科學教學中學生工程思維教學模式的構建

朱阿娜

《義務教育小學科學課程標準（2017年版）》把技術與工程的相關知識首次作為獨立的領域呈現出來，強調了工程教育的關鍵在于讓學生對工程產生基本的認識，激發(fā)他們對工程設計的興趣，在解決問題和制作產品的過程中鍛煉和提升動手動腦能力，培養(yǎng)工程思維習慣。因此，在科學教育中我們理應從工程思維的高度來探討技術與工程活動。

工程思維是指人們在工程活動及工程研究過程中形成的獨特的思維方式。它是以人工造物為著眼點，著力于構建應然而未然的理想化人工系統的一種思維方式，涵蓋或兼容了科學思維與技術思維的內容，是面向并解決更為復雜的工程問題的一種高階思維。結合一線教師課堂教學實踐，筆者嘗試在科學教學中構建適合培養(yǎng)學生工程思維的教學模式（圖1）。下文筆者以“雞蛋保護器”為例具體說明。

一、設置工程情境，聚焦研究問題

情境可以有效刺激學生感官，使其產生情感的共鳴，讓枯燥無味的知識產生適合的附著點及切實的生長點，增加學習的趣味性、生動性、直觀性，讓學生在理論與實踐的交互碰撞中真正領悟知識、提升能力。問題是科學研究的起點，沒有問題自然就不會有解釋問題和解決問題的知識、思想和方法，沒有問題就難以激起學生的求知欲，就不會促進學生去深度思考。創(chuàng)設一個富有意義的學習情境，確定一個具有價值的研究主題，是培養(yǎng)學生工程思維的基礎。

在教學“雞蛋保護器”一課時，教師首先提出問題：“ 同學們有網購的經歷嗎？老師前兩天網購了一箱綠殼雞蛋，可是收到的時候，卻發(fā)現破了好幾只。如果你是雞蛋包裝設計師，能設計出更好的包裝來保護雞蛋嗎？”學生展開思考，并在小組內部討論，將可行的方法記錄下來，然后全班交流。

在此過程中，學生發(fā)現購買的產品在運輸中是否會損壞，與產品的減震緩沖包裝有很大關系，生活中減震包裝的種類很多，但適合保護雞蛋的并不多。最終，根據雞蛋外形特點確定了雞蛋保護器必須能完整地包住一只雞蛋，且留有自由轉動的空間，方便裝取，還得通過振動、沖擊、1.5米高處掉落等測試。同時還要考慮：雞蛋保護器要美觀實用、方便裝取，容易裝入大箱運輸，且制作成本低。之后教師又問：“想不想自己做一個雞蛋保護器？”學生立刻來了興趣，表示想自己設計制作一個更好的雞蛋保護器。在這個環(huán)節(jié)，學生可以了解自己的任務，明確將要研究的問題，為后續(xù)學習做好準備。

以問題為中心的教學，把教學內容化作問題，引導學生通過解決問題來掌握知識，形成能力。同時，由于學生的思維指向明確，使其處于激活狀態(tài)，從而更好地保證了學習效果。

二、布置任務，調查與探索

教師順水推舟，借機布置任務：為什么要選擇殼體結構的保護器？它的原理是什么？從而界定了本次的研究主題。

學生在已有知識儲備和經驗的基礎上通過觀察蛋殼結構，分析蛋殼的受力特點，充分發(fā)表自己的看法，最終得出一個或幾個大家認可的假設。

蛋殼究竟能承受多大的力？教師先讓學生用科學的方法去測試3只雞蛋的承受力，再向他們開放網絡，利用百度、搜狗等進入調查環(huán)節(jié)，學生借助搜索工具來搜索相關知識驗證自己的想法，并匯總調查到的資料，記錄到工程日志之中。在此過程中，教師要提供適時、有效的指導和幫助。

最后，學生以海報制作的形式來分享調查方案、過程及結果。小組間先進行互評，教師再對學生的調查過程、結果進行評價和總結。

主題確定之后，學生第一要務就是從已有經驗中大量檢索與主題相關的信息，教師要盡可能為學生提供豐富的資源，為他們的學習搭建橋梁。同時，還要幫助他們對問題進行分類，學會用科學的眼光，從不同的視角，去審視這些資料和信息，發(fā)現它們之間的聯系。

三、設計/再設計與實施

通過調查探索，學生對殼體結構的受力特點又有了更深的認識，在此基礎上，教師分發(fā)圖紙，明確優(yōu)秀設計標準：保護性、節(jié)約性、方便性和環(huán)保性。保護性主要看能否減小傳遞到雞蛋上的沖擊力、震動力，能否分散作用在雞蛋上的應力，能否保護雞蛋的表面部分，能否防止雞蛋相互接觸，能否防止雞蛋在包裝內大距離移動;節(jié)約性，主要看耗材;方便性，主要看拿取是否方便，包裝棄物處理是否方便;環(huán)保性主要指包裝材料的環(huán)保性，包裝材料的可再利用性。教師鼓勵學生充分發(fā)揮想象，設計出符合這四個特點的雞蛋保護器。

接下來，學生先在紙上畫圖，將前面的思路轉換為圖紙，繪制好圖紙后再在小組內部討論，最終制作選擇拱形雞蛋保護器。之后，教師再要求學生將設計方案精細化。設計圖的繪制要精細，要有俯視圖、仰視圖、側視圖，又要注明使用的材料及具體尺寸等，并將討論的過程記錄在工程日志之中。隨后進入交流環(huán)節(jié)，要求學生介紹本組的作品，并能對其他小組的作品提出建議，之后對照建議繼續(xù)修改方案，根據修改后的設計圖選取合適的材料進行制作，在制作的過程中遇到問題的，仍可一邊修改一邊制作。最后，在教師的引導下設計實驗，從振動、高處墜落等方面來測試雞蛋保護器的實用性，并根據測試結果再次改進他們制作的雞蛋保護器，再次測試。

設計方案和實施的過程是觀念物化的過程，將頭腦中的創(chuàng)意變?yōu)楝F實。教師要讓學生意識到無論是設計、測試，還是改進，都是一個反復、循環(huán)的過程。在整個過程中伴隨著信息的輸入與輸出，設計方案也在不斷地調整、修改與完善，這一切使得學生的工程思維能力、動手操作能力不斷得到提升。

四、評價、交流與總結

教師讓學生繼續(xù)完成自己的工程日志，再根據前面制定的四個標準對其他小組制作的雞蛋保護器做出合理的評價。多數小組設計的雞蛋保護器比較實用。有的不僅可以通過1.5米高空墜落測試，所選材料還很環(huán)保;有的能通過1.4米高的測試，且方便性得到了更多人的支持;還有的只能通過1.2米測試，但是材料最省，比較經濟。接著，讓學生依據自評表，對自己本節(jié)課的表現進行評價。

評價的目的是為了引導學生進行反思，學會學習。教師要給予學生充分表達自己觀點的機會，要善于聚焦“為什么這樣做”，了解學生真正學到了什么，只要有收獲、有啟發(fā)就應該得到認可。

在這里，我們還可以通過創(chuàng)建評價量表來培養(yǎng)學生的工程思維。評價量表，究其本質就是一種評分工具，描述的是對某項任務的具體期望，將任務分成多個組成部分，并對每一部分分別列出任務指標。工程思維是一種連續(xù)性、過程性的思維方式，須在整個工程完成過程中形成和發(fā)展。因此，對學生工程思維的培養(yǎng)須從工程問題的思考，方案的設計、結構的把握、實施及完善等維度著手，可分別從工程決策思維、工程設計思維和工程實施思維三個層面來創(chuàng)建教師評分表和學生自評分析表。教師評分表的具體指標可包括確定目標、分析問題、制定方案、功能設計、結構設計、美觀設計、調查探索、建構模型及制作實施等;學生自評分表指標可以從能否準確理解老師提出的任務，明確任務的步驟; 能否多角度思考問題，有不同的設計方案; 選擇方案時能否綜合考慮可行性、設計的產品能否達到任務目標;設計繪圖時能充分考慮結構與美觀;實施時能否將前面的思路轉換成產品等方面考慮。

教師評分表在培養(yǎng)學生工程思維時能夠給教師提供清晰的評價標準，更加明確地傳達我們的意圖和期望，為學生提供及時、全面的反饋，有效地幫助他們在后續(xù)活動中進一步修正自己的意見和做法，改善自己的作品。學生自評分析表則賦予了他們自己對工程思維發(fā)展的控制權，能更加主動地參與自己的學習規(guī)劃。同時，從量表上還可以直觀地看到學生的進步和遇到的困難，為更好地把握學生學習進度、改善教師教學行為提供參考，從而將工程思維的培養(yǎng)落到細微處。

總的來說，教師評價表和學生自評分析表的建構旨在通過評價指標的導向及評價結果的反饋，使我們更好地掌握學生在本課中的工程思維發(fā)展水平，分析存在的問題，反思產生問題的原因，不斷修改教學設計中的不足，進而更有實效地培養(yǎng)學生的工程思維。

此外，還要注重對所涉及的知識進行歸納和總結，以幫助學生更好地進行知識建構和重組，達成教學目標。

五、拓展延伸與應用

最后，教師布置任務，讓學生在課后合作完成“雞蛋撞地球”大挑戰(zhàn)。要求重新設計方案，讓雞蛋從更高的高度拋下且完好無損。

拓展與應用既是對當前所學知識的一個檢測，又是對所學知識靈活應用的一個提升，有利于發(fā)展學生思維的靈活性、廣闊性和創(chuàng)造性，是該教學模式中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

目前，我們對工程思維的研究才剛剛起步，對工程思維的地位和作用重視程度還不夠，阻礙了對學生工程思維的培養(yǎng)。但只要我們堅持不懈地努力，在探索中努力，在努力中前行，終將會迎來小學科學工程教育的春天。

[責任編輯：陳國慶]