小學(xué)科學(xué)教學(xué)中學(xué)生工程思維能力的培養(yǎng)

嚴(yán)國紅

隨著科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)的整合教育，在當(dāng)下的科學(xué)教育中培養(yǎng)小學(xué)生的工程思維至關(guān)重要。因此，本文簡要闡述了工程思維的內(nèi)涵及特征，分析了小學(xué)科學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生工程思維能力的價(jià)值，并提出了培養(yǎng)小學(xué)生工程思維能力的新思路與新策略。

近年來，伴隨著社會(huì)各界對(duì)科學(xué)教育質(zhì)量要求的不斷提升，美國國家研究協(xié)會(huì)出臺(tái)了《K—12年級(jí)科學(xué)教育框架》，該框架圍繞“科學(xué)和工程實(shí)踐、跨學(xué)科的概念、學(xué)科核心觀念”的維度組織，著重體現(xiàn)了注重實(shí)踐并讓學(xué)生在較少內(nèi)容上實(shí)現(xiàn)真正學(xué)習(xí)的思想。該框架將工程教育納入到了K-12年級(jí)的科學(xué)教育中，將之前《國家科學(xué)教育標(biāo)準(zhǔn)》中的“基于探究學(xué)習(xí)”模型更加具體化，為如何進(jìn)行科學(xué)探究指明了實(shí)現(xiàn)途徑，使抽象的理論找到了實(shí)踐的落腳點(diǎn)，提高了教學(xué)的可操作性。然而，在大多數(shù)人眼里只有在理工科大學(xué)里才出現(xiàn)的工程問題，能否在小學(xué)的課堂里研究呢？小學(xué)生能否培養(yǎng)工程思維呢？這是大多數(shù)人所質(zhì)疑的。事實(shí)上，隨著STEM教育的整合，各學(xué)科之間的聯(lián)系越來越緊密，小學(xué)學(xué)習(xí)階段的科學(xué)與工程教育之間又有交集。因此，工程思維在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中對(duì)提高學(xué)生的工程實(shí)踐能力，以及培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)方面起著重要的作用。

一、工程思維的內(nèi)涵及特征

工程思維是指按照某一特定的目標(biāo)，遵循一定的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行生產(chǎn)或建設(shè)，直至最后制造出產(chǎn)品供應(yīng)社會(huì)或建成設(shè)施投入運(yùn)營。工程思維有如下特征：

首先，工程思維具有現(xiàn)實(shí)性。工程思維是以籌劃的可行性為宗旨，面臨的是潛在可能性與現(xiàn)實(shí)可行性的轉(zhuǎn)化契機(jī)，尋求工程理想與工程實(shí)際兩者間矛盾的解決。它能將客體對(duì)象變得跟主體價(jià)值需要相符合，它之所以具有現(xiàn)實(shí)性，在于它根植于主體的價(jià)值意圖，工程思維的可實(shí)現(xiàn)性特征表明工程建構(gòu)比其他活動(dòng)更能考驗(yàn)人才的真才實(shí)學(xué)。

其次，工程思維具有創(chuàng)新性。與創(chuàng)新思維相比，工程思維的創(chuàng)造性如同放風(fēng)箏者手中的線，它更具有方向性、目標(biāo)性，強(qiáng)調(diào)的是標(biāo)準(zhǔn)化與操作性；而創(chuàng)新思維如同沒有線的風(fēng)箏，它更具有跳躍性、求異性，強(qiáng)調(diào)的是想象力的發(fā)展。

再次，工程思維具有綜合性。工程思維是一種復(fù)雜的系統(tǒng)性思維，它不同于理性思維，理性思維注重事實(shí)，強(qiáng)調(diào)證據(jù)。在工程活動(dòng)中既要考慮所要建造或建構(gòu)的對(duì)象和目標(biāo)，又必須把整個(gè)活動(dòng)本身與周圍的自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)聯(lián)系起來，把工程系統(tǒng)放到這個(gè)大系統(tǒng)的背景之中。工程思維是“應(yīng)該——如何做”的思維活動(dòng)，是對(duì)實(shí)踐的理性認(rèn)識(shí)，是一種復(fù)雜層次的實(shí)體型思維。為此，工程思維除了具備科學(xué)思維和技術(shù)思維的一些基本特點(diǎn)之外，還要具備這種綜合判斷和選擇的能力。

二、小學(xué)科學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生工程思維能力的價(jià)值

目前，我國的科學(xué)教育在小學(xué)課程中一直處于副課地位，而歐美國家領(lǐng)先于我們幾十年，隨著美國新一代《K-12年級(jí)科學(xué)教育框架》的出臺(tái)，使得我國的科學(xué)教育也面臨著一場(chǎng)巨大的困難與挑戰(zhàn)。

當(dāng)下，我們的科學(xué)教材中大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，雖然能夠鞏固所學(xué)的理論，但在調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力方面則較差，更缺乏自主探究能力與工程思維能力的培養(yǎng)。實(shí)際的科學(xué)課堂教學(xué)中，不是為了理論而理論就是為了操作而操作，使得科學(xué)與技術(shù)之間的關(guān)系也日益淺薄，乃至整體的無意識(shí)。

然而，工程恰恰架起了科學(xué)發(fā)現(xiàn)、技術(shù)發(fā)明與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的橋梁，為我們的實(shí)際教學(xué)探尋了新的思路。如“小小建筑師”是“做中學(xué)”科學(xué)教育改革實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，它是一個(gè)科學(xué)與技術(shù)交織在一起的案例，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性中既有科學(xué)原理，又蘊(yùn)含著工程設(shè)計(jì)和操作技術(shù)，讓學(xué)生自主搭建積木或自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)是培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)推理能力和科學(xué)建模能力的重要形式，也是培養(yǎng)學(xué)生工程思維和技術(shù)應(yīng)用的新方式。在此基礎(chǔ)上，教師可以將工程案例的教學(xué)融入實(shí)際教學(xué)中，并將探究性和實(shí)踐性相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)引入當(dāng)下的科學(xué)教學(xué)中，或?qū)熗街苹虮瘫哪Ｊ揭氲浇虒W(xué)中，或者與校外建立合作關(guān)系，讓學(xué)生在實(shí)際參與和體驗(yàn)中進(jìn)行探究性的學(xué)習(xí)。

工程思維關(guān)注的是共性，思維過程區(qū)分為無意識(shí)、潛意識(shí)和有意識(shí)，在實(shí)際的問題與決策中，要嘗試使用最合適的方法和工具進(jìn)行模型設(shè)計(jì)與工程實(shí)踐，力求最優(yōu)化原則，是“應(yīng)該做——如何做”的思維活動(dòng)，是對(duì)實(shí)踐的理性認(rèn)識(shí)，是一種復(fù)雜層次的實(shí)體型思維。為此，工程思維除了具備科學(xué)思維和技術(shù)思維的一些基本特點(diǎn)之外，還要具備這種綜合判斷和選擇的能力。

因此，我們不僅要重視科技教育，更應(yīng)重視工程教育，并將科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)相融合的新模式應(yīng)用到我國的科學(xué)教育中，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的工程思維能力，培養(yǎng)全面發(fā)展與更具人性的人。

三、小學(xué)科學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生工程思維能力的策略

2012年美國發(fā)布了國家教育進(jìn)展評(píng)估（Nationa lAssessmentof EducationalProgress，NAEP）的《2014年國家教育進(jìn)展評(píng)估的技術(shù)和工程素養(yǎng)框架》報(bào)告，該報(bào)告是對(duì)科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)的整合，對(duì)科學(xué)教育從“探究——實(shí)踐”的轉(zhuǎn)變有著現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義，這也是科學(xué)教師從工程思維的角度去考慮科學(xué)教學(xué)時(shí)不可或缺的參考。例如，科學(xué)問題源于對(duì)自然現(xiàn)象的解釋，如“為什么燈泡會(huì)發(fā)光？”工程學(xué)則源于需要解決的問題，如“怎樣將能發(fā)光的燈泡應(yīng)用到房子里？”這兩個(gè)生活中最簡單的問題，其目的就是如何將科學(xué)與工程問題有效結(jié)合在一起。如何將科學(xué)與工程有效結(jié)合，如何將學(xué)生零碎的知識(shí)與機(jī)械過程變成一個(gè)具有實(shí)踐意義的相互聯(lián)系的過程，其切入點(diǎn)只能從培養(yǎng)學(xué)生的工程思維著手，因此，科學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生工程思維能力應(yīng)該從以下幾個(gè)方面進(jìn)行教學(xué)：

1.基于課堂教學(xué)，重視對(duì)知識(shí)的應(yīng)用能力

傳統(tǒng)教學(xué)是一本書一支粉筆的教學(xué)，是一種填鴨式的教學(xué)模式，不注重學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握與應(yīng)用。而工程思維是以系統(tǒng)工程知識(shí)為基礎(chǔ)，為了提高學(xué)生的思維效率，就必須加強(qiáng)工程知識(shí)的系統(tǒng)學(xué)習(xí)，如《2014年國家教育進(jìn)展評(píng)估的技術(shù)和工程素養(yǎng)框架》指出四年級(jí)的學(xué)生就應(yīng)該開始簡單但系統(tǒng)性的設(shè)計(jì)，嘗試回答“科技是怎樣被用于創(chuàng)造材料的”問題，能運(yùn)用系統(tǒng)方法對(duì)簡單問題設(shè)計(jì)解決方法，并構(gòu)建一個(gè)簡單的模型來測(cè)定是否滿足問題的要求等。因此，在實(shí)際的教學(xué)過程中應(yīng)給學(xué)生提供應(yīng)用知識(shí)的機(jī)會(huì)，如在教師的指導(dǎo)下學(xué)生進(jìn)行高效的討論與交流，讓學(xué)生嘗試自己設(shè)計(jì)或組織教學(xué)，讓學(xué)生體驗(yàn)自主設(shè)計(jì)的教學(xué)活動(dòng)，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力，以及工程思維下的應(yīng)用能力。

2.創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)情景，注重對(duì)探究的創(chuàng)新能力

科學(xué)是建立在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上的，而實(shí)驗(yàn)的核心是探究，可以往的探究是在現(xiàn)成答案的情況下進(jìn)行的演示活動(dòng)。在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，教師要給學(xué)生創(chuàng)設(shè)良好的實(shí)驗(yàn)情景，能讓學(xué)生在自發(fā)的情景下，進(jìn)行一般性的自主探究。如學(xué)生通過LedongScratch互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)等工具，讓學(xué)生自主搭建數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將實(shí)驗(yàn)探究工具的開發(fā)作為探究實(shí)驗(yàn)的重要組成成分，同時(shí)也是體現(xiàn)工程思維與技術(shù)應(yīng)用的一種新的方式。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中還應(yīng)該重視學(xué)生設(shè)計(jì)能力，因?yàn)樵O(shè)計(jì)即探究，讓學(xué)生在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中理解科學(xué)與工程的關(guān)系，進(jìn)而提高學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的探究興趣，以及工程思維下的創(chuàng)新能力。

3.構(gòu)造實(shí)物模型，加強(qiáng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力

美國《K-12年級(jí)科學(xué)教育框架》用“科學(xué)和工程實(shí)踐”替代“科學(xué)探究”，體現(xiàn)了參與科學(xué)研究和工程設(shè)計(jì)不僅需要技能，更需要對(duì)相關(guān)知識(shí)的理解與運(yùn)用。實(shí)物模型是依靠物質(zhì)的基本形態(tài)所做的模仿，是一種已有的零件實(shí)物或樣件。在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中完全有必要開設(shè)實(shí)物模型構(gòu)造的教育，如通過泥塑、雕塑可以培養(yǎng)學(xué)生的感知能力與動(dòng)手能力，通過搭建房子可以培養(yǎng)學(xué)生的整體性思維能力，提高對(duì)實(shí)體性的理性認(rèn)識(shí)。

總之，工程思維能力的形成是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程，應(yīng)逐步強(qiáng)化與提高。在科學(xué)教學(xué)中為培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，引導(dǎo)他們注重工程實(shí)際、明確學(xué)習(xí)目的，形成工程思維，我們可以按照從“工程中提出問題——講解有關(guān)理論——聯(lián)系工程應(yīng)用”這樣的認(rèn)識(shí)規(guī)律組織教學(xué)，優(yōu)化課程結(jié)構(gòu)，并將理論教學(xué)與實(shí)踐環(huán)節(jié)相結(jié)合，進(jìn)而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生工程實(shí)踐能力的目的。

【作者單位：南京師范大學(xué) 江蘇】