设计·实践·评价：指向工程思维培养的小学科学单元项目式学习研究——以“多变的杆秤”项目为例

本期专题文章来自2025年全国青少年科技教育工作者论文征集活动的优秀案例，共同关注中小学跨学科项目式学习的实践与探索。

文_谢寅波

（建德市明镜小学）

摘要：在小学科学技术与工程教学中的学生作品容易出现思维缺位轻设计、思维狭窄难创新、思维浅显缺深度三型窘境。本文从科学课堂中的古代科技发明杆秤切入，立足单元整体教学创编“多变的杆秤”实践项目，基于项目式学习理念从总体设计、实践活动、学习评价3个方面破解窘境，指向学生工程思维的培养和发展。

关键词：工程思维　项目式学习　单元整体教学

儿童的探究实践是一个探索未知世界、亲历科学探究和工程实践的过程；是一个生成问题、推理论证、解决问题的思维发展过程[1]。夏雪梅指出，完整的项目式学习应包含核心知识、驱动性问题、高阶认知、实践活动、项目成果和学习评价6个维度[2]。本项目围绕工程教育的研究者韦尔蒂（Welty）提出的“珠”与“线”概念模型展开，在教科版小学《科学》6年级上册“工具与技术”单元“不简单的杠杆”一课基础上进行拓展延伸，创编了“多变的杆秤”这一项目，并以该学习内容建构的情境为“珠”，以项目支持的包括技术、工具、评价量规为“线”，通过不断“穿线”完成问题解决的项目路径，在动态发展中提升学生的工程思维。

总体设计：基于项目式学习重要特征

学习素养视角下的项目式学习具有以下特征：指向核心概念的再建构；创建真实的驱动性问题和成果；用高阶学习带动低阶学习；将素养转化为持续的学习实践[3]。在“不简单的杠杆”一课的教学中，教师通过前测发现学生对杆秤很感兴趣：他们知道杆秤的存在，但了解并不深刻。学生对杆秤的好奇给了教师很大的启发，发现了将课程教学转化为项目实践的结合点，让项目的开发基于学生的兴趣与立场，具有旺盛的生命力。

01

对标原型，找准契机

为理解杆秤与杠杆的关系，教师查阅了大量资料，发现杆秤是我国的一项伟大发明。一方面，杆秤是应用杠杆原理的典型衡器，具有很大的灵活性，它有2个提绳，可以改变支点位置；可以通过移动秤砣的位置改变动力位置，相当于动力臂可以调节；它有秤盘承载各种物体，相当于可以改变阻力大小。正是由于这些特点，杆秤才能够称量物体（见图1）。

图1　杆秤结构示意图

杆秤历史悠久，早在春秋时期就已有使用，到现代仍有很多地方可以看到它的身影。它不仅是一种衡器，还代表了诚信公平与工匠精神，是中华优秀传统文化的象征之一，体现了中国人的勤劳与创新，蕴含着丰富的育人价值。

《中国学生发展核心素养》明确提出，要培养学生的实践创新素养，即“学生在日常活动、问题解决、适应挑战等方面所形成的实践能力、创新意识和行为表现。具体包括劳动意识、问题解决、技术应用等基本要点”[4]。“不简单的杠杆”一课，正好属于学科核心概念中的“技术、工程与社会”和“工程设计与物化”，往往需要6年级学生应用所学学科原理设计并制作出可以满足需求或提高效率的作品，这是一个十分适合培养学生工程思维和实践创新素养的契机。

由此，教师萌发了借助杆秤学习巩固杠杆原理的想法，希望学生在学习科学原理的同时，感受到杆秤中的文化内涵，以此为项目实施与学科育人的结合点，在科学课中落实立德树人的要求，并培养学生的工程思维与实践创新素养。

02

项目总领，创设情境

教师要从质疑创新、实事求是、工匠精神和传统美德4个方面出发进行单元整体设计，设计出项目实践与学科育人融合共生的实施方案。

在了解杆秤的过程中，教师发现传统杆秤中的盘秤，称量范围一般是0.5～5kg，而戥子的称量范围一般是0.05～100g。过去，人们如果想要称量40g的物品，只能用戥子；想要称量五六斤重的大米，必须用盘秤（见图2）。那么，能不能设计、制作一个既可以称轻物体又可以称重物体的杆秤呢？本项目以此为真实情境，通过具体鲜活的实践项目“多变的杆秤”展开，促发学生身体力行，在学科育人过程中潜移默化地发展工程思维。

图2　学生体验不同称量范围的杆秤

03

重构内容，梳理策略

教师基于真实情境，通过“探古”“究新”的主策略指导学生学习杆秤中的科学奥秘，感受其中的育人价值。将“不简单的杠杆”一课创编为“多变的杆秤”单元，由“杆秤的秘密”“使用杆秤”“设计多变的杆秤”“制作多变的杆秤”“多变杆秤大比拼”“各种各样的秤”6节课组成（见图3）。

图3　创新单元“多变的杆秤”课程安排

“探古”是通过第1—2课围绕研究传统杆秤展开，理解杠杆原理，体会杆秤中的传统文化，同时发现盘秤与戥子量程范围的问题。“究新”是通过第3—5课利用杠杆原理解决真实问题，涉及如何设计、制作一个既能称轻物体又能称重物体的量程范围更大的杆秤。第6课进一步了解杆秤的发展脉络，明白创新的意义，增强学生的文化自觉与文化自信，在实践过程中提供学生发展工程思维的有效路径。

通过本单元的整体设计，教师梳理出了清晰的实施策略，使学生的思维与学习活动成为一个连续的、指向问题解决的整体，在设计、交流、制作、迭代、展示的过程中，落实了发展工程思维和实践创新素养的培养目标。

实践活动：工程设计视角下有序展开

教师要善于讲好科学技术发展史，引导学生从历史发展观的角度认识科技的发展。在核心素养方面，要让学生敢于大胆质疑，追求创新；在工程技术实践方面，要激发学生动手操作的兴趣，能以事实为依据作出判断，而且要如实记录，并进行多角度尝试、多种方案设计，秉持质疑创新的态度正确对待作品的缺陷。师生在项目实践中得以审视自身实践创新素养的提升过程，渗透学科育人价值。

01

探古：汲取古今增智慧

教师通过“探古”策略，使用中华优秀传统文化的代表之一杆秤贯穿整个单元的学习，学生探究杆秤的杠杆原理与技术方法，感叹于结构精妙的同时，理解中国古人的智慧，学会做人做事的道理，增强文化自信。

初识：触及杆秤的文化内涵教师通过布置课前作业，引导学生了解杆秤的结构与历史。学生知晓提绳代表支点、秤砣代表动力点、秤盘承载的物体代表阻力点，并理解在阻力臂与阻力不变的情况下，动力臂越长越省力这一科学概念。此外，学生还通过调查秤星的含义等杆秤历史，初步感受公平诚信的文化内涵。

熟知：学习杆秤的使用技术学生在使用盘秤称量物体的时候，发现了很多技术与原理层面的问题，有的学生看不懂刻度，有的不知道杆秤上一格为多少，还有一组学生提出“为什么有2根提绳？杆秤的单位是什么？”在教师引导下，学生经过讨论学会了看杆秤上的刻度，并知道了杆秤上2根提绳的用法（靠近秤盘的提绳能称较重的物体，远离秤盘的提绳能称较轻的物体），发展了学生运用技术的能力，让学生再次感受到杆秤设计的精妙，感叹古人的智慧。

在实际操作中，学生在称量不同重物时发现了问题：盘秤的分度值是1两，也就是50g，能够称1.5kg的柚子，却称不出40g的柠檬片；戥子的量程范围是0.05～100g，可以称量40g的柠檬片，却不能称较重的柚子（见图4）。于是，学生提出真实问题：能否设计一个既可以称量40g的柠檬片，又可以称量5.5kg的大米的量程范围更大的杆秤？由此，教师布置项目作业，开启究新过程。教师希望通过这个作业引领后续的项目发展，培养学生主动学习、探究的能力，从而落实工程思维培养目标。

图4　不同杆秤的量程不同，引发学生认知冲突

02

究新：表单支架促生成

本项目以杆秤为研究对象，将单元内容作为载体，让学生在实践中运用工程思维，亲身体验和参与项目活动，以期实现综合素养的提升。在这一过程中，还体现了设计思维的理念。设计思维是一种具有创造性的、人性化的解决问题的思维方式，其主要操作方式就是通过移情了解真实需求，加以分析并聚焦真正的问题所在，通过团队合作进行头脑风暴，碰撞出思维的火花，收集大家不同的想法和观点，助推学生深度参与项目活动。

善用小组作业分析表在对项目作业的分析中，教师发现学生可以用图文结合的形式简单呈现自己的想法。以第3组为例，虽然他们的原始设计较为简单，只画出了粗糙的秤杆，没有画出刻度，不够细致，但他们在小组作业分析表中依照工程流程不断改进、迭代（见图5），最终的效果展示完全符合作品需求，这一动态的经历是富含工程思维的。

图5　小组作业分析示例

为了让学生的设计更加科学，教师在后续“设计多变的杆秤”活动中首先提出要求“利用‘材料商城’中的材料或其他材料，在原有基础上改进成创新型杆秤，或重新发明一个全新的创新型杆秤并完善设计图”，以此激发学生的创新动力。

巧用迭代设计记录单对于技术与工程项目来说，设计与体验的周期要足够长才有可能激发学生的思维潜能，从而促使项目的改进、迭代真实发生。因此，本项目将设计与制作部分进行了调整，拉长了周期，使学生能够获得工程项目的真实体验。

学生巧用迭代设计记录单（见图6）就能很好地体现思维发展的痕迹，它以图文结合的形式展现了设计、制作、改进的全过程。如学生用不同颜色的笔一次次记录改进的过程，从不断修改制作材料到不断改进制作过程，再到精准化称量刻度，最终设计出独一无二的创新型杆秤。这让我们感受到学生的工程思维在不断强化，对工匠精神的理解也在不断加深。

图6　学生的迭代设计记录单示例

03

创变：锚定节点显思维

每个学生都像小工匠一样，通过亲历调查、使用、制作、改进的过程逐渐了解杆秤的历史渊源、发展脉络与精神内涵，在实践求真与设计求变中落实工程思维培养和实践创新素养提升的目标。

实践求真：破解争议点教师在遵循理论到实践的一般途径外，充分尊重和满足学生乐于动手的天性，不仅可以让学生在概念递进中逐步深入研究，还可以让学生在动手实践中不断加深认知，在项目推进中实践求真，破解争议点，发展工程思维。

课堂片段（第4组）

学生：我用到了两种方法，第一个方法是增加秤杆的长度，第二个是使用不同质量的秤砣，我们认为这样可以称出更重的物品和更轻的物品。

其他小组反馈：我觉得你们没有标刻度，不能对称重物体的质量作出细致的划分，需要标记出来。

交流后，第4组发现了设计的不足。针对争议点，小组在课后寻找更适宜的材料，用更充足的时间制作杆秤。他们根据课上讨论用红笔标注了改进点，如改进了两种新的单位：一面是20g，一面是500g（见图7）。他们还发现，秤杆粗细均匀，重心会处于秤杆的中心位置。为了使杆秤操作更方便，他们将秤杆改为一头粗一头细，并且画出了刻度。

图7　学生改进破解争议点示例

学生通过设计多变的杆秤，在学习巩固杠杆原理的同时，意识到设计杆秤没有想象中那么简单，这个工程实践是需要付出时间与精力的。学生在反复修改中破解材料、配重、长度等各个争议点，深入感受工匠设计制作杆秤的过程，培养了学生应用技术解决问题和进行工程创新的能力。

设计求变：突出创新点学生在与教师、其他学生交流后，在课后继续完善、改进杆秤。例如，第4组学生的杆秤作品的突出创新点是用不同数量的水瓶代替秤砣拓宽量程，使杆秤能够称量更重的物体。图8中是本次活动结束时各小组的不同成果，分别从提高精准度、扩大量程范围、改进材料、调试定盘星等角度进行了创新改进，学生在设计、制作和改进的过程中发展了创新精神。

图8　学生小组的创新改进示例

学习评价：综合多重维度的立体评价

夏雪梅指出：“项目式学习的评价是与成果的产生、公开的成果汇报紧密相连的。而且，项目式学习还要对学习实践的整个过程进行评价，以引发更深层次的学习和理解。”[5]

01

指向明确：善用多维评价表

为了让学生的设计更加科学，教师首先给出新型杆秤的评价标准（见表1），主要从设计的清晰性、创新性、实用性、科学性、可操作性，还有对设计图展示等多维度提出具体要求。随后，学生以小组为单位，在评价标准的指引下完善设计与展示。

以第4组为例，他们在设计图展示环节选择了更具体的材料，设计了更长的秤杆与不同质量的秤砣，还做了能上下翻转的提绳（见图7）。学生在反复修改中初步感受工匠设计、制作、改进的过程，培养了应用技术的能力和改进迭代的工程意识。

02

课内颁奖：多变杆秤大比拼

学生迭代设计记录单，经历“实践—记录—改进—再实践”的过程，积累了不少成果。学生在“多变杆秤大比拼”中，依据评价标准进行主观评价（如评价是否美观）与客观评价（如重物挑战、测量精准度等），为符合“小小发明家奖”的小组粘贴蓝色星星，为符合“巧手工匠人奖”的小组贴红色星星，为符合“诚信买卖人奖”的小组粘贴黄色星星（见表2）。学生通过组内自评、组间互评，检验了自制杆秤的优缺点。

活动中产生的作品都是由学生自己完成的，因此每个学生都有强烈的参与感和倾诉欲望，也都虚心听取意见，并认真评价他人的作品。由此，学生的工程思维广度在评价交流中得以拓宽。

03

课外深化：多种形式齐分享

课堂外，学生通过多种途径继续深化有关杆秤的认知，有的小组搜集称量工具的发展历史，有的小组用思维导图展示称量工具的发展史，有的小组制作手抄报，还有的小组制作了精美的演示文稿，更有小组还录制了分享视频。学生在活动过程中认识了更多的称量工具，意识到虽然传统杆秤在生活中的使用越来越少，称量工具却随着人们需求的变化不断更新迭代。学生更多地感到技术创新给生活带来的便利，意识到精益求精、锲而不舍、不断创新的工匠精神的重要意义。

回到生活中，学生继续将学习收获讲给家人听，反思对杆秤及实践创新的认识，学生的工程思维深度在分享和自主学习中得以拓展。本项目除了能帮助学生巩固单元所学外，还能激发学生传承中华优秀传统文化、不断发扬工匠精神的积极性，让更多人了解杆秤中的文化内涵。可见，学生在“探古”“究新”过程中经历长时探究，思维上更具连贯性，思考也更有深度。学生在项目实践中有了亲自动手制作的机会，才能发现真正的问题，最后产生真正的创新作品，从而培养学生的工程思维。

学科项目实践与学科育人是融合相长的，师生在研究、实践中透露出精益求精和锲而不舍。基于单元整体教学，教师把在单一课时不能解决的问题转化为单元整体设计，学生在长达1个半月的研究中，参与、实践并收获。可以这样说，学生和教师都会在心中留下深深的工程项目烙印，而对孩子来讲，这种烙印或将伴随他们一生。

参考文献

[1] 杨卉．课堂微研究：深度学习中推动儿童进阶性思维的发展：《不可思议的金字塔》教学片断例谈[J]．阅读，2020（Z7期）：33-35．

[2] 姚威，从零开始，设计项目化学习：以“探秘地铁”项目化学习为例[J]．求知导刊，2020（5）：85-86．

[3]陈红，基于项目化学习的“抗疫”课程设计：以思想政治学科“国家治理体系和治理能力现代化”为例[J]．中小学教师培训，2020（6）：4-8．

[4]核心素养研究课题组，中国学生发展核心素养[J]．中国教育学刊，2016（10）：1-3．

[5]肖苗.“因材”劳动教育课程的项目化实施策略探索：以“服务性劳动”教育的项目化学习为例[J]．成才，2022（14）：11-14．

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来源 | 《中国科技教育》2026-4

编辑 | 张雨晴

审校 | 孟想、若惜