【逆向设计+项目式学习】小学科学 | 基于项目式学习的小学科学工程思维培养路径探索

[摘要]如何将“项目式学习”“工程思维”“跨学科融合”等宏观理念转化为教师可理解、可操作的课堂教学实践，是当前深化科技教育教学改革的关键。本文以安徽省“教研江淮行—皖美课堂”小学科学展示课《云腾致雨—搭建降雨模型》为个案，通过深入剖析课堂教学实施全过程，系统阐述了该课教学设计依据、教学开展过程，在此基础上进一步提炼出具有普适性的教研实施框架，并针对不同办学条件的学校提出了分层实施建议与区域教研推进策略。

[关键词]科技教育；项目式学习；工程思维；逆向设计；教研路径

2025年11月，教育部等七部门联合印发的《关于加强中小学科技教育的意见》(以下简称《意见》)在基础教育领域成为关注的焦点。这份文件不仅仅是方向性的倡导，更对课堂教学提出了具体、明确的新要求，如采用项目学习、问题探究、任务驱动等方式，建设开放融合的课程生态。许多教师在研读文件后既感振奋，也产生了困惑：这些新理念如何在课堂中实现？特别是对于科学、综合实践等学科教师，如何在有限的课时和现有条件下，让“像科学家一样思考，像工程师一样设计”不只是口号，而是学生真实的学习体验？这种从理念到实践的“最后一公里”问题，正是当前深化科技教育教学改革的关键。本文通过解剖一只“麻雀”—安徽省“皖美课堂”小学科学展示课例《云腾致雨一搭建降雨模型》(以下简称《云腾致雨》），完整展示如何将《意见》中的宏观要求，一步步转化为一节真实、生动、有效的科学课堂教学来回答这个问题，以为教师提供可借鉴的设计思路和实施步骤，以及教研启示。

很多教师在备课时常问的第一个问题是：“这节课我要教什么？”而《云腾致雨》的教学团队首先问的是：“根据《意见》要求，学生上完这节课后应该获得什么？”这种从学习终点出发的“逆向设计”，是对接国家政策的起点。其具体做法如下。

教学设计团队首先对《意见》进行“解码”，明确课堂教学核心要求。

学习方式上，采用项目学习、问题探究、任务驱动；能力培养上，着重培养学生面向真实世界的科技工程问题解决能力以及系统性思维和迭代优化思维：

知识形态上，建设开放融合的课程生态；价值导向上，兼顾科技教育与人文教育的协同发展。

基于政策层面对课堂教学提出的基本要求，教学设计团队将这些政策语言“翻译”成本节课具体、可观测的学习目标。

传统目标以知识为本位，即学生能说出水的三态变化过程。新目标以素养为本位：学生能像气象顾问一样，为一场赛事提供基于证据的天气决策建议；能像工程师一样，通过设计、制作、测试、改进一个降雨模型来验证自己的想法；能在这一过程中综合运用科学、技术、数学等多学科知识，初步思考科技应用的社会影响。

这个转化过程至关重要。它意味着课堂的重心从“教师讲明白一个知识点”转至“学生完成一个有意义的任务并在过程中发展能力”。

有了清晰的目标，就需要一个能承载并实现目标的“大任务”。设计团队根据新闻消息创设了真实任务情境：“某市即将举办一场重要的马拉松比赛，天气预报显示比赛日降雨概率高达70%。组委会需要科学的决策建议，他们找到了我们班的小小科学家们。”

这个任务情境的巧妙之处在于：

真实性：大型活动受天气困扰是常见问题，学生能理解其意义。

挑战性：70%的概率不等于一定下雨，决策需要科学依据而非猜测。

开放性：没有唯一正确答案，鼓励多种解决方案和证据支撑。

角色感：学生变身为“顾问”，学习有了真实的服务对象和目的。

至此，“项目式学习”“真实情境”教学改革要求，就具体化为一个学生愿意投入、需要调动智慧去解决的“马拉松天气决策”任务。整节课的设计骨架由此确立。

《云腾致雨》的课堂呈现行云流水，其背后是环环相扣的四个阶段。理解这个流程，教师就能掌握将科学教育的教学理念落地的“套路”。

第一阶段：启动——提出真问题，让学习动机自然发生

课堂不是从知识点导入，而是教师情景化提出“马拉松组委会寻求帮助”。教师提问：“如果你是顾问，面对70%降雨概率’这个信息，你现在最想知道什么？”

学生通常会提出：“雨到底会不会下？”“我们能提前知道吗？”“能不能不让它下雨？”等问题。教师顺势引导：“要预测甚至影响天气，我们首先要搞清楚雨是怎么形成的？”至此，对“水的循环”这一核心科学概念的探究需求，由学生自己提出，而非教师强行告知。这就是“真实问题驱动”的力量：学习是为了解决问题而自然发生的。

第二阶段：探究与设计—像工程师一样思考，先谋定而后动

这是培养“工程思维”的关键环节，分为两步：

一是科学原理探究。教师不直接讲解，而是引导学生通过回顾生活经验，如烧开水时的水蒸气、浴室镜子上的水珠，以及观察简单实验，如加热烧杯中的水，盖板上有水珠凝结。小组讨论并归纳出降雨的科学原理：水→受热→水蒸气→遇冷→凝结→水滴→汇聚→下落。这一过程强调学生自主建构概念。

二是工程设计规划。教师提出挑战：“我们能制作一个装置来模拟这个过程，验证我们的想法吗？在动手之前，思考一下工程师通常会怎么做？”引出“先设计，后制作”的工程原则。学生以小组为单位，在模型设计工作纸上绘制降雨模型设计图。学案上提供引导性问题：你的模型需要哪些部分来模拟“加热”“蒸发”“冷凝”“收集”？你打算用什么材料？为什么？这些部分如何连接？请画出结构示意图。

图1、图2是两组学生的降雨模型设计草图。图1注重加热区与冷凝区的垂直分离结构；图2尝试了更复杂的循环路径设计。设计图体现了学生对原理的理解和解决问题的不同思路。

画图这一至关重要环节经常被教师忽略。画图的过程迫使学生在头脑中预演整个系统，思考结构与功能的关系，是工程思维中“系统分析”与“预先规划”的具体体现。教师巡视并选择几张有代表性的设计图进行展示和讨论：“这张图为什么把热源放在底部？”“这张图的冷凝面为什么是倾斜的？”通过讨论，优化设计思路。

第三阶段：制作与迭代——在动手和动脑中深化理解

一是依据设计，协作搭建。各组领取材料包(小铁架台、烧杯、冰可乐罐、托盘等），根据设计图搭建模型。教师强调：“请尽量按照你们的设计图来搭建，如果搭建过程中发现设计有问题，可以在图纸上用红笔进行备注。”

二是测试观察，记录现象。模型搭建完成后，进行测试。学生需要观察并记录：加热多长时间后出现水珠？水珠在哪里形成？如何下落？下落是否均匀？

此处的记录，既是科学探究的要求，也为后续改进提供依据。

三是发现问题，迭代优化。很少有小组第一次就能完美模拟降雨过程。常见问题包括：没有水珠形成、水珠形成但不掉落、水滴下落不连贯等。此时，教师引导学生成为“问题诊断师”：“观察一下，你们的云’(冷凝区)和‘热源’距离合适吗？冷凝面的温度够低吗？可以怎么改进？水珠太小无法掉落，能想想办法让它们汇聚吗？”

学生需要调整材料、修改结构，甚至重新设计部分组件。这个过程可能要重复2~3次。当有小组欢呼：“我们成功了！”时，他们获得的不仅是知识，更是“设计一测试一改进”这一工程核心步骤的切身体验。有学生课后写道：“我们失败了两次，第三次终于看到了‘人工雨’。我明白了工程师的工作真不容易，但解决问题后的感觉太棒了！”这正是《意见》所期望的“在挫折中培养探索精神和毅力”。

第四阶段：总结与迁移——从知识技能到责任意识的升华

一是成果发布与原理阐释。各小组展示最终优化的模型和降雨效果，并以“小小气象顾问”的身份，向马拉松组委会汇报：“基于我们的模型实验，降雨的形成需要先提供热量将水变水蒸气，水蒸气遇冷凝结成小水滴，小水滴汇集形成雨。因此对于比赛日，我们建议先用一定方法提前让雨降下来。”