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杨正刚,钟丹红. 小学科学“3 X”逆向教学设计 [J]. 基础教育课程, 2023, (22): 60-68.
目前一些小学科学课堂中的逆向教学实践还存在照搬照抄、浮于表面等现象。为了解决相关问题，优化课堂教学，本研究探索实践了“3 X”的逆向教学设计优化方案，即在“确定预期目标、选择评估证据、设计学习活动”三阶段基础上演变出“开放型、交流型、真实型、情感型”等X种操作变式，依据不同跨学科领域、不同课型、不同课堂评价的形式生成若干操作步骤及策略，通过逆向设计的课堂教学激活学生科学学习兴趣，发展学生的工程思维、计算思维和批判性思维等。
近几年，逆向设计（Backward Design）作为一种新型教学设计方法，在小学科学课堂得到了学校和教师的关注。但是，部分教师对于逆向设计的理解和应用尚存在误区，由此引发了如不求甚解照搬照抄、形式主义浮于表面等问题。基于此，本文以教科版五年级科学教材内容为例，立足科学课堂逆向设计的改进和优化开展实践探索，以期为一线科学教师提供参考。
一、逆向设计的特征及优化思路
教学设计时，逆向设计的常见思路可概括为“确定预期目标、选择评估证据、设计学习活动”3个阶段，但在具体应用中，如果科学课堂中涉及的学科领域（学科探究、跨学科探究）、科学课型（概念课、实验课、长短周期探究课、单元整理课）、教学环节（聚焦、探索、研讨）、活动方式（实践活动）等不同，逆向设计的三个阶段也应该因需制宜、因生制宜地发生变化。经过将近两年的实践探索，笔者在常见的逆向设计三阶段的基础上初步提炼了以下X种变式，形成基于逆向设计的“3 X”小学科学课堂教学操作阶段或步骤。
开放型逆向设计（体验—设疑—探究），即“如何进行体验/体验的程度如何/是否具备自主体验的能力”“能否根据体验提出问题/问题是否有价值”“探究过程/探究结果及依规评价”等。
交流型逆向设计（激活—重构—创造），即“是否顺利激活旧知/如何激活旧知”“怎样进行重构/重构过程中的表现”“创造过程/创造结果及依规评价”等。
真实型逆向设计（操作—运用—反馈），即“操作技能熟练度/操作过程中态度”“运用的熟练度/运用中的收获”“反馈手段/反馈内容丰富性与个体性及依规评价”等。
情感型逆向设计（认知—愿景—导向），即“认知的主动性/认知的全面性”“愿景产生的意愿/愿景的强烈程度/愿景是如何产生的”“主动学习的意愿/主动学习的能力/主动学习的成果及依规评价”等。
基于逆向设计的“3 X”小学科学课堂实践，需要教师“以终为始”，将依据教学目标设计的评价活动置于教学活动之前，使评价贯穿整个教学过程。在教学过程中，教师需要引导学生搜集资料，关注学生知识应用、科学概念建构、课堂内容冲突、问题导学及评价体系内部的一致性，最终激活并保持学生的学习兴趣，逐渐提升学生的工程思维、计算思维和批判性思维等。
二、小学科学课堂教学中的“3 X”逆向设计策略
（一）立足学科教学的逆向设计策略
1.基于概念课的逆向教学设计
传统概念课往往是教师单向输出、学生被动输入。这种教学方式趣味性低，很难激发学生的学习兴趣，不利于学生科学素养的发展。对此，教师在概念课教学时可以采用开放型逆向设计，将问题与评价前置，引导学生在寻找答案的过程中发现分歧，在质疑中动手验证，以此增强学生学习的主动性。
【案例1】教科版科学五年级上册《有关光的思考》
教师设置课前小练习——判断题：
1.根据你的生活经验判断下列哪些属于光源，是的请打“√”，不是的请打“×”。
月亮（ ） 太阳（ ） 镜子（ ） 萤火虫（ ） 烛光（ ） 夜明珠（ ）
2.植物的生长离不开光（ ）
3.能发光的物体称之为光源（ ）
4.没有光源看不到物体（ ）
案例1中，通过观察学生的回答能够发现，学生大多是依据自己的经验“盲答”，大部分学生对光源的理解仅停留于“只要正在发光即可”。同时，学生之间的经验各不相同，由此产生的判断也存在分歧。此时，教师可以鼓励学生提出质疑，并引导他们自己动手验证，这样一来，学生对于学习的印象会更加深刻。比如，对于问题4“没有光源看不到物体”，教师将一个未知物品放入暗箱，只留一个很小的观察口，学生尽力观察却依旧不能观察到里面的物体，从而肯定“没有光源看不到物体”。接着，教师取出“夜视仪”让学生试用，学生发现，用夜视仪能够看到黑暗中的物体，由此产生了疑惑：没有光源，如何就能看到物体？此时教师讲解夜视仪的工作原理，学生得知，机器能捕捉到物体终究是因为有光，只不过有的光弱到人的肉眼无法直接观察到，专业的机器能够捕捉弱光，将其转化成信号，从而让我们看到物体。
小学科学概念课的逆向设计，将评价前置，采用开放型设置，让学生先体验再设疑，后探究，充分发展了学生自主性，让学生的知识建构有据可依、循序渐进。
2.基于实验课的逆向教学设计
实验课可以采用交流型逆向设计。在实验课的教学中，教师让学生课前自备材料并在实验中展开交流，可以帮助学生激活旧知，丰富学生的学习经验，让他们在手脑并用的过程中比较和辨析，提升工程思维。
【案例2】教授教科版科学五年级下册《用浮的材料造船》时，教师设计课前任务单如下：亲爱的同学们，下一次科学课让我们来做一艘竹筏吧！比一比谁的竹筏载重量大，稳定性又好。但是有个小小的要求，使用材料整体重量不要超过50N哦！你们敢接受这个挑战吗？
案例2就是一堂基于交流型逆向设计、让学生课前自备材料的实验课，这样的设计有四个方面的优势。第一，化被动为主动。让学生自备实验材料，学生需要提前明晰本课的学习内容，了解所需材料的性能和作用，判断、选择最适用于本次实验的材料，不仅激发其学习兴趣，促使其自主预习、主动思考，在一定程度上也减轻了教师负担，因为本节实验课需要用到的竹子较多，比起教师个人准备全班学生的材料，每位学生各自准备一份材料显然难度要小很多。第二，有心理准备。让学生提前准备材料，也就是让他们提前获知了下节课的任务，在自备材料的过程中，学生对下节课的难度和流程便有了一定的了解和心理准备。第三，知识技能准备更充分。教师布置自备材料的任务，学生在准备过程中可以自主搜索相关的知识技能。第四，理论与实践相结合的准备。本节实验课之前，学生已经学习了船的历史，对船有了一定了解，加上生活经验的积累，在准备材料的过程中，他们就不会仅停留于知识的获取，而会尝试将理论与实践结合，为下一节课的学习做好思想准备。
3.基于长短周期探究课的逆向教学设计
周期探究课有长短之分。探究课最后的结果不一定都是成功的，因此，两种探究课都应更注重过程与方法的培养。在周期探究课设计时，教师应注意减少灌输式教学，要以项目学习为主，以真实型逆向设计为依托，经历操作、运用、反馈三阶段，让探究深入人心。
①长周期探究课
【案例3】教科版科学五年级下册《种子发芽实验》和《比较种子发芽实验》
为探究绿豆的发芽所需要的适宜条件，教师出示菜单，菜单中有众多选项，学生可以选择研究水分、空气、温度、阳光、土壤……教师要求学生自选研究条件进行研究，无论失败还是成功，都如实记录，以便对过程与结果进行有利于个人发展的评价。学生的项目单如表1所示。
在这样的长周期项目学习中，要维持学生的学习兴趣，教师可以在教学设计中持续开展弹性的兴趣输入活动。
比如，本课上的第一次兴趣输入。在刚播种时，教师问：大家都种好了吗？我们来比一比这些已经种好的种子吧？在比较的过程中，学生的学习兴趣大大增加。
第二次兴趣输入。过了两三天，绿豆开始吸水胀破，教师进教室便能听到学生高兴的“报喜”声，这个时候教师适时引导学生了解，种子吸水胀破的部分称之为种皮，并继续鼓励学生：大家再仔细观察，看看谁种的绿豆会最先发芽？
第三次兴趣输入。有学生说自己的种子发芽了并且将它带到教室展示，教师顺势问学生：这个“芽”怎么往下长？学生讨论后发现，所谓的“芽”，其实是“根”，根是往下长的。另一个学生说：我的绿豆有芽。教师就引导学生对比二人的种子，让学生发现种子发芽过程中，先长根，后长芽。教师继续趁热打铁，问学生：你知道这对圆圆肉肉的叶子的来历吗？下一对叶子长出来还会是这个样子吗？在探究这些问题的过程中，学生的兴趣持续增加。
②短周期探究课
【案例4】教学教科版科学五年级下册《设计我们的小船》和《制作与测试我们的小船》时，学生在经历了前面5节课的船的知识的学习和船的制作以后，已经有了一定的“造船”基础。此时教师出示任务菜单（表2），将制作小船的评价标准前置，学生可以参照评价标准，选择多种类型的船进行模型制作。
在短周期的探究学习中，学生要在较短时间内取得一定学习成效，一般需要小组合作和教师指导。小船的设计、制作、测试和改进整个过程都需要学生有持续的思想碰撞，让学生在一次次的尝试中进步。
总之，周期的探究课可以逆向设计为主思路，以项目学习为路径，由兴趣激发和持续的头脑风暴交互作用，通过科学探究活动促进学生素养发展。
4.基于单元整理课的逆向教学设计
单元整理课往往是构建整个单元整体概念的纽带。基于单元整理课的目标，结合大单元整体思维对内容进行情感型逆向设计，让学生的主动学习贯穿于教学过程中，让知识的系统建构更加主动化，有利于培养学生动手实践能力和自主学习能力。
【案例5】教科版科学五年级上册《地球表面的变化》单元整理课
教师基于大单元教学理念，将“地球表面的变化”单元设计成一个项目化学习，由“我们的大中国”“地震发布会”“一览众山小”“母亲河的秘密”四个小项目组成，意在引导学生带着问题学习本单元，认识各种各样的地形及其变化。在“我们的大中国”中，学生理解中国地形，发现中国地形的特点和中国典型地形的分布；在“地震发布会”中，学生发现地震多发地构成地震带，能够关联地球板块与地震带，解释地震的成因；在“一览火山口”中，学生制作火山口模型，发现火山、地震与板块之间的秘密；在“母亲河的秘密”中，学生主动寻找水流过后的痕迹，探寻地形的成因；最后，通过不断丰富的“我们的大中国”展现中国地形的多样态。
学生通过实地考察、资料查阅等方式了解当地的地形特点，利用雪花泥将地形制作成“家乡地形沙盘模型”并进行展示分享，师生根据单元成果评价分析量规（表3）进行评价，评价包括学生小组互评和教师评价。课后，教师鼓励学生在生活中关注周围的地形特点，思考其可能的成因，实现学以致用。
学生通过图片、视频、文本资料等媒介主动认识相关现象及特点，利用建模、类比、推理、模拟实验等方法主动探索现象背后的影响因素。通过本课的学习，学生可以更好地掌握“内部运动、外部力量对地球表面的影响”这一单元核心概念。
（二）立足跨学科教学的逆向设计策略
科学教学中跨学科教学的逆向设计及策略主要围绕聚焦、探索、研讨三个环节。教师可以将学习内容与学生熟悉的生活经验、已有的知识基础相联系，运用逆向设计X种不同的变式将不同的学习内容有机重组。
1.聚焦问题环节中的逆向教学设计
开展跨学科教学时，聚焦环节的逆向设计可以结合各门学科，将问题前置，设定更贴近学生生活实际的综合性的情境。
【案例6】教科版科学五年级下册《用沉的材料造船》
一年一度的端午龙舟赛活动即将开始，龙舟设计部需要设计稳定性高、载重量大的龙舟。现邀请我们501班的同学帮忙设计，你们准备好接受这个挑战了吗？
这一课，根据教材，需要聚焦的问题是：沉的材料也可以造船。教师运用逆向设计思维，明示本课需要聚焦的问题，直接问学生：沉的材料可以造船吗？学生意见不一。教师直接出示问题，激发学生探究的主动性，让学生基于问题在活动过程中动手实践，尝试“让沉的材料浮起来”。在一次次的尝试中，学生渐渐认识到，船的底部面积越大，稳定性越高；另外，计算载重量不仅要考虑底面积，还要考虑船舷高。像这样，将问题前置，可以让学生更清楚自己做什么、需要做什么。
这里建议开放型和情感型两种逆向设计并行。
2.探索实验环节中的逆向教学设计
跨学科教学中的探索环节可以采用交流型逆向设计。将探索过程直观化，通过记录单等方式呈现研讨对象的变化，将探索结果前置。
【案例7】教科版科学五年级下册《用沉的材料造船》
针对这一课内容，教师设计了实验记录单（图1）。
这一探索环节中，学生共有三次挑战机会，他们需要保存每一次或成功或失败的作品，并将之粘贴于记录单相应的位置。对比制作出来的船和相应的载重量，学生会发现：大船载重量更大。基于此，学生会在下一次的挑战中有意识地把船做得更大。探索环节出示的记录单，不局限于最后成功时候的结果，而是将每一次制作的成果一一呈现，通过对比，学生能够明确看到自己三次挑战的变化，并得出失败和成功的缘由。在这一过程中，学生顺利激活旧知，反复重构知识，最终得到富有创意的结果。
3.研讨运用环节中的逆向教学设计
跨学科教学中的研讨环节可以采用真实型逆向设计，教师可以设计递进式的问题，将学生的思考和操作前置，让学生在研讨层层递进的问题时进行操作、运用并反馈。学生在这一过程中，需要通过操作回答上一个问题，才能够继续进行对下一个问题的思考和猜测。
【案例8】教科版科学五年级下册《用沉的材料造船》
①橡皮泥和铝箔在水中是沉还是浮？
②你有什么办法让橡皮泥和铝箔从沉到浮？
③你有什么办法让它的载重量达到200g以上？
第一个问题，学生只有明确橡皮泥和铝箔在水中原本的浮沉状态，才能弄清到底是这种材料在水中本来就能浮起来，还是后续需要通过操作让它们浮起来。第二个问题，需要学生实现用沉的材料造一艘能浮起来的船，以此让他们充分体会造船的材料不受限于材料原本在水中的沉浮，只要改变其形状，就可以让它们浮于水面。第三个问题，在真实生活中，仅仅实现由沉到浮是不够的，船只往往需要很大的载重量，教师可以引导学生继续思考：如何实现船只载重量的增加？学生在一次次的思考与尝试中初步感受做大船只可以实现载重量增加，体会体积与载重量的关系。
本案例中，教师设定了三个核心问题，依次递进，将问题链贯穿于整个探索环节，引导学生在探索中解决问题。学生需要思考问题作出猜想，动手操作，运用所学知识实现不同材料小船的由沉到浮，并不断改进船只的设计提高其载重量，在这一过程中完成船只材料和载重量等知识的学习。
（三）立足实践活动的逆向设计策略
1.由突发事件入手的逆向教学设计
根据以上突发事件，教师将教科版科学五年级下册《食物链和食物网》一课设计为一次项目化学习——“金钱豹出逃”。驱动问题为“帮助工作人员寻找出逃的金钱豹”，并分为5个驱动子问题：
①认识金钱豹的外形、习性等；
②对山林、居民区、湖泊三个金钱豹可能出逃的范围进行研讨，尝试缩小搜索范围；
③山林很大，分析用什么方法搜寻金钱豹最合理；
④探寻金钱豹、野兔、草之间的食物关系和能量流动方向；
⑤ 探讨生物与生物、生物与环境的关系。
教师将“寻找金钱豹”的主题前置，将枯燥的概念课转化为有趣的自主探究课，进行情感型逆向设计，激发学生认知的自主性、持久性。
2.由科技节中热点生成的逆向教学设计
每年学校举办的科技节总有新奇的事物出现，教师要积极捕捉其中受欢迎的项目，借助开放型逆向设计让学生自主体验项目，通过设疑引导学生自主质疑、自主探究。
【案例10】“小球回'家’”是科技节中最受欢迎的项目（图2）。活动内容为：三名学生组成小组，两人拿绳子（1米以上）搭桥，一人放球，通过控制绳桥的倾斜和宽度，将泡沫球从起点运输到终点，并使其掉落进纸杯。教学时，教师呈现小球回“家”的示例图，先问学生：“怎么做才能让小球正好走过线并落入杯中？”随后让学生体验并进行经验分享。大家互相取经，最后发现，该活动不仅需要手脑协调，还需要同伴合作、默契配合。活动在提升学生科学探究能力的同时，也培养了学生的合作精神。
【案例11】“谁的竹排载重量最大？”活动
内容：教师准备12根木棒、4根皮筋，请学生按照自己的想法设计并制作竹排，同时放到水面，并一个一个往竹排上加螺母，直到竹排完全浸没至水中。明确活动规则以后，教师问学生：竹排如何才能更稳定地承载螺母？有的学生用双层木棒增加船舷高度，有的用单层木棒增加底面积……经过具体操作，学生比较双层底面木棍的竹排和单层底面木棍的竹排，发现底面积大的单层底面竹排要相对更稳些，载重量也更大。
这一类逆向设计将学生感兴趣的主题前置，让学生在产生兴趣的同时又具有“努力一下可以做到”的信心。
3.基于生活需求的逆向教学设计
立足于生活需求的科学教学可以采用真实型逆向设计。教师可以通过设计教学活动满足学生自制生活需求物品或解决生活问题的需要，让学生自主运用知识，利用工具和材料开展制作活动，再通过反馈进行修改迭代，最终实现学生技术与工程实践能力的提升。
【案例12】冬天天气又冷又干，为了保暖，教室里往往需要开热空调，十分干燥。加湿器不仅可以给室内增加湿度，配合精油还可以作为香薰机使用。教师设计了一个项目学习活动——请学生合作设计并制作一个加湿器，制作活动又分为原理探寻、材料准备、初步制作、展示分享四个小项目。
这一案例将立足生活需求的制作任务前置，师生一起制定评价标准且将评价也前置，学生的制作将更加具有依据。依据生活需求的逆向教学设计有利于提升学生解决生活实际问题的能力。