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如何在科学拓展性课程中，激发学生创新潜能，培养他们的创新意识，提高他们运用跨学科知识综合解决实际问题的能力？在2016年第四届全国中小学科学特级教师名师论坛活动中，我们设计并展示了工程与技术类的拓展性课《挑战大力绳》。下面以本课的研究为例，谈谈我们的实践与认识。
一、教学设计一：指向操作实践的教学设计
最初思考教学设计时，我们采用的主要策略是通过任务驱动，让学生反复试错，摸索出制作大力纸绳和连接挂钩提起重物的方法，教学设计的主要思路如下：
1.教学设计一流程图
2.教学设计一的思路
在导入环节，教师通过PPT出示学生用四分之一张报纸叠出50厘米、103厘米、168.5厘米的不同高度高塔的挑战图片，让学生感受到用四分之一张报纸可以叠出不同高度的高塔，意识到通过努力，我们可以将“不可能”变成“可能”，从而导入新课。然后提出个人挑战任务：利用四分之一张报纸和一个S 形挂钩，做一条长度至少为25厘米的绳子（不计手臂和挂钩的长度）提起重物，挑战时间6分钟。
通过任务驱动，学生人人动手尝试个人挑战，然后交流表达个人在挑战中遇到的困难，共同研讨，寻找解决问题的方法。在总结梳理可行的方法后，教师提出团队挑战任务：利用四分之一张报纸和一个S 形挂钩做一条长度至少为40厘米的绳子（不计手臂和挂钩的长度）提起重物，挑战时间6分钟。明确任务后进行团队挑战，最后进行课堂小结。
3.教学反思
试教两次后，通过反思教学，我们发现这样的教学设计有如下问题：
（1）教学容量大，教学进行到团队挑战环节时就下课了，没有基于学情和学习进阶规律来设计符合学生认知水平的教学内容。
（2）导入环节只是简单地播放图片让学生比较，不够直观，不易激发学生的思维，且学生没有经过充分思考就立即进行个人挑战，导致他们盲目动手，不利于培养他们正确的思维方式和问题解决的能力。
（3）钩子和纸绳的连接问题是学生的操作难点，教师指导不充分，影响了学生后续的问题解决。且个人挑战失败后，通过交流研讨，立即要求团队挑战新任务，难以了解学生通过个人挑战后，他们的科学认知或思维究竟有什么发展，发展到什么程度。
（4）缺乏关于大力绳承受力和纸绳结构的分析。
二、教学设计二：指向发展科学思维的教学设计
通过研讨，我们对教学中产生的问题一一进行了剖析。大家觉得这样的教学设计过于关注学生的操作结果成功与否，学生的科学思维发展不够，于是对教学设计进行了改进优化。
1.教学设计二流程图
2.教学设计二的思路
在导入新课时，教师出示用四分之一张报纸叠出的不同高度高塔的实物模型让学生观察、类比，然后提出个人挑战任务。学生明确任务后，教师引导他们独立思考，初步设计方案；之后通过任务驱动，让他们对照自己的设计方案，动手挑战制作大力绳。第一次挑战，只有一位同学成功。
教师组织学生汇报挑战中碰到的问题，引导他们梳理聚焦到“怎样才能让纸绳更结实”和“怎样连接纸绳和钩子”两个问题，引导他们研讨、分析解决两个问题的方法。问题解决后，针对同一任务再次进行个人挑战，同样是6分钟的时间。这次，大多数学生挑战成功了，他们的成就感和喜悦之情溢于言表。
这时老师提出问题：为什么在一张报纸上挂钩子，提不起重物，而做成纸绳就可以了呢？你能對这一现象尝试解释吗？一石激起千层浪，学生的已有认知被唤醒和激活，他们纷纷表达和交流自己的见解。
教师趁热打铁，提出团队挑战任务，并引导学生思考：在这个任务中，我们需要解决的关键问题是什么呢？最后，老师带领学生共同总结了工程问题解决的一般思路，并让他们谈谈学习体会。
3.教学反思
改进后的教学设计不仅让学生通过独立设计方案增加了思考的时间，初步学会如何正确地解决问题，而且让他们开展了一次任务两次独立自主的长时探究。第一次是在自己原有经验基础上尝试完成纸绳、挂钩制作连接的任务；第二次是交流研讨后有意识、有目的、有方法的问题解决。两次实践是不同层次不同深度的探索，这样的设计不仅体现以生为本的理念，保证了学生的科学探究有序地、深入地进行，而且促进了他们科学思维的发展，使他们获得了丰富的成功体验。
本堂课仍有值得改进之处，如在研讨交流环节，采用何种方式可以充分激发学生的思维，让学生思维更发散，想到更多、更好的让纸绳变结实的方法等。
三、认识和体会
比对前后两种不同教学设计的目标达成和学生发展情况，反思教学研究过程，我们对工程与技术类的拓展性课程有了更多的认识和体会。
1.基于学情确定教学内容
本节课的教学内容确定并不是一蹴而就的。究竟是设计同一个任务两次挑战，还是不同任务两次不同形式的挑战？我们认为，教学应着眼于学生的最近发展区，为学生提供具有挑战性的内容，调动他们的积极性，发挥其潜能。过易或过难的教学内容都不利于学生潜能的激发。要考虑同一个任务是不是只设计一次挑战活动，关键是看学生在个人挑战时的成功率的高低。如果个人挑战成功率高，可以在第二次挑战时设计团队挑战任务；如果第一次个人挑战成功率低，说明这个挑战任务高于多数学生的认知和技能水平，就要设计同一个挑战任务的两次挑战。
陶行知先生说过：“我们必须变成小孩子，才配做小孩子的先生。”教学设计之前，我们估计学生在6分钟时间内个人挑战成功率会比较高，于是找了一名五年级水平较高的学生进行前测：提供材料让她进行个人挑战。孩子拿到四分之一张报纸后，非常自信、不假思索地用剪刀把它剪成了很多条小纸带。我们一开始很愕然，当看到她把小纸条与小纸条交叉编织，使纸绳变长时，才恍然大悟，原来该生受到前一课《报纸叠高塔》的影响，只是单纯地让纸绳变长，没有考虑新任务要挑战成功，纸绳的承重问题是关键。她花了15分钟也没有挑战成功。 基于这个前测，我们发现即使对于水平较高的孩子，制作大力绳的第一次挑战任务成功率仍然很低。原因是学生面对问题没有养成先思考后动手的思维习惯，还会受到之前所学知识的负迁移的影响。于是我们果断决定选择同一个挑战任务进行二次挑战，让更多学生在二次挑战中可以体验成功，掌握解决问题的方法。这个研究过程让我们认识到，教师要蹲下身子看孩子，教师会不等于学生会，教师认为简单的内容，学生并不一定觉得简单，所以教学内容的设计要基于学情，要顺应学生的认知水平。在教学实施中，第一次挑战只有一个学生挑战成功，第二次挑战大部分学生能获得成功，这也说明了基于学情合理选择教学内容的重要性。
2.践行科学方法教育
科学方法是指习得科学知识以及用科学决策、处理实际问题的思维方式和行为方式。科学方法主要有观察、猜想与假设、测量、推理、控制变量、解释、比较、类比、建模、估算（测）、图示、表达与交流、数学等。
在本堂课的教学导入环节，教师分别出示高度为50厘米、103厘米高塔图片的同时呈现50厘米、103厘米高度的报纸高塔实物模型。出示高度为168.5厘米高塔图片时，教师问：你们知道168.5厘米有多高吗？一个学生说比自己高30多厘米，另一学生补充说跟老师您差不多高，学生形象有趣的回答把在场听课的老师都逗笑了。
改进前的设计只是让学生通过观察图片和具体的数字来感知高塔的高度，对于四年级的小学生来说过于抽象，他们对用四分之一张报纸能叠出168.5厘米高塔难以产生惊奇感。新设计中增加了实物模型，有利于学生对高度的具象理解，调动了他们的已有经验。他们用自己身高和老师的身高作为参照进行对比，不仅真切感受了高塔的高度，而且渗透了测量、类比分析等科学方法。
3.设计能促进理解的探究活动
科学探究过程中学生是否进行科学思维，这是判别科学探究“真”与“伪”的最基本尺度。课堂教学是教师的教和学生的学构成的一个有机整体，是教师有计划、有目的地创设教学情境、促进学生发展的过程。在这个过程中，教师和学生的核心活动是思维。
为了发展学生的科学思维，本节课以一小张报纸和一个钩子为活动材料，让学生利用材料做出能提起一定重物的大力绳，设计了一系列有结构的、体现了学习进阶的科学活动。
导入新课后，教师出示挑战任务，让学生自己独立思考，用简图和文字的方式设计方案，通过画图建模使内隐的思维显性化，这样，学生不仅掌握了解决问题的基本方法，也培养了他们的思维习惯。一位学生在小结中感慨地说：“我知道了以后碰到问题或任务时，不要急于动手，要先想一想怎么做，再动手做。”
在第一次个人挑战环节中，教师提供材料后，完全放手让学生独立实践操作，方式不限、方法不限、思维不限。学生在没有任何干擾、完全开放的空间一次次设计、一次次制作、一遍遍试错，不断发现问题并尝试解决问题。这样的教学，培养了学生的创新思维和创新意识，体现了以生为本的教学观。
在研讨交流论证环节，教师引导学生聚焦两大问题：怎样才能让纸变结实？怎样连接纸绳和钩子？然后引导他们分析问题，寻找解决问题的合适方法。如学生运用卷、编、折、拧等方法让纸绳变得更结实，运用打结、戳洞、环扣、打孔等方法来连接纸绳和钩子。不同的方式方法既是学生已有经验的呈现，也是他们在实践中思考的结果。提出问题、分析问题是学生对问题的一种认知过程，这个过程影响着学生对问题的理解，也影响着如何选择问题解决的策略。
4.科学论证要指向科学概念
在小学科学课教学中围绕科学概念来组织教学，对提高学生的学习效率，促进他们的发展是十分重要的。有些事情他们可能并没有遇到，但是可以运用已经建立的概念去理解、去扩展，学会运用核心知识和模型来“触类旁通”。可以说，概念是儿童建构复杂能力的基石。
科学论证应当指向科学概念的理解与运用，发展学生已有的科学认知。改进后的教学设计中，大多数学生挑战成功后，教学进程没有就此打住。老师继续引导学生尝试用自己的话去解释“为什么刚开始的一张报纸提不起重物，后来又提起了”。 学生们的思维闸门被打开： “团结力量大！”“因为力被分散了。”“就好像是一根筷子容易折断，而十根筷子不容易折断。”“因为纸绳变厚了，承受的力就更大了。”学生在一系列活动之后，通过梳理自己解决问题的策略，发现其中的奥秘，经历了一次有意义的科学实践。
在拓展提升环节，教师提出团队挑战任务并引导学生分析，使他们认识到要挑战成功，关键问题是解决纸绳长度如何变为40厘米。 然后带领学生梳理工程任务解决的一般思路，加深他们对工程技术、创新实践的认识，拓展他们的科学思维。
浙江省杭州经济技术开发区教育发展研究室
浙江省杭州市文海实验学校（310018）
一、教学设计一：指向操作实践的教学设计
最初思考教学设计时，我们采用的主要策略是通过任务驱动，让学生反复试错，摸索出制作大力纸绳和连接挂钩提起重物的方法，教学设计的主要思路如下：
1.教学设计一流程图
2.教学设计一的思路
在导入环节，教师通过PPT出示学生用四分之一张报纸叠出50厘米、103厘米、168.5厘米的不同高度高塔的挑战图片，让学生感受到用四分之一张报纸可以叠出不同高度的高塔，意识到通过努力，我们可以将“不可能”变成“可能”，从而导入新课。然后提出个人挑战任务：利用四分之一张报纸和一个S 形挂钩，做一条长度至少为25厘米的绳子（不计手臂和挂钩的长度）提起重物，挑战时间6分钟。
通过任务驱动，学生人人动手尝试个人挑战，然后交流表达个人在挑战中遇到的困难，共同研讨，寻找解决问题的方法。在总结梳理可行的方法后，教师提出团队挑战任务：利用四分之一张报纸和一个S 形挂钩做一条长度至少为40厘米的绳子（不计手臂和挂钩的长度）提起重物，挑战时间6分钟。明确任务后进行团队挑战，最后进行课堂小结。
3.教学反思
试教两次后，通过反思教学，我们发现这样的教学设计有如下问题：
（1）教学容量大，教学进行到团队挑战环节时就下课了，没有基于学情和学习进阶规律来设计符合学生认知水平的教学内容。
（2）导入环节只是简单地播放图片让学生比较，不够直观，不易激发学生的思维，且学生没有经过充分思考就立即进行个人挑战，导致他们盲目动手，不利于培养他们正确的思维方式和问题解决的能力。
（3）钩子和纸绳的连接问题是学生的操作难点，教师指导不充分，影响了学生后续的问题解决。且个人挑战失败后，通过交流研讨，立即要求团队挑战新任务，难以了解学生通过个人挑战后，他们的科学认知或思维究竟有什么发展，发展到什么程度。
（4）缺乏关于大力绳承受力和纸绳结构的分析。
二、教学设计二：指向发展科学思维的教学设计
通过研讨，我们对教学中产生的问题一一进行了剖析。大家觉得这样的教学设计过于关注学生的操作结果成功与否，学生的科学思维发展不够，于是对教学设计进行了改进优化。
1.教学设计二流程图
2.教学设计二的思路
在导入新课时，教师出示用四分之一张报纸叠出的不同高度高塔的实物模型让学生观察、类比，然后提出个人挑战任务。学生明确任务后，教师引导他们独立思考，初步设计方案；之后通过任务驱动，让他们对照自己的设计方案，动手挑战制作大力绳。第一次挑战，只有一位同学成功。
教师组织学生汇报挑战中碰到的问题，引导他们梳理聚焦到“怎样才能让纸绳更结实”和“怎样连接纸绳和钩子”两个问题，引导他们研讨、分析解决两个问题的方法。问题解决后，针对同一任务再次进行个人挑战，同样是6分钟的时间。这次，大多数学生挑战成功了，他们的成就感和喜悦之情溢于言表。
这时老师提出问题：为什么在一张报纸上挂钩子，提不起重物，而做成纸绳就可以了呢？你能對这一现象尝试解释吗？一石激起千层浪，学生的已有认知被唤醒和激活，他们纷纷表达和交流自己的见解。
教师趁热打铁，提出团队挑战任务，并引导学生思考：在这个任务中，我们需要解决的关键问题是什么呢？最后，老师带领学生共同总结了工程问题解决的一般思路，并让他们谈谈学习体会。
3.教学反思
改进后的教学设计不仅让学生通过独立设计方案增加了思考的时间，初步学会如何正确地解决问题，而且让他们开展了一次任务两次独立自主的长时探究。第一次是在自己原有经验基础上尝试完成纸绳、挂钩制作连接的任务；第二次是交流研讨后有意识、有目的、有方法的问题解决。两次实践是不同层次不同深度的探索，这样的设计不仅体现以生为本的理念，保证了学生的科学探究有序地、深入地进行，而且促进了他们科学思维的发展，使他们获得了丰富的成功体验。
本堂课仍有值得改进之处，如在研讨交流环节，采用何种方式可以充分激发学生的思维，让学生思维更发散，想到更多、更好的让纸绳变结实的方法等。
三、认识和体会
比对前后两种不同教学设计的目标达成和学生发展情况，反思教学研究过程，我们对工程与技术类的拓展性课程有了更多的认识和体会。
1.基于学情确定教学内容
本节课的教学内容确定并不是一蹴而就的。究竟是设计同一个任务两次挑战，还是不同任务两次不同形式的挑战？我们认为，教学应着眼于学生的最近发展区，为学生提供具有挑战性的内容，调动他们的积极性，发挥其潜能。过易或过难的教学内容都不利于学生潜能的激发。要考虑同一个任务是不是只设计一次挑战活动，关键是看学生在个人挑战时的成功率的高低。如果个人挑战成功率高，可以在第二次挑战时设计团队挑战任务；如果第一次个人挑战成功率低，说明这个挑战任务高于多数学生的认知和技能水平，就要设计同一个挑战任务的两次挑战。
陶行知先生说过：“我们必须变成小孩子，才配做小孩子的先生。”教学设计之前，我们估计学生在6分钟时间内个人挑战成功率会比较高，于是找了一名五年级水平较高的学生进行前测：提供材料让她进行个人挑战。孩子拿到四分之一张报纸后，非常自信、不假思索地用剪刀把它剪成了很多条小纸带。我们一开始很愕然，当看到她把小纸条与小纸条交叉编织，使纸绳变长时，才恍然大悟，原来该生受到前一课《报纸叠高塔》的影响，只是单纯地让纸绳变长，没有考虑新任务要挑战成功，纸绳的承重问题是关键。她花了15分钟也没有挑战成功。 基于这个前测，我们发现即使对于水平较高的孩子，制作大力绳的第一次挑战任务成功率仍然很低。原因是学生面对问题没有养成先思考后动手的思维习惯，还会受到之前所学知识的负迁移的影响。于是我们果断决定选择同一个挑战任务进行二次挑战，让更多学生在二次挑战中可以体验成功，掌握解决问题的方法。这个研究过程让我们认识到，教师要蹲下身子看孩子，教师会不等于学生会，教师认为简单的内容，学生并不一定觉得简单，所以教学内容的设计要基于学情，要顺应学生的认知水平。在教学实施中，第一次挑战只有一个学生挑战成功，第二次挑战大部分学生能获得成功，这也说明了基于学情合理选择教学内容的重要性。
2.践行科学方法教育
科学方法是指习得科学知识以及用科学决策、处理实际问题的思维方式和行为方式。科学方法主要有观察、猜想与假设、测量、推理、控制变量、解释、比较、类比、建模、估算（测）、图示、表达与交流、数学等。
在本堂课的教学导入环节，教师分别出示高度为50厘米、103厘米高塔图片的同时呈现50厘米、103厘米高度的报纸高塔实物模型。出示高度为168.5厘米高塔图片时，教师问：你们知道168.5厘米有多高吗？一个学生说比自己高30多厘米，另一学生补充说跟老师您差不多高，学生形象有趣的回答把在场听课的老师都逗笑了。
改进前的设计只是让学生通过观察图片和具体的数字来感知高塔的高度，对于四年级的小学生来说过于抽象，他们对用四分之一张报纸能叠出168.5厘米高塔难以产生惊奇感。新设计中增加了实物模型，有利于学生对高度的具象理解，调动了他们的已有经验。他们用自己身高和老师的身高作为参照进行对比，不仅真切感受了高塔的高度，而且渗透了测量、类比分析等科学方法。
3.设计能促进理解的探究活动
科学探究过程中学生是否进行科学思维，这是判别科学探究“真”与“伪”的最基本尺度。课堂教学是教师的教和学生的学构成的一个有机整体，是教师有计划、有目的地创设教学情境、促进学生发展的过程。在这个过程中，教师和学生的核心活动是思维。
为了发展学生的科学思维，本节课以一小张报纸和一个钩子为活动材料，让学生利用材料做出能提起一定重物的大力绳，设计了一系列有结构的、体现了学习进阶的科学活动。
导入新课后，教师出示挑战任务，让学生自己独立思考，用简图和文字的方式设计方案，通过画图建模使内隐的思维显性化，这样，学生不仅掌握了解决问题的基本方法，也培养了他们的思维习惯。一位学生在小结中感慨地说：“我知道了以后碰到问题或任务时，不要急于动手，要先想一想怎么做，再动手做。”
在第一次个人挑战环节中，教师提供材料后，完全放手让学生独立实践操作，方式不限、方法不限、思维不限。学生在没有任何干擾、完全开放的空间一次次设计、一次次制作、一遍遍试错，不断发现问题并尝试解决问题。这样的教学，培养了学生的创新思维和创新意识，体现了以生为本的教学观。
在研讨交流论证环节，教师引导学生聚焦两大问题：怎样才能让纸变结实？怎样连接纸绳和钩子？然后引导他们分析问题，寻找解决问题的合适方法。如学生运用卷、编、折、拧等方法让纸绳变得更结实，运用打结、戳洞、环扣、打孔等方法来连接纸绳和钩子。不同的方式方法既是学生已有经验的呈现，也是他们在实践中思考的结果。提出问题、分析问题是学生对问题的一种认知过程，这个过程影响着学生对问题的理解，也影响着如何选择问题解决的策略。
4.科学论证要指向科学概念
在小学科学课教学中围绕科学概念来组织教学，对提高学生的学习效率，促进他们的发展是十分重要的。有些事情他们可能并没有遇到，但是可以运用已经建立的概念去理解、去扩展，学会运用核心知识和模型来“触类旁通”。可以说，概念是儿童建构复杂能力的基石。
科学论证应当指向科学概念的理解与运用，发展学生已有的科学认知。改进后的教学设计中，大多数学生挑战成功后，教学进程没有就此打住。老师继续引导学生尝试用自己的话去解释“为什么刚开始的一张报纸提不起重物，后来又提起了”。 学生们的思维闸门被打开： “团结力量大！”“因为力被分散了。”“就好像是一根筷子容易折断，而十根筷子不容易折断。”“因为纸绳变厚了，承受的力就更大了。”学生在一系列活动之后，通过梳理自己解决问题的策略，发现其中的奥秘，经历了一次有意义的科学实践。
在拓展提升环节，教师提出团队挑战任务并引导学生分析，使他们认识到要挑战成功，关键问题是解决纸绳长度如何变为40厘米。 然后带领学生梳理工程任务解决的一般思路，加深他们对工程技术、创新实践的认识，拓展他们的科学思维。
浙江省杭州经济技术开发区教育发展研究室
浙江省杭州市文海实验学校（310018）