從用“尺子”到發(fā)明“尺子”

戴樂韻

隨著STEM教育的融入，各學(xué)科之間的聯(lián)系越發(fā)緊密，小學(xué)學(xué)習(xí)階段的科學(xué)與工程教育之間的交集加深，將科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)的整合提升到科學(xué)教學(xué)的重要層面，對科學(xué)教育從探究到實(shí)踐的轉(zhuǎn)變有著現(xiàn)實(shí)的指導(dǎo)意義。工程實(shí)踐能力和工程思維能力是未來人才的必備科學(xué)核心素養(yǎng)之一，需要從低年段學(xué)生抓起。

工程思維是對實(shí)踐的理性認(rèn)識(shí)，是一種復(fù)雜層次的實(shí)體型思維，是指向解決問題的思維。一年級科學(xué)課滲透學(xué)生的工程思維教育是讓學(xué)生在學(xué)習(xí)活動(dòng)中經(jīng)歷從新手到專家的認(rèn)知思維發(fā)展過程，通過圖式的“增生—調(diào)整—重建—遷移”，滲透“解決問題”的思維教育，讓學(xué)生學(xué)會(huì)怎么做，學(xué)會(huì)形成一個(gè)相關(guān)知識(shí)的圖式，并善于運(yùn)用已有圖式解決實(shí)際問題。下面，以一年級上冊《比較與測量》單元為例，簡述滲透工程思維的教學(xué)策略。

學(xué)習(xí)使用“尺子”——認(rèn)知圖式增生，導(dǎo)向工程思維的價(jià)值

工程活動(dòng)強(qiáng)調(diào)問題導(dǎo)向原則，其目的及目標(biāo)群通常是明確的，有很強(qiáng)的針對性，同時(shí)強(qiáng)調(diào)情境分析法的重要輔助作用?；诖?，教師為學(xué)生創(chuàng)設(shè)一個(gè)有意義的學(xué)習(xí)情境，明確一個(gè)值得投入的學(xué)習(xí)主題，是工程設(shè)計(jì)式學(xué)習(xí)模式的基礎(chǔ)。在這一階段，學(xué)生通過發(fā)現(xiàn)問題可以了解任務(wù)、明確問題，為后續(xù)的研究做準(zhǔn)備。引發(fā)問題環(huán)節(jié)，為學(xué)生滲透工程思維的價(jià)值導(dǎo)向至關(guān)重要。工程思維的靈魂和核心從更大程度、更深層次上看是價(jià)值理性思維。培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，實(shí)際上是在培養(yǎng)他們以價(jià)值目標(biāo)為導(dǎo)向和以價(jià)值目的為靈魂的思維。

在滲透工程思維的教學(xué)活動(dòng)中，既要考慮建構(gòu)的對象和目標(biāo)，還要將整個(gè)活動(dòng)與周圍的資源以及自然、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)聯(lián)系起來。這些背景、動(dòng)作、信息等認(rèn)知結(jié)構(gòu)，通過具體化的學(xué)習(xí)活動(dòng)在學(xué)生認(rèn)知思維中形成圖式的增生。圖式的增生可以表征為靜態(tài)的陳述性知識(shí)，也可以表征為動(dòng)態(tài)的程序性知識(shí)。

案例片段一：《用手來測量》

師：剛剛我們玩的手指游戲一點(diǎn)都難不倒你們，老師要加大難度了，想不想試一試？

生：想！

師：聽口令！快速伸出你的中指！

（學(xué)生伸出中指。）

師：很好，真整齊！再伸出你的大拇指！

（學(xué)生伸出拇指。）

師：保持住，不要?jiǎng)优叮∧阒垃F(xiàn)在這個(gè)手勢表示什么嗎？

生：像手槍。

生：是7。

師：你們真有想象力?？茖W(xué)上，我們叫它一拃。跟老師讀一次，一拃。

生：一拃！

師：一拃是哪個(gè)手指和哪個(gè)手指之間的距離呢？

生：大拇指和中指。

師：大拇指和中指之間最長的距離叫一拃，所以一定要撐開才行。撐不開的可以放開無名指和小指。

師：一拃就像一把小尺子，可以幫助我們量身邊的物體。你有一拃嗎？讓我看看你的一拃。

（學(xué)生舉起一拃，教師巡視，糾正個(gè)別錯(cuò)誤動(dòng)作。）

師：下面同桌兩個(gè)人一組來玩一個(gè)游戲。我喊一拃，1號(hào)同學(xué)要快速把拇指和中指壓在桌上量出一拃，2號(hào)同學(xué)做小老師監(jiān)督，如果他量得又對又好，請馬上舉手告訴老師！如果不對，請你馬上幫他糾正。

師：1號(hào)同學(xué)一拃！

（學(xué)生在桌上量出一拃，2號(hào)同學(xué)紛紛舉手。）

師：1號(hào)同學(xué)再來一拃！

（學(xué)生在桌上量出一拃，2號(hào)同學(xué)紛紛舉手，比上一次更快了。）

師：現(xiàn)在交換，2號(hào)同學(xué)在桌上量出一拃，1號(hào)同學(xué)做小老師監(jiān)督，對了舉手，錯(cuò)了糾正。2號(hào)同學(xué)準(zhǔn)備，一拃！

本課的學(xué)習(xí)是讓學(xué)生嘗試學(xué)會(huì)使用“一拃”這把尺子去測量周圍的物體。案例中，一拃便是學(xué)生的“尺子”，學(xué)生在活動(dòng)中習(xí)得使用“尺子”的方法，用來測量課桌的高度，獲得了測量工具“一拃”的圖式，解決周圍物體長度測量的問題。“一拃”就是一個(gè)表征記憶中儲(chǔ)存的一般概念的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是一個(gè)知識(shí)包，是程序性知識(shí)具體化的過程。教師通過游戲化的活動(dòng)強(qiáng)化程序性知識(shí)，使學(xué)生增生“一拃”這個(gè)圖式。又如《起點(diǎn)和終點(diǎn)》一課，教師通過青蛙的動(dòng)畫視頻，引出青蛙跳遠(yuǎn)比賽的問題情境，明確學(xué)習(xí)任務(wù)，從而激發(fā)學(xué)生工程思維的參與，聚焦討論尋求辦法解決如何公平比較和測量的問題，從而獲得增生的圖式——“起點(diǎn)”和“終點(diǎn)”。學(xué)習(xí)過程中，工程思維的價(jià)值導(dǎo)向在于首先讓學(xué)生學(xué)會(huì)怎么做，再讓他們學(xué)以致用，嘗試使用所增生的圖式（比如一拃、起點(diǎn)、終點(diǎn)等指標(biāo)）去解決實(shí)際的測量問題。圖示的增生伴隨著概括和抽象能力的發(fā)展，激活了工程思維。

理解“尺子”原理——認(rèn)知圖式調(diào)整，激發(fā)工程思維的優(yōu)化

工程思維關(guān)注的是共性，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。以解決問題為目標(biāo)的優(yōu)化論證學(xué)習(xí)活動(dòng)可以引發(fā)學(xué)生對已有圖式的修正及新圖式的獲得。當(dāng)已有增生圖式經(jīng)發(fā)展而變得與現(xiàn)有經(jīng)驗(yàn)更一致時(shí)，就出現(xiàn)了對概念和原理的重新調(diào)整。當(dāng)學(xué)生發(fā)現(xiàn)掌握的方法在實(shí)際運(yùn)用中出現(xiàn)矛盾或缺點(diǎn)，需要改進(jìn)時(shí)，會(huì)對原認(rèn)知進(jìn)行調(diào)整和修正。本單元從非標(biāo)準(zhǔn)單位到標(biāo)準(zhǔn)單位的學(xué)習(xí)，逐步理解“尺子”的正確使用原理是一個(gè)不斷調(diào)整、修正的學(xué)習(xí)過程，調(diào)整過程即為工程思維中的優(yōu)化論證。

案例片段二：《用不同的物體來測量》

師：如何做好實(shí)驗(yàn)，小組開始討論。

（黑板提示：1.你們小組測量結(jié)果相同嗎？2.如果不同是什么原因引起的？之后學(xué)生測量，把紙條測量的結(jié)果匯報(bào)給老師，8個(gè)小組結(jié)果相同：用小棒測量第一個(gè)紙條時(shí)，都是5個(gè)多一點(diǎn)，記作5+;用小立方體測量第二個(gè)紙條時(shí)，都是13個(gè)多一點(diǎn)，記作13+。）

師：用小棒測量都是5+，用小立方體測量都是13+。你認(rèn)為哪個(gè)紙條更長一點(diǎn)？

生：用小立方體測量的紙條。

師：為什么？

生：用小立方體測量的結(jié)果比小棒多了一些。

生：我也覺得用小立方體測量的紙條長。

生：因?yàn)樾“舯刃×⒎襟w“走得”少一些。

師：我們來看一看，到底誰的長（實(shí)物投影比較）。用不同物體來測量，結(jié)果能比較嗎？

生：不能。

師：結(jié)果不便于比較。為了方便比較，我們得選擇相同的物體來測量對不對？不然你測量你的，我測量我的，不能比較，因此我們要選擇同一個(gè)物體來測量進(jìn)行比較。小棒和小立方體，你們更喜歡用哪個(gè)來測量？

生：小棒，測量很快，但是太細(xì)。

生：小立方體。

師：為什么？

生：它不像小棒會(huì)滾動(dòng)。

案例片段三：《用相同的物體來測量》

師：小立方體不會(huì)滾，一個(gè)一個(gè)地測量太麻煩了，你們有沒有辦法測得更快點(diǎn)？

生：把它們拼起來。

師：老師把10個(gè)拼起來，那這個(gè)測一次就是多少？

生：10個(gè)。

師：我們來測一測一張白紙，請你來演示。

（學(xué)生演示10個(gè)10個(gè)地測量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，兩排10個(gè)立方體還有多出來的部分，多余的部分用1個(gè)立方體測量后再記錄下來。）

生：23+。

師：（再擺出兩排10個(gè)立方體連起來）誰能快速測出書本是多少個(gè)立方體？

生：25+。

案例片段二通過不同物體的測量結(jié)果出現(xiàn)的矛盾，引發(fā)優(yōu)化方案的對比和討論，發(fā)現(xiàn)利用小方塊的測量方法更加便利。案例片段三中教師進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生思考用一個(gè)方塊測量的局限，如何提高測量的效率，由此學(xué)生想到從一到十進(jìn)制的測量方法，當(dāng)新知識(shí)符合原有圖式時(shí)，被直接納入同化;當(dāng)原有圖式無法適應(yīng)新知識(shí)時(shí)，個(gè)體對原有圖式進(jìn)行調(diào)整改造、補(bǔ)充和修正，形成新的圖式，這便是工程思維的優(yōu)化。學(xué)會(huì)論證被認(rèn)作是促進(jìn)思考、建構(gòu)新理解的核心過程。學(xué)生在合作探究的過程中通過測試和評估，激發(fā)優(yōu)化方案論證，對原本的方案和決策進(jìn)行改進(jìn)、優(yōu)化，調(diào)整原來的認(rèn)知概念或者原理，促進(jìn)工程思維的辯證發(fā)展。

工程解決方案需要經(jīng)歷辯論的過程，這一過程包括對于潛在隱患的多因素分析，或成本、美學(xué)、功能分析等。最佳設(shè)計(jì)的產(chǎn)生也需要經(jīng)歷相似的批判和論證過程。理解錯(cuò)誤觀點(diǎn)的錯(cuò)誤之處、設(shè)計(jì)缺陷的原因與懂得正確的觀點(diǎn)為什么正確和設(shè)計(jì)成功的原因一樣重要。如《做一個(gè)測量紙帶》一課中，教師拿出兩個(gè)杯子讓學(xué)生用小方塊測量，問學(xué)生如何測量小杯子一圈的長度和大杯子一圈的長度，用小方塊能測嗎？學(xué)生意識(shí)到實(shí)際測量用小方塊無法彎曲的困難，從而思考其他測量方法。教師提示：給你紙條能測嗎？學(xué)生恍然大悟——可以繞起來。利用已有的圖式方法無法解決現(xiàn)有的問題，需要對原來的圖式進(jìn)行調(diào)整，從而激發(fā)學(xué)生的工程辯證優(yōu)化思維;同時(shí)明確本課的學(xué)習(xí)任務(wù)目標(biāo)，體會(huì)做一個(gè)測量紙帶的實(shí)踐意義，滲透工程思維的價(jià)值導(dǎo)向和優(yōu)化原則。

設(shè)計(jì)制作“尺子”——認(rèn)知圖式重建，搭建工程思維的框架

圖式的不斷重建，是工程思維不斷獲得新發(fā)展的生長點(diǎn)。工程思維的發(fā)展就是一個(gè)不斷選擇圖式、靈活運(yùn)用圖式和構(gòu)建圖式的過程。工程思維作為一種“設(shè)計(jì)”并構(gòu)建新的存在物的思維，必然內(nèi)在地包含著遵循事物因果聯(lián)系與規(guī)律的科學(xué)思維方式以及遵循方法手段操作流程與規(guī)范的技術(shù)思維方式。一般高年段的工程活動(dòng)以項(xiàng)目式學(xué)習(xí)為支架，在經(jīng)歷“設(shè)計(jì)—改進(jìn)—再設(shè)計(jì)—再改進(jìn)”的過程中，通過設(shè)計(jì)圖或方案制作模型?；谝荒昙墝W(xué)生的學(xué)習(xí)水平，往往偏向圖式的改進(jìn)為模型的基礎(chǔ)建構(gòu)方式。工程思維的發(fā)展貫穿整個(gè)構(gòu)建和造物的過程中，需要通過一系列結(jié)構(gòu)化的活動(dòng)促進(jìn)認(rèn)知圖式的重建，最終幫助學(xué)生在螺旋向上的思維提升過程中，搭建工程思維模型的立體框架。

如《做一個(gè)測量紙帶》教學(xué)活動(dòng)，蘊(yùn)含整個(gè)單元的技能和方法的綜合應(yīng)用，制作的過程比較簡單，重點(diǎn)以科學(xué)合理的方式標(biāo)注尺子的刻度，實(shí)際上卻如燕子銜泥般搭建了學(xué)生工程思維的立體模型，讓學(xué)生經(jīng)歷整個(gè)單元的學(xué)習(xí)并逐步領(lǐng)會(huì)工程技術(shù)的發(fā)展。只有理解了尺子設(shè)計(jì)的歷程和意義，才能制作出尺子的雛形。在《比較測量紙帶與尺子》一課的教學(xué)中，教師出示測量紙帶，問學(xué)生測量時(shí)可能需要用到哪些特點(diǎn)，學(xué)生說出數(shù)字、方框、間隔一樣長等等。在掌握了這些必備要素的學(xué)習(xí)基礎(chǔ)上，然后通過視頻指導(dǎo)，學(xué)生嘗試測量。測量結(jié)束后，教師將兩種不同紙帶測量的結(jié)果展示在黑板上進(jìn)行比較，引發(fā)結(jié)果多樣性的討論。進(jìn)而出示標(biāo)準(zhǔn)的尺子，讓學(xué)生進(jìn)行測量，對比測量結(jié)果讓學(xué)生進(jìn)一步認(rèn)識(shí)尺子是根據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)制定的，這樣更加精確，更加標(biāo)準(zhǔn)（如上圖）。一系列結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)，逐層遞進(jìn)，幫助學(xué)生構(gòu)建尺子形成和逐漸標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的立體模型。這個(gè)思維模型的產(chǎn)生是積極主動(dòng)的，學(xué)生理解了尺子的使用原理，經(jīng)歷產(chǎn)生、發(fā)展、改進(jìn)、完善的歷程，體驗(yàn)工程活動(dòng)的學(xué)習(xí)是一個(gè)不斷去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的過程。

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。通過從非標(biāo)準(zhǔn)單位逐漸到標(biāo)準(zhǔn)單位的調(diào)整過程，不斷在類比學(xué)習(xí)中，調(diào)整圖式適應(yīng)新的情境，調(diào)整新的技能方法、思維方式適應(yīng)新的解決問題的情境，進(jìn)而創(chuàng)造了一個(gè)新的圖式，形成圖式的重建過程，工程思維的滲透發(fā)展在經(jīng)驗(yàn)的反復(fù)一致中修正、更新、總結(jié)、清晰，最終形成立體框架模型。圖式的重建，讓知識(shí)系統(tǒng)化、序列化、結(jié)構(gòu)化，從而搭建工程思維穩(wěn)定、有序、理性的認(rèn)知框架。

提取“尺子”模式——認(rèn)知圖式遷移，架構(gòu)工程思維的體系

認(rèn)識(shí)并使用工具是技術(shù)類課型的基礎(chǔ)教學(xué)內(nèi)容，學(xué)生的工程素養(yǎng)和工程思維從一年級便已經(jīng)開始培養(yǎng)。縱觀《比較與測量》整個(gè)單元，蘊(yùn)藏著一條暗線，就是尺子的發(fā)展歷程。學(xué)生可能已經(jīng)接觸使用過尺子，卻并不知道尺子是怎樣產(chǎn)生和發(fā)展出來的。本單元的學(xué)習(xí)，旨在希望通過一系列感知活動(dòng)讓學(xué)生對測量工具的發(fā)展歷程上升到一個(gè)理性的認(rèn)識(shí)，建立尺子發(fā)展的模型。整個(gè)單元的工程思維目標(biāo)發(fā)展體系大致見右表，分析每課的內(nèi)部邏輯架構(gòu)，在每課教學(xué)中通過指向明確的學(xué)習(xí)任務(wù)，建立聯(lián)系，搭建思維發(fā)展的橋梁，逐步滲透工程思維的教學(xué)。

通過整個(gè)單元的學(xué)習(xí)活動(dòng)，學(xué)生具備了更多的科學(xué)知識(shí)和工程思維，從一個(gè)測量“新手”變成一個(gè)測量“專家”，從逐步學(xué)會(huì)使用“尺子”到發(fā)明“尺子”，從而建立測量的系列圖式，建立“尺子”發(fā)展的思維模型。思維模型的建立為日后工程推理、預(yù)測、決策、應(yīng)用等研究奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)學(xué)生習(xí)得的這些概念方法或觀念被儲(chǔ)存于認(rèn)知記憶中，圖式變得自動(dòng)化，在今后解決測量問題中，已有的自動(dòng)化的圖示或思維模型就會(huì)被激活，可以將這些工程技能方法、工程思維模式提取并加以使用。從某種意義上說，他們解決問題的方式就是識(shí)別出以前經(jīng)歷過的模式，并將這些模式與當(dāng)前問題的相應(yīng)方面進(jìn)行匹配，用于解決更復(fù)雜的技術(shù)工程問題，將原有知識(shí)遷移到新問題情境中。理解了尺子的發(fā)展模型，打下了“應(yīng)該如何做”的解決問題的工程思維基礎(chǔ)，對于中、高年段學(xué)生思維的發(fā)展（比如測力計(jì)的使用原理、計(jì)時(shí)工具的發(fā)展等）奠定了良好的認(rèn)知基礎(chǔ)。

工程思維體現(xiàn)了從認(rèn)知到實(shí)踐的思維飛躍，其思維成果改變著人們的生存方式，建構(gòu)新的生活樣態(tài)，是改變世界的思維?？茖W(xué)教師從工程思維角度去考慮教學(xué)是不可或缺的。在低年段科學(xué)教學(xué)中重視培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)，在教學(xué)活動(dòng)中借助圖式理論，逐步滲透工程思維的教育，為學(xué)生核心學(xué)習(xí)力的發(fā)展奠定基礎(chǔ)，夯實(shí)底層思維建筑，推動(dòng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的長足發(fā)展。

浙江省溫州市龍灣區(qū)嶼田實(shí)驗(yàn)小學(xué)

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