这样一个学生们熟悉的生活场景引入，以弄湿鞋子后解决快速干鞋的问题聚焦，更容易唤醒学生已有生活经验解决问题。
（二）引导设计
1.确认约束条件 （1）利用风吹法干鞋，它的效果可能受哪些因素的影响？
（2）哪些材料的设计可以增大风速？哪些材料的设计更利于增大蒸发面积？（PPT出示材料及工具，学生根据实际需要进行选择）
（3）提出作品要求：速干、便携。
2.设计草图
（1）教师展示自己设计的干鞋器。在同学们设计之前，杨老师也想全方位展示一下自己的作品，同学们看看我的设计能否达成速干、便携的目标。（生1：干鞋器设计得太大，不便携。生2：风扇的角度设计的不合理，只能吹到鞋子的侧面，吹不到鞋里）
如何在你们的设计中突破这些设计缺陷呢？
（2）小组讨论，确定最佳方案;完成设计草图的绘制，尝试描述设计思路。（学生认识上的第二次倒转）
从第一组学生的设计图中可以看出，学生的设计具有干鞋器的基本结构（风扇安装面板、支架、供电装置），但受鞋盒子的影响学生把干鞋器设计成全封闭的，使湿的鞋子处于一个不通风的环境中，这样的设计实际上不利于速干目标的达成，因此在评价时教师需要引导学生对全封闭干鞋器的设计展开讨论并提出改进建议。
第二组学生的设计就更加趋于合理，有意识的对风扇吹鞋子的角度（通过增大蒸发面积加速水份蒸发）进行了设计，还兼顾了吹干袜子的功能。但是学生的初步设计都没有考虑到便携性，需要在汇报交流环节通过评价的方式改进设计。
通过本环节发现学生之间的设计还是有差异的，因此自然过渡到下面环节：评价改进本组设计。
（3）评价改进设计图（学生经历对干鞋器结构设计）
以组为单位向其他同学介绍本组的设计，在观察和交流的基礎上，对他人的想法、草图等提出自己的意见和建议，并能取长补短，有针对性的对自己的设计进行改进。
从改进后的设计图中可以看出，学生不仅关注到影响速干效果的各个因素（风速、蒸发面积、通），还能通过可折叠和支架拼插的结构设计来解决便携的问题
【设计意图】本课所体现的技术类型属于科学原理应用的技术，体现科学原理对技术产品生产的指导作用。此环节属于原理设计部分，教师引导学生回顾水的蒸发和简单电路串、并联方法及原理，让学生综合运用已有的科学知识解决真实生活问题（如何设计便携式干鞋器的结构以实现速干、便携功能）。
（三）组织制作
1.引导学生进行制作前的思考（学生经历对干鞋器制作流程设计）
①制作干鞋器的面板（考虑鞋的尺码、干鞋的数量、风扇大小进行裁剪）②制作干鞋器的支架（考虑鞋面的高度、吹鞋的角度、通风、可否折叠）③粘合面板与支架④并联风扇⑤安转风扇⑥测试
2.以小组为单位展开制作，制作过程中发现设计中不完善的地方，及时修改设计方案。教师深入各组巡视，进行基本技法的讲解，发现问题及时纠正与探讨，做必要的指导。
【设计意图】按照设计进行加工的过程，从人类技术化历程看，至少经历了两个发展阶段：一是以技巧为核心的动作技能阶段;二是以设计为核心的智能技术阶段。技术教育的过程体现在心智技能与动作技能结合的技术物设计制作过程。从方法论看，技术制作是头脑中的表象运作指导下手眼协调的操作过程。
（四）展示评价
师：一项伟大的发明即将在我们课堂上诞生了，你们的作品如何打动在座的各位同学和老师，下面就请第一个设计师团队登场。
1.以小组为单位进行作品展示，向其他同学介绍本组作品的功能、特色及创造性，也可介绍制作中遇到什么困难，是怎样克服的，整个制作过程中有什么收获、体会和感受等。
2.教师和学生共同对操作过程和作品质量进行评价，最后学生根据评价指标对自己的作品进行打分。
【设计意图】通过结构设计与流程设计思路的的分享，初步建立设计思维模式;通过作品的展示与评价渗透工程设计批判性解决实际问题的思维方式。本环节引导学生通过合理的流程设计和工具使用解决实际问题（如何在有限的时间依图完成便携式干鞋器的制作）。经历平面思维向立体思维的转变，体验简单创意转化为技术实物的过程。
（五）拓展延伸
今天，我们经历了设计制作便携式干鞋器过程，下节课我们将继续对作品的实际干鞋效果进行测试，关于测试方法你们有什么想法？（生1：称重比较干鞋器使用前后的效果;生2：在鞋表面画上格子，计算格数比较）
【设计意图】引导学生理解执行制作过程中及完成后有必要对产品进行机能测试与调整。
四、教学反思
1.通过科学与技术工程问题的有效结合，帮助学生将零碎的知识转变成有效解决实际问题的知识体系。
科学问题源于自然，源于对某一现象的疑问，如水在什么条件下会变成水蒸气？技术工程学则源于需要解决的某个问题，例如怎样让鞋子速干？这两个貌似不相同的问题，其本质却都是水的三态变化问题。本课的教学不是简单地将科学与技术工程组合起来，而是以设计制作便携式干鞋器这个活动为载体，把学生的零碎知识与机械学习过程转变成一个探究世界相互联系的过程。
2.关注对学生设计思维能力的培养。
在设计制作便携式干鞋器的实践活动中，学生经历了两次设计：结构设计与制作流程设计。通过学生认识上的两次倒转达成了对便携式干鞋器结构的设计（结构的设计：首先，不同性质的技术物需要不同的材料。其次，材料的形状和各种形状的材料构建起结构并实现技术物的功能。最后，技术物的工作或驱动需要动力，本课主要是电力）。在团队的协作中体验制作流程的设计（①制作干鞋器的面板②制作干鞋器的支架③粘合面板与支架④并联风扇⑤安转风扇⑥测试）。综上，学生在设计干鞋器的过程中始终在权衡与对比中达成对问题的最佳解决路径，进而丰富和完善自身的设计思维层次;通过对对设计自身的不断颠覆与重构以促进思维的发展。
3.学生的技术体验遵从技术产品的生产过程。
技术产品产生的全过程是依目的进行产品结构设计与生产流程设计，根据设计生产出产品，通过试验进行评估与改进，再通过产品的应用或使用，对产品的功能、效果进行评价 。 不同于以往对成熟技术产品的模仿，便携式干鞋器的选题因学生实际生活的需要而产生，是一个能够解决真实生活问题的技术产品。从最初的创意到结构的设计，从结构的设计到加工流程的设计，从设计转化为技术产品，最后进行测试评价。学生的技术体验完全沉浸在真实技术产品生产的氛围中。
【关键词工程技术 便携式干鞋器
【中图分类号】G623 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2020）09-0250-02
本课选自教科版《科学》四年级下册第一单元《电》最后一课。
从认识论角度来看本课：以学生在户外运动时遇到的真实问题（唯一携带的鞋被弄湿，需要快速干鞋）引入，通过对市售干鞋器（电热干鞋器）的调研——安全性、速干性和便携性都无法满足消费者的需求，从而产生发明一个新型便携干鞋器的需求。支撑这项发明的科学原理正是学生们所学习的关于加速水份蒸发的知识，以及电路连接方法的应用。在这个过程中学生的认识实现了两次倒转，第一次是利用已有生活经验解决生活问题的倒转（在户外如何解决快速干鞋），第二次倒转是利用已有知识去设计制作技术实物的倒转（水份蒸发和电路连接的综合应用设计制作便携式干鞋器）。经历了两次倒转后，学生的已有经验和知识均被唤醒，真正实现了科学原理和技术发明的链接。
从方法论角度来看本课：技术的对象是客观实体，是在对客观实体认识的基础上，对各种实体的表象进行组合改造。本课由加速蒸发的方法（加热、风吹、干燥空气）之——风吹法为突破口，引导学生深入讨论影响风吹法速干鞋子的影響因素（风速、蒸发面积、通风环境），基于此打开设计思路，对各种开放性材料进行改造和重组最终达成速干、便携目标。在这个过程中学生既经历了对便携式干鞋器结构的设计也经历了对技术实物加工流程的设计，形象思维方法贯穿设计过程始终。
一、教学背景分析
1.课标分析
2017版《小学科学课程标准》关于科学、技术和工程的关系是这样描述的：工程技术的关键是设计，工程是运用科学和技术进行设计、解决实际问题和制造产品的活动。其中，明确指出3-4年级学生所要达成的学习目标是知道工程设计的基本步骤包括明确问题、确定方案、设计制作、改进完善等。针对一个具体的任务，按照设计的基本步骤来设计一个产品或完成指定的任务。对自己或他人设计的想法、草图、模型等提出改进建议，并说明理由。
2.教材分析
本课的设计源于学生生活情境中遇到的实际问题（如何在户外实现快速干鞋），需要学生综合应用蒸发（加速水分蒸发的方法：加热、风吹、干燥空气）和电路（串并联电路的特点和连接方式）的科学原理来解决。因此，将本课安排在学生学习了三（下）《水和水蒸气》、四（下）《不一样的电路连接》后，于教材四（下）《电》单元最后一课教授。
3.学情分析
本课重点关注通过对学生技术教育因素的培养提升学生问题的解决能力。为了解学生真实的认知水平，教师课前做了调查、访谈：
知识基础：通过三（下）《温度与水的变化》单元的学习，学生能够说出加快水蒸发的方法。通过四（下）《电》单元的学习，能够区别串联和并联电路是两种不同的电路连接方法。但这些知识大部分是零散的，在遇到实际问题时，学生缺乏对所学科学原理的整合，缺乏综合运用知识解决实际问题的能力。
设计基础：由于“工程与技术”领域在新课标颁布之前一直没有涉及，学生缺乏设计方面的经验：空间想象能力不足，头脑中构思的技术实物不能很好的转化为设计图，导致依图制作时图物不符;设计方面没有全局观念，只关注技术物（干鞋器）的局部结构，不能整体考虑技术物的功能，导致设计制作的技术物功能性和稳定性都不能达到理想的效果。
制作基础：本次教学中使用的材料和工具虽然大都是生活中常见的，但是学生在选择恰当的工具对材料进行加工以解决生活实际问题的经验相对不足。
二、教学目标及重点、难点
科学知识目标：综合运用水的蒸发、电路连接等方面知识，设计制作便携式干鞋器;了解干鞋器的各部分组成及作用;在设计过程中了解简单结构设计应考虑的主要因素;在制作过程中体会工具的使用技巧，探寻使作品符合要求的有效方法。
科学探究目标：通过设计制作便携式干鞋器的活动，尝试将所学的科学知识与实际问题相结合，提高动手操作能力及分析问题、解决问题的能力和创造能力。
科学态度目标：经历设计制作便携式干鞋器的过程，体验这一过程中遇到的困难，感受解决问题之后获得的喜悦。
科学、技术、社会与环境目标：了解并意识到人类对产品的改进以适应自己不断增加的需求;了解人类的需求是影响科学技术发展的关键因素。
教学重点：设计制作便携式干鞋器
教学难点：有目的地进行设计，能根据设计图的信息，合理选择材料与工具，并在制作过程中发现问题及时调整与修改设计图。
三、教学过程设计及评析
（一）聚焦问题
近几年有一项运动特别火爆——户外徒步，在享受运动快乐的同时也难免遇上这样的尴尬（出示PPT：你的旅行箱里唯一的鞋被弄湿了），通常你们是怎么处理的？
在解决户外快速干鞋的问题时，你们觉得哪种方法更实用更可行呢？（头脑风暴产生可行的解决方案）
如何利用风吹法设计制作一款便携式干鞋器？这节课，我们一起设计制作一款便携式干鞋器。（板书：设计制作便携干鞋器）
【设计意图】从认识论看，技术是满足某种需求符合技术目的的操作流程形式。表现在设计制造过程是由需求出发，从而产生技术目标（观念中的技术物）。教师以户外徒步这样一个学生们熟悉的生活场景引入，以弄湿鞋子后解决快速干鞋的问题聚焦，更容易唤醒学生已有生活经验解决问题。
（二）引导设计
1.确认约束条件 （1）利用风吹法干鞋，它的效果可能受哪些因素的影响？
（2）哪些材料的设计可以增大风速？哪些材料的设计更利于增大蒸发面积？（PPT出示材料及工具，学生根据实际需要进行选择）
（3）提出作品要求：速干、便携。
2.设计草图
（1）教师展示自己设计的干鞋器。在同学们设计之前，杨老师也想全方位展示一下自己的作品，同学们看看我的设计能否达成速干、便携的目标。（生1：干鞋器设计得太大，不便携。生2：风扇的角度设计的不合理，只能吹到鞋子的侧面，吹不到鞋里）
如何在你们的设计中突破这些设计缺陷呢？
（2）小组讨论，确定最佳方案;完成设计草图的绘制，尝试描述设计思路。（学生认识上的第二次倒转）
从第一组学生的设计图中可以看出，学生的设计具有干鞋器的基本结构（风扇安装面板、支架、供电装置），但受鞋盒子的影响学生把干鞋器设计成全封闭的，使湿的鞋子处于一个不通风的环境中，这样的设计实际上不利于速干目标的达成，因此在评价时教师需要引导学生对全封闭干鞋器的设计展开讨论并提出改进建议。
第二组学生的设计就更加趋于合理，有意识的对风扇吹鞋子的角度（通过增大蒸发面积加速水份蒸发）进行了设计，还兼顾了吹干袜子的功能。但是学生的初步设计都没有考虑到便携性，需要在汇报交流环节通过评价的方式改进设计。
通过本环节发现学生之间的设计还是有差异的，因此自然过渡到下面环节：评价改进本组设计。
（3）评价改进设计图（学生经历对干鞋器结构设计）
以组为单位向其他同学介绍本组的设计，在观察和交流的基礎上，对他人的想法、草图等提出自己的意见和建议，并能取长补短，有针对性的对自己的设计进行改进。
从改进后的设计图中可以看出，学生不仅关注到影响速干效果的各个因素（风速、蒸发面积、通），还能通过可折叠和支架拼插的结构设计来解决便携的问题
【设计意图】本课所体现的技术类型属于科学原理应用的技术，体现科学原理对技术产品生产的指导作用。此环节属于原理设计部分，教师引导学生回顾水的蒸发和简单电路串、并联方法及原理，让学生综合运用已有的科学知识解决真实生活问题（如何设计便携式干鞋器的结构以实现速干、便携功能）。
（三）组织制作
1.引导学生进行制作前的思考（学生经历对干鞋器制作流程设计）
①制作干鞋器的面板（考虑鞋的尺码、干鞋的数量、风扇大小进行裁剪）②制作干鞋器的支架（考虑鞋面的高度、吹鞋的角度、通风、可否折叠）③粘合面板与支架④并联风扇⑤安转风扇⑥测试
2.以小组为单位展开制作，制作过程中发现设计中不完善的地方，及时修改设计方案。教师深入各组巡视，进行基本技法的讲解，发现问题及时纠正与探讨，做必要的指导。
【设计意图】按照设计进行加工的过程，从人类技术化历程看，至少经历了两个发展阶段：一是以技巧为核心的动作技能阶段;二是以设计为核心的智能技术阶段。技术教育的过程体现在心智技能与动作技能结合的技术物设计制作过程。从方法论看，技术制作是头脑中的表象运作指导下手眼协调的操作过程。
（四）展示评价
师：一项伟大的发明即将在我们课堂上诞生了，你们的作品如何打动在座的各位同学和老师，下面就请第一个设计师团队登场。
1.以小组为单位进行作品展示，向其他同学介绍本组作品的功能、特色及创造性，也可介绍制作中遇到什么困难，是怎样克服的，整个制作过程中有什么收获、体会和感受等。
2.教师和学生共同对操作过程和作品质量进行评价，最后学生根据评价指标对自己的作品进行打分。
【设计意图】通过结构设计与流程设计思路的的分享，初步建立设计思维模式;通过作品的展示与评价渗透工程设计批判性解决实际问题的思维方式。本环节引导学生通过合理的流程设计和工具使用解决实际问题（如何在有限的时间依图完成便携式干鞋器的制作）。经历平面思维向立体思维的转变，体验简单创意转化为技术实物的过程。
（五）拓展延伸
今天，我们经历了设计制作便携式干鞋器过程，下节课我们将继续对作品的实际干鞋效果进行测试，关于测试方法你们有什么想法？（生1：称重比较干鞋器使用前后的效果;生2：在鞋表面画上格子，计算格数比较）
【设计意图】引导学生理解执行制作过程中及完成后有必要对产品进行机能测试与调整。
四、教学反思
1.通过科学与技术工程问题的有效结合，帮助学生将零碎的知识转变成有效解决实际问题的知识体系。
科学问题源于自然，源于对某一现象的疑问，如水在什么条件下会变成水蒸气？技术工程学则源于需要解决的某个问题，例如怎样让鞋子速干？这两个貌似不相同的问题，其本质却都是水的三态变化问题。本课的教学不是简单地将科学与技术工程组合起来，而是以设计制作便携式干鞋器这个活动为载体，把学生的零碎知识与机械学习过程转变成一个探究世界相互联系的过程。
2.关注对学生设计思维能力的培养。
在设计制作便携式干鞋器的实践活动中，学生经历了两次设计：结构设计与制作流程设计。通过学生认识上的两次倒转达成了对便携式干鞋器结构的设计（结构的设计：首先，不同性质的技术物需要不同的材料。其次，材料的形状和各种形状的材料构建起结构并实现技术物的功能。最后，技术物的工作或驱动需要动力，本课主要是电力）。在团队的协作中体验制作流程的设计（①制作干鞋器的面板②制作干鞋器的支架③粘合面板与支架④并联风扇⑤安转风扇⑥测试）。综上，学生在设计干鞋器的过程中始终在权衡与对比中达成对问题的最佳解决路径，进而丰富和完善自身的设计思维层次;通过对对设计自身的不断颠覆与重构以促进思维的发展。
3.学生的技术体验遵从技术产品的生产过程。
技术产品产生的全过程是依目的进行产品结构设计与生产流程设计，根据设计生产出产品，通过试验进行评估与改进，再通过产品的应用或使用，对产品的功能、效果进行评价 。 不同于以往对成熟技术产品的模仿，便携式干鞋器的选题因学生实际生活的需要而产生，是一个能够解决真实生活问题的技术产品。从最初的创意到结构的设计，从结构的设计到加工流程的设计，从设计转化为技术产品，最后进行测试评价。学生的技术体验完全沉浸在真实技术产品生产的氛围中。