馆校结合小学科学教育活动的设计与实践初探

——以“设计冬暖夏凉的环保小屋”为例

刘婕 徐婷婷 于青

（北京市西城区奋斗小学，北京，100031）

摘要 在培养学生创造力方面,“技术、工程与社会”所发挥的作用是其他科目所无法替代的，对科学教育从探究到实践的转变有着现实的指导意义。^[1]而在现实的小学科学教学中，不仅从教材内容，还是从学校的场地、设施等方面，都具有一定的局限性，这就使得在校内有效开展这一领域的教学具有一定的困难。因此本研究尝试通过馆校结合的方式，以“环保小屋”为例探索基于学生科学素养的小学科学工程与技术课程的有效教学途径。

关键词 小学科学 工程设计 馆校结合 环保小屋

科技兴则民族兴，科技强则国家强。在党的二十大报告中首次将“实施科教兴国战略，强化现代化建设人才支撑”作为一个单独部分，充分体现了教育的基础性、战略性地位和作用。小学科学课程是一门以培养学生科学素养为宗旨的义务教育阶段的核心课程，是现代社会公民素质提升的重要手段。其中，在培养学生创造力方面,“技术、工程与社会”所发挥的作用是其他科目所无法替代的，对科学教育从探究到实践的转变有着现实的指导意义。^[1]但在实际课堂教学中，小学场地、设施方面有一定局限性，小学生在学习相关内容时理解起来会有一定难度。为有效培养学生科学素养，《全民科学素质行动规划纲要(2021-2035)》提出建立校内外科学教育资源有效衔接机制。《关于新时代进一步加强科学技术普及工作的意见》也建议学校可以组织学生前往科学教育场所，进行场景式、体验式科学实践活动。由此可见，小学科学课程与科技馆资源相结合是提升学生科学素养的一种有效途径。

1.“技术、工程与社会”领域在小学科学教育中的重要作用

面对快速发展的现代科技，理解与运用技术与工程的能力成为新时代公民应具备的科学素养之一。放眼国际，许多国家已将科学、技术与工程的关系列为重要的课程目标。我国《义务教育科学课程标准（2022版）》选择“技术、工程与社会”作为核心概念之一，也是时代赋予公民科学素养的新内涵在科学课程中的体现。

1.1能够帮助学生更好地理解科学知识

科学知识是抽象的、冰冷的，小学阶段的学生，他们的思维还处于形象思维向抽象思维的过渡阶段，对于科学知识的理解需要依附于一些形象的、生动的科学现象或实例上。而贯穿于技术、工程与社会领域的实践操作能够帮助学生更好地理解其中的科学知识与原理，进而促进学生科学知识的习得。

1.2能够培养学生的创新思维和实践能力

技术、工程与社会领域的学习，涵盖了很多跨学科的概念，具有很强的综合性和开放性，因此需要学生综合运用多学科知识和创新型思维来解决实际问题。在这个过程中，学生通过设计和制作科技作品、开展调查实践活动、与他人分享交流等，不断获得创新思维和实践能力的提升。

1.3有利于增强学生的科技意识和社会责任感

学生在经历明确问题、提出创意、制作模型、改进优化等“动脑动手”的实践中，逐渐形成对科学、技术与工程本质的认识的同时，体会和了解科技的发展和应用，进而不断形成对科学、技术与工程应有的正确态度与社会责任，促进个人科学素养的形成，最终促进个人的成长。

2.“馆校结合”方式探索——以“设计冬暖夏凉的环保小屋”主题活动为例

2.1小学不同版本科学教材中有关“保温与散热”内容的分析

“设计冬暖夏凉的环保小屋”活动是基于小学科学“保温与散热”这一教学内容设计的。从教学内容的分析来看，隶属于2022版科学课程标准中“技术工程与社会”这一领域。“技术工程”是在2017版科学课程标准中新增的，它不仅丰富了小学科学教育的内涵，也使儿童获得了更广阔的发展空间。我们应该意识到，儿童的工程技术实践活动与科学探究活动具有同等重要的地位和作用，如同鸟之双翼、车之双轮一样不可分开，它们相互补充、相得益彰，是小学科学教育中不可分割的。这在人教鄂教版、湘科版和教科版教材“保温与散热”内容的学习上，都有所体现。

表1各版本教材“保温与散热”内容及编排顺序

但是已有教材在“保温与散热”内容的选择与编排上存在以下问题：

首先，绝大部分教材忽略了工程设计的基本流程即：确定问题--制定合理的解决方案--分析解决方案--优化解决方案--交流，而经历这样的活动流程对于小学生而言是十分必要的，这促使他们能够强化对重要技能和科学知识的领悟，进而逐步理解工程、技术、科学和社会是如何相互联系的，由此实现课标的相关要求。

其次，由于学校场地、设施的局限，一些常用的保温散热的结构与材料很少，这极大阻碍了学生进一步探究的欲望。

2.2中国科技馆“绿色之家”展品分析

中国科学技术馆—常设展览—挑战与未来—同构能源格局—“绿色之家”展品，由一栋被动式节能屋，以及7个互动子展品构成。互动展品包括：建造你的节能房屋、被动屋的墙体结构、被动屋的窗户结构、中央控制系统（包括照明系统、空调系统、新风系统等功能）、雨水收集系统、踩踏发电系统、节能屋顶。展示被动屋的整体结构和功能，并通过其他分展品，展示被动屋的墙体结构、门窗结构、新风系统、照明系统等先进节能技术。其中蕴含的很多内容与学生所学的有关热的知识联系紧密，同时可以很好地弥补学校课堂学习的不足，为本次课程的实施提供了保障。

2.3学情分析

小学高年级学生在人教/鄂教版五年级《科学》上册第一单元中学习过了热传递的三种方式——热传导、热对流、热辐射，以及保温与散热的方法。在本单元的最后需要学生进行一项保温设计，学生在将所学知识运用于产品设计时还有所欠缺，同时对于技术与工程对人们生活、生产和社会的影响方面还没有形成科学的认识。

2.4活动设计思路

基于以上的分析，我们在人教/鄂教版《保温与散热》一课的基础上设计了“冬暖夏凉环保小屋”的活动，目的是利用当今社会上普遍比较关注的环境问题，如极端天气的频繁出现等现象，引导学生利用已有知识，设计并尝试解决生活中的一些问题，通过经历“明确问题——设计方案——实施计划——检验作品——改进完善——发布成果”的学习历程中理解“技术工程设计”的一般流程，在培养学生实践与创新能力的同时培养学生的社会责任感，并引导学生树立保护环境的意识。

2.5活动目标设计

（1）通过参观“绿色之家”，了解绿色节能房屋的墙体、窗户、屋顶、地板等特点，了解它们的保温与散热的原理。

（2）通过设计、改进“冬暖夏凉环保小屋”，能够将所学有关热的知识与实际生活相联系，将具体知识转化为设计方案。

（3）通过参观与设计活动，了解科学技术与生态环境的密切关系，进一步建立和传播绿色低碳的生活方式和理念。

（4）通过最终设计出一个“冬暖夏凉”的小屋，在设计迭代的过程中体会工程设计的复杂性、系统性与综合性。

2.6活动概览

2.7活动实施过程与效果

（1）通过生活中的事例，聚焦研究问题

【谈话】出示图片（下图所示），这是全球不同的气候研究机构公布的自1850年至今的全球气温变化情况，从这张图片中你有哪些思考？

学生可能会提出一些问题：“造成全球气温上升的原因是什么？”“全球气温升高有什么影响？”“怎样减少气温的上升？”“在这样的环境下，有没有适合居住的房子让人感觉不那么热？”等。“通过我们对热单元的学习，哪些问题是可以在课堂中开展研究的？”引导学生开展讨论，带领学生回忆、讨论可能会用到的知识。回顾热传递三种方式的传热特点，不同材料的导热性能，以及生活中的一些保温和散热的方法等。逐步聚焦到思考如何利用保温与散热的知识，尝试利用身边的节能环保材料设计制作一个冬暖夏凉的小屋。

（2）初步设计，完成设计图

图片中展示的是部分学生最初的设计图，可以看出学生通过学习，在保温与散热方面能够关注到双层玻璃、羽绒保温帘等可以起到保温散热作用的一些常见方法的应用。但由于学生在生活中接触现代化产品较多，可以看出，大部分的设计中都体现了利用电能、太阳能等一些能量转换的应用，而对于房屋结构、材料的导热性能等方面的关注还较为薄弱，可以看出学生在对工程设计的系统性方面意识还不够，这在学生的初步设计中较为普遍和明显。

（3）分析设计方案

学生围绕以上两个问题展开讨论，进一步分析设计方案的不足。在讨论的过程中，学生体会到工程设计的复杂性和系统性，也发现了自己最初设计中的一些不足。随着学生知识的不断丰富，认识的不断深入，他们对于设计方案也会有着更广泛深入的思考，由于课堂中的已有资源不足以支撑起在工程设计方面的进一步学习与探索，因此带领学生走进中国科技馆，借助馆内相关资源，帮助学生进行更多的学习、体验和实践，给学生创造更多的机会去不断地对设计进行改进和完善，以促进学生对设计进行更进一步的思考与完善。

学生在此次参观中国科技馆“绿色之家”环节中，主要参观被动屋的墙体结构、被动屋的窗户结构、节能屋顶、中央控制系统几个展品，了解节能房屋墙体的气密性和保温性原理、保温、隔热的节能窗户结构和气密性与保温性原理、不同种类的节能屋顶的结构与功能、中央控制系统的特性等。

学生回到学校课堂后，随之进行交流：通过参观和体验科技馆的“绿色之家”装置，有哪些收获和思考？通过在科技馆中的参观和体验活动，很多学生表示能够更多地关注到房屋的结构，以及根据材料的性能进行合理的选择，也进一步明确和理解了自己这样设计的科学原理。然后他们围绕效果与环保节能方面进行改进讨论，并对设计图进行了修改。

学生改进后的设计图

经过这样的设计与改进，学生理解和应用“热”这部分内容更为深刻。同时在参观与实践的活动中切实体会到工程设计的一般流程以及其特有的复杂性和系统性，这对于学生全面、具体而深入地对自己最初的设计进行评价与完善起到非常重要的作用，这不仅弥补了课堂教学中资源不足的确定，更是帮助学生通过自己的体验初步经历和感受着工程思维在技术工程领域中的重要意义，真正实现了馆校结合的学习方式对于学生科学学习的积极作用。

（4）根据设计图制作模型

学生在经过学习、讨论后，根据自己的设计图，利用身边3D打印材料制作了房屋的整体框架，同时采用太阳能板充分利用太阳能来为房屋提供基础电能，通过门、窗以及室内的风扇进行散热，此外通过地暖进行冬季采暖。初步经历了较为完整的设计制作过程，并在实践的过程中再一次调整自己的设计方案，最终做出模型。

（5）评估测试，改进设计方案

为了更好地呈现出模型的保温效果如何，学生通过设计对比实验来对这一模型的保温散热效果进行测试。为了更好地呈现出模型的保温效果如何，学生设计将小屋放置在冰箱中模拟冷的环境。首先记录下烧杯内水的初始温度，经过三分钟再次记录此时烧杯内水的温度，根据前后的温度差来进行分析。

同样地，在测试小屋的散热效果时，学生将小屋放在阳光充足的窗台模拟较热的环境。先测试小屋内的初始温度，经过三分钟后再次记录小屋内的温度，记录下前后两次的温度数据进行对比，以此来判断小屋的散热效果。

经过测试，学生发现烧杯内的水在三分钟后温度降低了13.3℃，放在窗台上小屋内的温度前后并没有变化，因此学生认为在这种设计中小屋的保温和散热的效果均不太理想，还需要进行更进一步的修改和完善。

综合上述的测试与学习，学生对于自己的设计方案有了更进一步的思考与改进，那么这种改进是否可行或是否能够起到预期的效果呢？在我们的设计中还有没有可以加以完善和改进的方面？学生再一次进行思考和讨论，同时，教师给学生提供一些相关的资料补充，例如调光玻璃的隔热与阻隔作用、植物的光合作用与蒸腾作用、风力发电等清洁能源的资料，帮助学生了解在节能环保方面还可以有哪些可以采取的措施与方式，便于他们在后续的设计与改进中进行参考。

由于在学校课堂教学中不具备在设计与制作方面更为丰富和可操作的条件，因此我们再次借助科技馆内的资源，帮助学生在材料与设计方面有更多的了解和体验。学生通过馆内挑战活动“建造节能房屋”的互动体验活动，以3D动画的形式，生动形象地展示出被动屋中各个系统的实际应用情况，以帮助学生对自己完善后的设计进行可行性分析与审视。

之后教师带领学生再一次围绕“你建造的节能房屋是什么样子的？它有什么特点和优势吗？”这两个问题进行交流，引导学生发现工程设计不是一蹴而就的，我们生活中用到的每一件产品也都不是经过一两次设计和修改就可以完成的，在设计的过程中不断发现问题，对于比较复杂的设计可能还需要多次修改和完善，才能不断地解决问题。我们的设计同样也是，想要达成预期效果，还需要再一次进行修改和完善，需要不断地进行设计上的迭代，使得它更为科学合理，最终真正地服务于人们的生活。在这个过程中帮助学生逐渐理解了工程设计的过程需要经过反复多次的修改和完善，是一个复杂的系统工程这一特点。学生根据交流讨论，再一次对“冬暖夏凉小屋”的设计再次进行改进和完善。

学生改进后的设计图

（6）改进完善模型，再次测试

除了设计图，学生在原有模型的基础上，采用了在小屋外壁贴上一层泡沫板来模拟“保温墙”，在房屋的顶部铺上一层花泥模拟土壤，以及一些绿植，做成绿色屋顶，试图增强小屋散热及减少热辐射的效果，并进行了相应的改进。

学生修改后的模型

模型经过修改后，再一次进行效果测试，采用跟之前同样的测试方法，将小屋放置在冰箱中模拟冷的环境，以及放在阳光充足的阳台来模拟热的环境。先后记录下烧杯内水的初始温度和经过三分钟后烧杯内水的温度，以及小屋内前后的温度，再根据两次数据的对比来对自己的改进设计以及小屋的保温与散热效果进行分析和判断。

改进后的模型保温效果测试

改进后的模型散热效果测试

经过再一次测试，根据两次实验前后数据的对比可以发现，改善后的小屋在保温和散热效果方面与之前相比都有了一定程度的改进。说明学生在设计、制作过程中的方案是可行的、有效的。

学生通过不断地深入的学习、参观、体验、思考后，结合最初的设计以及修改后的设计，进行再一次的修改和完善。可以看到经过对设计的反复修改，学生不仅能够通过房屋的结构以及材料的选择等方法实现保温与散热的效果，同时还体现出了绿色节能的环保理念，让设计更为完善。在这个过程中，也帮助学生逐渐树立环保意识。

（7）展示交流

展示与交流的环节，鼓励学生大胆并且清晰地向他人介绍自己的设计思路，并对他人的设计进行客观分析和评价，交流他人设计的优点及不足。在展示与交流的过程中，也有助于学生进行反思和进一步的改进。引导学生在亲自体验、实践的基础上进行总结归纳，发现技术工程的特点，在经历了“确定问题--制定合理的解决方案--分析解决方案--优化解决方案--交流”整个工程设计的流程后，逐渐形成和发展设计思维与工程思维。同时基于社会问题而产生的设计，能够更好地激发学生的社会责任感以及帮助学生意识到低碳环保的重要性，进一步树立环保意识。

（8）活动评价

在活动的过程中，主要从学生的设计图、活动过程中的讨论、交流及对他人设计的评价等方面进行评价。并利用我校十二核心素养小骆驼卡进行积分奖励。

3.结论与建议

3.1“馆校结合”是助力学生科学学习的有效途径

小学科学课程是一门体现科学本质的综合性基础课程，具有实践性。教师在进行科学教学时，要注重突出核心素养概念在真实情境中的应用，加强知识学习与现实生活、社会实践之间的联系，从而引导学生实现对核心素养概念的深度理解、有效建构和灵活应用。但小学科学教育往往面临着教学器材资源或学习空间缺乏而影响学生学习效果的窘境。科技馆作为开展社会科学教育活动的主要阵地，拥有众多与小学科学内容相关联的展教资源，它以形象生动、直观体验的形式呈现科学知识，允许参观者以亲身体验的方式来学习展品所蕴含的科学原理、感受科学的奥秘。为此2022版科学课标在实施建议中提出要注重社会资源的开发与利用。要发挥各类科技馆的作用，把校外学习与校内学习结合起来，补充校内资源不足，这与小学科学课程的教学强调动手动脑、以学生为主体以及运用多种科学学习方式的要求相契合。与此同时，科技馆所展现出的科技发展的历程、科学前沿领域和科技热点问题，以及科技展览弘扬的科学家精神等都是学校科技教育资源的短板，馆校结合的方式则可以更好地丰富校内科学教育的形式，深化科技教育的内涵。

以“保温与散热”一课为例，学生在讨论的过程中体会到工程设计的复杂性和系统性，也发现了自己最初设计中的一些不足。随着学生知识的不断丰富，认识的不断深入，他们对于设计方案也会有着更广泛深入的思考，由于课堂中的已有资源不足以支撑起在工程设计方面的进一步学习与探索，因此带领学生走进中国科技馆，通过参观科技馆内被动屋的墙体结构、窗户结构、节能屋顶、中央控制系统几个展品，来帮助学生弥补在材料选择、以及结构与功能之间相互作用的了解方面的欠缺。通过在科技馆中的参观和体验活动，学生能够更多地关注到房屋的结构，以及根据材料的性能进行合理的选择，也进一步明确和理解了自己这样设计的科学原理。经过这样的设计与改进，学生切实体会到工程设计的一般流程以及其特有的复杂性和系统性，这对于学生全面、具体而深入地对自己最初的设计进行评价与完善起到非常重要的作用，这不仅弥补了课堂教学中资源不足的问题，更是帮助学生通过自己的体验初步经历和感受着工程思维在技术工程领域中的重要意义，真正实现了馆校结合的学习方式对于学生科学学习的积极作用。

3.2科技馆课程资源的利用要与课堂教学内容紧密结合、有机整合

科技馆以其丰富的展教资源和真实自由的情境氛围提供了体验式的、多模式的和跨学科的教育机会，因此科技馆具有社会科普职能，主要以主题将展品划分在不同的区域，相比小学科学教材内容来说系统性较弱，因此与小学科学课堂教学的贴合度和衔接性不够紧密。因此在进行馆校结合的科学学习活动时，教师需要基于教学内容进行场馆资源的筛选。在充分了解和分析科技馆展品所承载的认识价值和实践价值的基础上，关联核心概念进行“展教结合”的设计，也可以基于核心概念串联不同展区的展品，形成基于学生思维发展的内容结构。这种借助动手实践拓展科学视野的学习方法，不但能激发学生的探究欲望、学习热情，还能提升学生的科学素养，发展学生的知识迁移能力，全面发展学生的综合素养。总之，要有机整合馆校资源进行实践活动的设计，进而在探究实践中促进学生的深度思考。

例如在讲声音的传播时，可以结合科技馆中“看得见的声波”帮助学生理解声音是一种能量的表现形式。在讲能量转化时，可以在科技馆体验脚蹬自行车点亮灯泡的活动，来理解动能转化成电能的特点。在讲无法通过观察与实验来了解的宇宙科学时，可以走进科技馆的“宇宙之奇”展厅，如可以通过半封闭型的球形空间模拟的地球，根据提示操作，则可以看到一个完整的月相变化周期，对于学生形象直观地了解月相变化起到重要的促进作用。

3.3激发学生深度思考应系统设计“馆校结合”活动

系统设计“馆校结合”活动对提升学习效果、提高学习效率，激发学生深度思考起到关键作用。首先要合理选择或整合馆校资源，明确校内学习目标和馆内学习目标，进而设计相应的教学活动。此外还要围绕学习内容对馆内学习前、学习中、学习后的全过程教育进行规划，如馆内学习实践前如何设计导引活动、活动实践时如何提供学习支架，以及学习实践后如何与课堂连接、如何进行评价等都是需要设计的。学生深度参与的馆校结合活动，才能让学生在进行科学知识学习的同时，培养他们的科学精神、创新思维和动手能力，进而能够更有效地培养学生的科学素养，更好地提升小学科学教学的效果。

参考文献

1. 
   

2. 俞伯军.义务教育课程 标准（2022年版）课例式解读 科学[M].教育科学出版社，2022：109.

作者简介：

刘婕，北京市西城区奋斗小学高级教师，西城区小学科学学科带头人，奋斗小学科技特色室负责人、科学信息科技组行政组长；E-mail：snowliuliu@126.com

徐婷婷，北京市西城区奋斗小学高级教师，E-mail：332761343@qq.com

于青，北京市西城区奋斗小学高级教师，北京市小学科学学科骨干教师，西城区小学科学学科兼职教研员，奋斗小学科学组教研组长；E-mail：xctyuqing@163.com