【技术赋能+项目实践】小学科学 | 技术赋能小学科学工程项目实践——以“制作简易指南针”为例

项目式学习是推动教学方式变革的重要路径。随着数字化技术在教育领域的广泛应用，数智技术在小学科学工程类项目学习中的作用逐渐凸显。现以“制作简易指南针”项目为例，阐述如何运用DIS技术、“三个助手”平台以及初步接入的对话智能体“江小南”赋能工程项目探究。

上海市实验小学长兴分校坐落于上海市崇明区长兴岛，家长群体大多就职于江南造船厂等企业。学校秉持“小学校，儿童幸福之起始”的办学理念，联合企业、场馆，打造了崇兴台图书馆、四海文化主题馆、江小南和龙龙远航馆三馆联动科技教育场馆集群，同时联动中国航海博物馆、江南造船企业、振华港机等校外场馆开展实践活动。立足“空间+课程”共同育人的理念，学校开发了“远航系列”项目—江小南和龙龙远航记，包含二年级“制作渡河工具”、三年级“制作简易指南针”、四年级“小小潜艇设计师”、五年级“小小船舶建造师”。江小南是“江南造船”的吉祥物，龙龙是学校的吉祥物，“远航系列”项目以教材中航海相关内容为依据，依托学校的四海文化主题馆、江小南和龙龙远航馆，充分挖掘海洋、海岛的特色资源，回应学生对海洋与远方世界的天然好奇，增强民族自信和爱家乡的情感。

“制作简易指南针”项目来源于三年级下册“磁极与指向”单元，包含“磁铁的两极”“小磁针的奥秘”“指南针”等内容，主要围绕磁现象开展科学探究，但缺少指向问题解决的工程实践环节，学生对指南针的历史与价值缺乏整体性认知。基于此，我们确立了“制作简易指南针”这一主题，以“和江小南一起远航，如何制作一个指南针在茫茫大海上辨别方向”为驱动性问题，引导学生追溯指南针的发展历史并了解其应用价值，进而提出“制作简易指南针”的驱动任务。学生通过探究原理、选择材料、设计方案、动手制作、迭代优化、作品评价等过程，体验工程设计的一般流程，感悟磁现象的奇妙，体会我国古代劳动人民的智慧，初步树立民族自信心和自豪感。

“制作简易指南针”项目对应科学课程标准的内容为：知道地球有磁场，指南针中的小磁针可以用来指示南北；描述简单的设计问题，包括材料、时间或成本等限制条件；借助表格、草图、实物模型、戏剧或故事等方式，说明自己的设计思路；根据需求和限制条件，比较多种可能的解决方案，并初步判断其合理性；利用常用工具，对常见材料进行简单加工处理；知道制作过程应遵循一定的顺序，制作简单的实物模型；尝试发现实物模型的不足，改进并展示。由此，我们确定了如下项目目标。

(科学观念)知道磁铁具有指南北的性质，了解地球是一个天然的大磁体，也有磁极。知道指南针的结构组成，理解指南针的使用方法与工作原理，知道磁针可以指示南北。知道指南针是我国古代四大发明之一，了解指南针的发展历程及其对文明发展的贡献。

(科学思维)能根据探究需求和现有材料，比较多种可能的解决方案，并初步判断其合理性。在设计与制作指南针的过程中训练工程思维。分析指南针制作过程中遇到的问题，提升分析、推理与归纳能力。

(探究实践)能利用实验材料探究指南针的基本原理，选择合适的材料制作简易指南针，尝试发现作品的不足并合理改进。掌握利用常用工具对常见材料进行简单加工处理的方法。能借助平板绘图的方式完整表达设计想法和改进意图，说明自己的设计思路。

(态度责任)感悟磁现象的奇妙，体会我国古代劳动人民的智慧。了解指南针作为四大发明的价值，建立民族自信和自豪感。养成乐于合作、主动交流的习惯，增强安全操作的意识，形成严谨求实的科学态度。

入项活动以中国航海博物馆、四海文化主题馆、江南远航馆为场馆支撑，以“江小南与龙龙的远航故事”为情境，教师带领学生走进相关的航海展区，沉浸式感受“茫茫大海中无法辨明方向”的真实挑战。通过近距离观察古代航海罗盘、牵星板与无线电导航设备等古今导航技术，引出“如何制作一枚指南针，帮助江小南在远航中准确辨别方向”的驱动问题，明确项目任务与成果要求。这样，让场馆空间成为激发探究兴趣、连接知识与真实情境的育人场域，为后续探究实践奠定坚实的认知基础。

“制作简易指南针”项目分解为认识指南针、设计简易指南针、制作简易指南针和成果发布会四个子任务，依托“三个助手”平台、DIS磁力传感器、江小南智能体等数字工具赋能学习，实现情境、探究、实践与评价一体化。

认识指南针子任务主要探究如下问题：指南针的发展历程是怎样的？指南针有哪些结构？为什么磁针会一直指着南北呢？原理是什么？

在知识构建环节，教师利用“扣子编程”创建学生与“江小南”智能体互动的网页，并将学校场馆资料、指南针相关资料发送智能体自我学习。“江小南”提出远航任务：“大家好，我是你们的朋友江小南，我们又见面了，二年级时你们和我一起为远航做了准备，我们合作十分顺利，这次让我们继续一起完成远航任务吧！你们想一想，如何制作一个指南针在茫茫大海上辨别方向？”

课堂上，学生通过与“江小南”互动交流，了解古今航海导航技术以及指南针的发展历史、结构、原理以及使用方法，还可以向“江小南”发送场馆内导航相关的陈列图片获取自己想要的信息，完成知识构建，为后续的设计与制作奠定基础。

工程的关键是设计。设计方案时，学生聚焦两个核心问题：如何运用身边的材料制作简易指南针？指南针里的小磁针从哪里来？在设计前，学生共同制订指南针的合格标准：选材合适、自由转动、保持平衡、能指南北。

绘制设计草图对三年级学生来说有一定的难度，因此，传统课堂中的设计环节耗时较长，效率也比较低，导致学生无法在既定的教学计划中完整体验工程的一般流程。核心概念“工程设计与物化”中的实践活动强调工程问题的规范设计和完整流程，而不是简单的动手操作。为突破这一难点，教师在上海市中小学数字教学系统的“备课助手”中提前备课，做好方案的设计支架。学生在课堂上利用“教学助手”完成设计草图并上传，设计过程中学生与“江小南”互动交流，了解古代指南针的几种常见样式以及小磁针的制作方法，掌握铁制、钢制材料可被磁化的特点。学生利用平板中的“教学助手”直接绘制设计草图，相比传统手绘方式，降低了修改难度，节省了时间。同时，教师通过“三个助手”平台实时查看各组上传的草图进度，便于及时发现设计中的共性或个性问题，开展针对性指导。此外，教师可在交流环节中随时调取任意小组的设计方案，组织学生围绕选材、结构与制作思路展开汇报与互评，并修改完善设计图(如图1)。这一方式既保障了学生有充足的时间阐述设计思路，又在交流中强化了工程思维与方案表达能力，使动手制作的方向更加明确。

制作指南针子任务是项目的核心实践环节，围绕“如何根据方案制作简易指南针、指南针还存在哪些问题、如何改进我们的指南针”三个问题，学生完成从设计到成品的完整工程流程。

图1设计草图(依次为初稿、修正稿)

其中，小磁针的制作对指南针非常重要，以往学生在磁化铁丝时仅凭感觉完成磁针的制作，无法判断铁丝是否真的被磁化，而且摇晃、震动等无意操作也会使磁针消磁，因此，很容易导致指南针制作失败。学生在制作好磁针后利用磁传感器很方便地获取磁针的磁性数据(如图2)，从而判断小磁针的磁化是否成功，为成功制作指南针提供了保障。

图2小磁针磁性数据

在改进环节中，学生发现造成指南针不准确的原因有很多，如操作不规范、周围存在铁制品等磁性干扰、支架不够灵活、磁针磁性较弱等。磁传感器的量化数据让改进有精准指向，如小磁针两端磁性为0.2~0.3mT左右，说明磁性较弱，改进后两端磁性提升至0.8~1.0mT，磁性满足使用要求。“三个助手”平台全程记录改进过程，让学生的修改过程可视化(如图3)。部分小组因小磁针磁性弱而失败，改进后成功做出指南针，初步形成“基于证据解决问题”的工程思维。