工程教育實(shí)踐中勿忘科學(xué)與數(shù)學(xué)

文/廣州市越秀區(qū)雅荷塘小學(xué) 吳秋琳

工程教育實(shí)踐中勿忘科學(xué)與數(shù)學(xué)

文/廣州市越秀區(qū)雅荷塘小學(xué) 吳秋琳

在當(dāng)前知識(shí)不斷爆炸的信息革命時(shí)代， “知識(shí)主導(dǎo)型”的目標(biāo)被以個(gè)人發(fā)展和終身學(xué)習(xí)為主體的核心素養(yǎng)取代，學(xué)科間更是呈現(xiàn)融合之勢(shì)。美國(guó)國(guó)家研究理事會(huì)于2011年正式發(fā)布的 《K-12科學(xué)教育的框架：實(shí)踐，跨學(xué)科概念與核心概念》反映出科學(xué)內(nèi)在關(guān)聯(lián)的本質(zhì)。以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，探索科學(xué)的規(guī)律，到技術(shù)與藝術(shù)結(jié)合應(yīng)用到工程實(shí)踐，整個(gè)過(guò)程，呈現(xiàn)螺旋式上升。而我國(guó)2017版新科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)也首次融入工程學(xué)教育內(nèi)容。

一、工程教育中的技術(shù)實(shí)踐與思維發(fā)展

雖然在工程實(shí)踐中，要求利用技術(shù)手段激發(fā)和簡(jiǎn)化學(xué)生的創(chuàng)新過(guò)程，并通過(guò)技術(shù)表現(xiàn)多樣化成果，但現(xiàn)在卻變成了機(jī)器人、3D打印機(jī)、機(jī)床加工、程序開發(fā)等比賽而進(jìn)行的工程實(shí)踐，使學(xué)生偏重了技術(shù)而忽略了其背后的科學(xué)原理及數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。

在教師轉(zhuǎn)變觀念給學(xué)生更多自主探究的空間與時(shí)間的同時(shí)，我們要清楚地意識(shí)到學(xué)生探究不等于教師當(dāng)上了 “甩手掌柜”，要讓學(xué)生明白為什么要探究、怎樣探究，幫助學(xué)生在自己的大腦中建構(gòu)出探索世界的認(rèn)知，真正學(xué)習(xí)到科學(xué)家探究世界的方法。從而不斷明晰孩子們自己大腦中認(rèn)知領(lǐng)域的邊界，擴(kuò)大認(rèn)知領(lǐng)域；學(xué)習(xí)到像工程師一樣按照特定的目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后遵循一定的規(guī)律或標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行實(shí)踐，在實(shí)踐的基礎(chǔ)上不斷反思修正，直至最后制造出產(chǎn)品的思維方式。

二、單元任務(wù)驅(qū)動(dòng)方式整合工程實(shí)踐

如六年級(jí)上冊(cè)教科版 “形狀與結(jié)構(gòu)”單元，其核心概念是 “物體具有可見的形狀和結(jié)構(gòu)，不同的形狀和結(jié)構(gòu)，承受力的效果不同，在人們的生產(chǎn)生活中發(fā)揮著不同的作用”。所以可把該單元基于任務(wù)驅(qū)動(dòng)方式整合成：第1課，運(yùn)用圖表和數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出結(jié)論。第2至3課，搜集橋梁的信息，觀察比較，制作簡(jiǎn)單的科學(xué)模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，經(jīng)歷和認(rèn)識(shí) “發(fā)現(xiàn)問(wèn)題——實(shí)驗(yàn)研究——發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，繼續(xù)研究——得出結(jié)論”這樣的探究過(guò)程。第4至8課，建造我們的橋，經(jīng)歷更為自主開放的探究、設(shè)計(jì)、交流表達(dá)過(guò)程，著力培養(yǎng)合作學(xué)習(xí)，自主探究的能力。

對(duì)抵抗彎曲的能力進(jìn)行研究是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，而在后面的課中，學(xué)生利用可以各種簡(jiǎn)單的材料進(jìn)行設(shè)計(jì)與制作一座有環(huán)境限定橋，通過(guò)開放式探究活動(dòng)讓學(xué)生大膽設(shè)計(jì)、動(dòng)手嘗試，不斷理解影響的承重能力與橋結(jié)構(gòu)有關(guān)。學(xué)生在制作活動(dòng)遇到了方法困難時(shí)也從中體會(huì)到工程與技術(shù)的重要性，并體會(huì)到美術(shù)在設(shè)計(jì)中的重要性。

三、在工程教育中融合科學(xué)與數(shù)學(xué)

科學(xué)是對(duì)已有的客觀世界的觀察和解釋，數(shù)學(xué)是研究空間形式和數(shù)量關(guān)系的科學(xué)，在某種角度來(lái)說(shuō)是一種形式科學(xué)。數(shù)學(xué)是科學(xué)的基礎(chǔ)，為科學(xué)解釋世界觀提供充分的支持和指導(dǎo)；科學(xué)的現(xiàn)象不斷為數(shù)學(xué)提出新的研究課題。在真實(shí)世界中科學(xué)和數(shù)學(xué)是具有自然且深具邏輯性聯(lián)系的，通過(guò)讓學(xué)生能自然地在解決問(wèn)題情境中靈活運(yùn)用自身的數(shù)學(xué)知識(shí)幫助解題，兩者互相促進(jìn)和滲透共同為認(rèn)識(shí)客觀世界提供有力的支持。

科學(xué)實(shí)踐中對(duì)觀察、測(cè)量、調(diào)查、統(tǒng)計(jì)等經(jīng)常需要進(jìn)行定量研究，數(shù)據(jù)則是定量研究的主要證據(jù)。只有學(xué)生能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面、深入地分析，才能讓學(xué)生自己得出正確的結(jié)論。而同樣的，數(shù)學(xué)課標(biāo)里對(duì)小學(xué)階段統(tǒng)計(jì)的要求是發(fā)展學(xué)生的統(tǒng)計(jì)觀念。而統(tǒng)計(jì)觀念是指：認(rèn)識(shí)統(tǒng)計(jì)的作用，能從統(tǒng)計(jì)的角度去思考與數(shù)據(jù)相關(guān)的問(wèn)題；能通過(guò)收集、描述、分析數(shù)據(jù)的過(guò)程，做出決策；能對(duì)數(shù)據(jù)的來(lái)源、收集和描述的方法、分析的結(jié)論進(jìn)行合理的質(zhì)疑。

如上文中的 “形狀與結(jié)構(gòu)”單元，學(xué)生要通過(guò)自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)紙的抵抗彎曲的能力進(jìn)行研究，這節(jié)課實(shí)驗(yàn)后數(shù)據(jù)的分析是一個(gè)重點(diǎn)。寬度越寬抵抗彎曲的能力越強(qiáng)，厚度越厚抵抗彎曲的能力越強(qiáng)，學(xué)生是比較清楚的，但由于受年齡影響，通常認(rèn)知關(guān)注細(xì)節(jié)而非整體現(xiàn)象，只注意到個(gè)別的數(shù)字而沒有把兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比思考。所以 “當(dāng)寬度成倍增加，厚度呈幾何級(jí)增加”該結(jié)論的得出成為該課的難點(diǎn)。所以我咨詢了我校的數(shù)學(xué)老師，發(fā)現(xiàn)學(xué)生在四年級(jí)已經(jīng)開始學(xué)習(xí)折線圖，五年級(jí)已經(jīng)掌握復(fù)式折線圖并會(huì)根據(jù)圖形分析。當(dāng)課堂上教師幫助學(xué)生把實(shí)驗(yàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，把兩組數(shù)據(jù)整理成復(fù)式統(tǒng)計(jì)圖，引導(dǎo)學(xué)對(duì)折線的形態(tài)以及兩條折線的位置關(guān)系，對(duì)兩組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較、分析，最后的結(jié)論就水到渠成了。

責(zé)任編輯 韋英哲