基于項(xiàng)目化迭代設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)工程思維培養(yǎng)策略探究

朱依晴

（浙江省杭州錢塘新區(qū)義蓬第一小學(xué) 浙江杭州 311225）

工程思維是人們在社會實(shí)踐活動中所具備的基本思維意識，有著科學(xué)性、邏輯性和創(chuàng)造性等特征。[1]在新課改背景下，培養(yǎng)小學(xué)生工程思維是小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的重要目標(biāo)。但是，受到傳統(tǒng)教學(xué)模式的影響，小學(xué)科學(xué)教學(xué)中教師一直都忽視了對學(xué)生工程思維的培養(yǎng)，既不利于學(xué)生探究問題、解決問題能力的提升，又不利于推動小學(xué)科學(xué)課程的發(fā)展?！暗季S”是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展下的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)也為教育注入了新的活力?；诖耍旅鎸陧?xiàng)目化迭代設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)工程思維培養(yǎng)進(jìn)行分析與探究。

一、相關(guān)概念闡述

（一）迭代設(shè)計(jì)

迭代是指基于循環(huán)反饋過程的活動，其主要目的是通過不斷地嘗試與完善來逐步逼近想要達(dá)到的目標(biāo)與結(jié)果。[2]迭代設(shè)計(jì)則是指先建立一個近似模型，然后收集新的參數(shù)，繼續(xù)實(shí)現(xiàn)一個更近似的模型的過程。在數(shù)學(xué)領(lǐng)域中，迭代就是一個函數(shù)模型，在程序設(shè)計(jì)中，迭代就是一種算法，在軟件開發(fā)中，它就是常見的模型。目前，迭代設(shè)計(jì)已經(jīng)開始融到了學(xué)科教學(xué)中，并給予了其更加豐富的含義。

（二）項(xiàng)目化

現(xiàn)代教學(xué)中如何采用有效的教學(xué)途徑來提升學(xué)習(xí)質(zhì)量一直都是教育界所關(guān)注的問題。項(xiàng)目是教學(xué)法是現(xiàn)代教學(xué)中的重要手段，特別是在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的背景下，項(xiàng)目教學(xué)法更是發(fā)揮這高效的作用。在小學(xué)科學(xué)課程教學(xué)中可以發(fā)現(xiàn)，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展速度較快，基本上無法保證課本的內(nèi)容完全能夠跟上時代，解決這一問題的方法就是采用項(xiàng)目教學(xué)，讓學(xué)生通過“做中學(xué)”來完成教學(xué)目標(biāo)，達(dá)到科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)多方面發(fā)展的STEAM教學(xué)要求。項(xiàng)目化教學(xué)法在近些年來也逐漸成為我國國內(nèi)教育者研究的熱門對象。

（三）工程思維

人們的思維活動通常都對應(yīng)著實(shí)踐活動，與工程實(shí)踐活動相對應(yīng)的就是工程思維。工程思維的設(shè)計(jì)性與實(shí)踐性決定了其在現(xiàn)實(shí)世界中的應(yīng)用，推動了人們的創(chuàng)造活動。工程思維具有科學(xué)性、邏輯性與藝術(shù)性統(tǒng)一以及容錯性的特征。在本課題研究過程中，將工程思維看作是解決問題過程中的一種思維方式，這個需要解決的問題就被稱作為“工程”。學(xué)生分工不同，他們在工程中所扮演的角色就不同，包括了工程決策者、工程設(shè)計(jì)師以及工程實(shí)施者等等。

二、基于項(xiàng)目化迭代設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)工程思維培養(yǎng)模型設(shè)計(jì)

（一）整合性

STEAM教學(xué)理念強(qiáng)調(diào)了學(xué)科之間的整合，在項(xiàng)目化迭代設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)課程教學(xué)中，教師同樣也要為科學(xué)課程以及其他學(xué)科課程搭建出一個橋梁，根據(jù)項(xiàng)目開展要求來創(chuàng)設(shè)出具體的知識情境，實(shí)現(xiàn)科學(xué)探究與工程設(shè)計(jì)并行的要求。同時，工程思維具有科學(xué)性、邏輯性與藝術(shù)性的特征，在解決工程問題的過程中本身就會涉及到不同類型的學(xué)科問題，包括科學(xué)、技術(shù)工程和數(shù)學(xué)等等。[3]因此，基于項(xiàng)目戶迭代設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)活動設(shè)計(jì)過程中，教師必須要關(guān)注項(xiàng)目中各學(xué)科的整合性，融合科學(xué)、技術(shù)、工程和數(shù)學(xué)相關(guān)領(lǐng)域的知識。也只有如此，才能夠讓項(xiàng)目實(shí)施過程中為學(xué)生提供最真實(shí)的情感體驗(yàn)，感受知識融合的意義，從而真正形成高階思維技能——工程思維。

（二）連續(xù)性

在STEAM教學(xué)理論指導(dǎo)下的課堂教學(xué)是一個不斷成熟與完善的過程，它改變了傳統(tǒng)教學(xué)中以教師為中心的教學(xué)模式，強(qiáng)調(diào)了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的主體作用，用循序漸進(jìn)的方法來培養(yǎng)學(xué)生的高階思維，即解決問題的能力。在項(xiàng)目化迭代思維的小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生工程思維更不是一個簡單的事情，是一個完整的工程活動必然會經(jīng)過反復(fù)的迭代。所以，在項(xiàng)目化教學(xué)活動中，教師必須要在STEAM理念的指導(dǎo)下，關(guān)注模型的適用性，合理考慮各種教學(xué)因素，確保小學(xué)階段工程思維培養(yǎng)的連續(xù)性。

三、活動的基本環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)

培養(yǎng)學(xué)生的工程思維并非是要進(jìn)行工程教育，同時針對的對象是小學(xué)生，他們的認(rèn)知能力和認(rèn)知水平有著局限性，所以項(xiàng)目的內(nèi)容不能過于復(fù)雜，某些工程領(lǐng)域的活動不能完全按照標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行。一般來說，基于項(xiàng)目化迭代設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)工程思維培養(yǎng)過程主要可以分為四個環(huán)節(jié)，包括工程決策、工程設(shè)計(jì)、工程實(shí)施以及工程成果展示。

（一）工程決策階段

工程決策階段包括兩項(xiàng)主要活動，首先是要進(jìn)行工程活動的整體設(shè)計(jì)和安排，其次是要制定和選擇實(shí)施方案。在小學(xué)科學(xué)的項(xiàng)目教學(xué)中，就是指通過對活動開展的環(huán)境、安排以及可行性分析來制定出合適的方案，具體來說可以分為三步：首先，根據(jù)科學(xué)課程的教學(xué)內(nèi)容來明確項(xiàng)目開展的目標(biāo)，之后收集相應(yīng)的資料，制定出多個項(xiàng)目開展的備選方案，最后對備選方案進(jìn)行篩選。當(dāng)然，這三個步驟并非有著嚴(yán)格的先后順序，它們之間可能會出現(xiàn)多次反復(fù)，直到得到最佳的方案。影響工程決策的因素十分廣泛，包括實(shí)踐、外界環(huán)境和決策者等等，這就要求決策人員必須要做到具體問題具體分析，避免死板的思考方式。

工程決策階段雖然只是項(xiàng)目的設(shè)計(jì)階段，但是將會對整個工程活動起到關(guān)鍵的影響。在迭代設(shè)計(jì)中，更是要對每一個決策和設(shè)計(jì)要進(jìn)行反復(fù)地、周密地思考，權(quán)衡所有的條件因素，確保設(shè)計(jì)的可行性，保證工程活動的順利開展。

（二）工程設(shè)計(jì)與再設(shè)計(jì)階段

工程設(shè)計(jì)是對工程決策階段所制定出的方案進(jìn)行細(xì)化的環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了工程決策階段的工程理念，包括對工程任務(wù)、效果、環(huán)境和實(shí)施步驟的全面規(guī)劃。[4]工程設(shè)計(jì)在整個工程開展過程中起到了承上啟下的作用，是集智慧與技術(shù)為一體的體現(xiàn)。在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，做好工程設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)STEAM教學(xué)要求的關(guān)鍵路徑。在項(xiàng)目化迭代設(shè)計(jì)中，工程設(shè)計(jì)階段實(shí)際上就是解決問題的思考過程，其關(guān)鍵就是要根據(jù)問題擬定解決的方案，設(shè)計(jì)具體步驟，再進(jìn)行不斷調(diào)整與分析。具體到小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，學(xué)生首先要根據(jù)工程決策中所制定的方案來進(jìn)行工程各個細(xì)節(jié)的設(shè)計(jì)，做好每個環(huán)節(jié)的開展策略，明確步驟操作。之后再通過小組共同探究的方式來分析設(shè)計(jì)中的不足之處，并對其進(jìn)行修改和完善，完成再設(shè)計(jì)要求。

（三）工程實(shí)施與完善階段

工程實(shí)施階段就是將工程方案以及工程設(shè)計(jì)中抽象理念轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)踐的過程，在基于項(xiàng)目化迭代設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，工程實(shí)施階段應(yīng)該包括工程實(shí)施、工程展示與評估和工程更新與改造三個環(huán)節(jié)。工程實(shí)施階段是對工程決策以及工程設(shè)計(jì)兩個階段的理論研究成果進(jìn)行實(shí)踐檢驗(yàn)的過程，其主要目的是對之前的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，解決其中存在的沖突。工程展示與評估是在完成基本的模型之后，對成果進(jìn)行展示，分析工程決策的正確以及合理性，檢驗(yàn)工程實(shí)施是否可靠。工程的更新與改造是根據(jù)工程展示與評估階段的一種對決策進(jìn)行修改和優(yōu)化的過程，以此不斷調(diào)整工程建造過程，滿足迭代要求。

在小學(xué)科學(xué)的項(xiàng)目教學(xué)中，此階段才真正進(jìn)入到了培養(yǎng)學(xué)生工程思維的實(shí)踐階段，它能夠讓學(xué)生在不斷地嘗試與調(diào)整過程中讓自己的思維從模糊到清晰，從宏觀到具體，形成工程思維。

（四）工程成果展示階段

工程成果就是工程思維在工程中的具體落實(shí)與表現(xiàn)，工程成果的展示階段就是為工程的參與者提供了分享工程成果的機(jī)會，也是對整個工程實(shí)施過程的硅谷與思考。在工程成果展示階段，工程的參與者和實(shí)施者已經(jīng)經(jīng)歷了整個工程開展過程，實(shí)現(xiàn)了知識的積累要求，對這一過程的回顧可以起到對知識的梳理與強(qiáng)調(diào)作用。

四、基于項(xiàng)目化迭代設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)工程思維培養(yǎng)案例

下面將以四年級科學(xué)課中的“設(shè)計(jì)制作車”這一活動問題，具體分析基于項(xiàng)目化迭代設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生工程思維的方法。

對于四年級的學(xué)生來說，他們已經(jīng)具備了一定的認(rèn)知能力、動手能力、交流能了和創(chuàng)新能力，他們能夠完成一定的教學(xué)操作要求，設(shè)計(jì)制作小賽車是五年級科學(xué)中的一節(jié)課，其主要目的是要讓學(xué)生了解工程科學(xué)的原理，運(yùn)用科學(xué)探究方法來解決簡單的日常生活問題，其難度不大，但可以幫助學(xué)生熟悉、了解工程設(shè)計(jì)的過程，為之后的工程活動開展奠定良好的基礎(chǔ)。具體實(shí)施情況如下：

（一）工程決策階段

首先，教師要以引導(dǎo)學(xué)生對日常生活中常見的小車進(jìn)行分析，了解小車的主要構(gòu)造，分析在本次工程活動中學(xué)生需要制作的小車的組件——車輪、車身、發(fā)動機(jī)，明確在制作過程中必須要注意的問題：搭建車身結(jié)構(gòu)、保證車輛的平穩(wěn)前進(jìn)、增加小車的行駛路程。之后，各小組領(lǐng)取工程記錄單，通過填寫記錄單中的內(nèi)容來完成工程的決策。本節(jié)課中筆者所設(shè)計(jì)的工程記錄單內(nèi)容如下：

在該階段中，如果教師發(fā)現(xiàn)有小組出現(xiàn)了不知道如何下手的情況，就必須要及時了解他們出現(xiàn)的問題和原因，從學(xué)生角度出發(fā)，循序漸進(jìn)地進(jìn)行引導(dǎo)，幫助各小組都能夠按時完成工程記錄單的填寫。

（二）工程設(shè)計(jì)與再設(shè)計(jì)階段

在工程設(shè)計(jì)階段，教師要先帶領(lǐng)學(xué)生對小車設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，讓各小組的學(xué)生先對小車進(jìn)行簡單的設(shè)計(jì)，然后再通過查閱資料、尋求教師幫助以及頭腦風(fēng)暴等形式來對設(shè)計(jì)進(jìn)行迭代。需要注意的是，由于四年級的學(xué)生思維方面并不是十分成熟，他們的想法可能會天馬行空，所以教師必須要做好引導(dǎo)，確保工作的效率。之后，各小組成員根據(jù)自己的設(shè)想完成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖，明確在小賽車制作過程中所需要使用的材料，為之后的工程實(shí)施打下基礎(chǔ)。

（三）工程實(shí)施與完善階段

在工程實(shí)施階段開始之后，準(zhǔn)備充足的學(xué)生便可以在工程決策者的帶領(lǐng)下開展工程項(xiàng)目，進(jìn)行小車的搭建。筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，部分小組小車搭建的速度很快，在短短的十九分鐘之后就開始進(jìn)行了賽車的測試，但是卻發(fā)現(xiàn)了“小車原地轉(zhuǎn)圈”的問題。在筆者與學(xué)生通過共同的觀察和分析之后，造成這種情況的原因是兩個輪子不平衡，左輪承受的重力要明顯大于右輪，所有出現(xiàn)了原地轉(zhuǎn)圈的情況。還有些小組出現(xiàn)了賽車動力不足、輪子打滑、零件散落等問題，這些小組的程序設(shè)計(jì)者也很快進(jìn)行了調(diào)整，改進(jìn)了程序的設(shè)計(jì)，解決了這些問題。

之后，各小組對自己的項(xiàng)目成果進(jìn)行了展示與交流，并根據(jù)其他小組的建議開展工程再設(shè)計(jì)。在這個環(huán)節(jié)中，各小組之間的工作效率有了明顯的提升，他們的工作開展更加具有針對性，能夠在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和程序的優(yōu)化，提升工程質(zhì)量。

（四）成果展示與總結(jié)階段

在各小組完成再設(shè)計(jì)之后，教師要組織學(xué)生進(jìn)行最后的成果展示，由小組代表闡述工程設(shè)計(jì)與實(shí)施過程中的想法，并聽取教師與其他學(xué)生所提出的改進(jìn)方案。在分享完畢之后，教師要帶領(lǐng)學(xué)生回顧整個制作過程，幫助學(xué)生完成自我評價(jià)和作品評價(jià)，吸取整個活動中的經(jīng)驗(yàn)。

五、結(jié)束語

基于項(xiàng)目化迭代設(shè)計(jì)的小學(xué)科學(xué)工程教學(xué)目前還是一個并不完善的教學(xué)模式，在該模式中培養(yǎng)學(xué)生工程思維的策略更需要教師進(jìn)行思考與分析。在工程項(xiàng)目的開展過程中，教師的探索和研究、學(xué)生的自主創(chuàng)新都是需要關(guān)注的問題。只有不斷提升學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)，讓學(xué)生成為工程項(xiàng)目開展過程中的中心，保證他們的思維可以不斷完善與發(fā)展，才能夠?yàn)樯鐣囵B(yǎng)出更多具有工程思維的創(chuàng)造人才。