科學(xué)教學(xué)中“逆向工程”教學(xué)模式的建構(gòu)

摘要 以工程師反向產(chǎn)品分析方法建構(gòu)適合學(xué)生的“玩→猜→拆→研→創(chuàng)”逆向工程教學(xué)模式，可以潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，并在適合學(xué)生年齡特點的逆向工程實踐中鼓勵學(xué)生積極參與工具和材料的使用、靈活掌握工程方法，持續(xù)保持工程品質(zhì)，提升學(xué)生工程素養(yǎng)。

關(guān)? 鍵? 詞 科學(xué)教學(xué) 逆向工程 工程素養(yǎng) 教學(xué)模式

引用格式 芮春花.科學(xué)教學(xué)中“逆向工程”教學(xué)模式的建構(gòu)[J].教學(xué)與管理，2022（20）：62-64.

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱新課標(biāo)）強調(diào)，科學(xué)課程旨在培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，包括科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實踐、態(tài)度責(zé)任四個方面。其中，探究實踐主要指在了解和探索自然、獲得科學(xué)知識、解決科學(xué)問題，以及在技術(shù)與工程實踐過程中，形成的科學(xué)探究能力、技術(shù)與工程實踐能力和自主學(xué)習(xí)能力[1]。技術(shù)與工程實踐能力中特別強調(diào)了解技術(shù)與工程實踐的一般過程與方法。技術(shù)與工程部分的學(xué)習(xí)要基于學(xué)生已有知識經(jīng)驗和認(rèn)知水平，綜合利用學(xué)科核心概念和跨學(xué)科概念，通過跨學(xué)科綜合實踐，解決真實情境中的技術(shù)與工程問題，而且要關(guān)注技術(shù)與工程問題的規(guī)范性，讓學(xué)生養(yǎng)成通過“動手做”解決問題的習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生的探究實踐能力。[2]常見技術(shù)與工程類型的課上教師常常強調(diào)針對實際需求明確問題，設(shè)計并制作一個產(chǎn)品。然而，在提出這個需求之前，教師常常忘記考慮學(xué)生是否具有工程實踐相關(guān)前經(jīng)驗，是否靈活掌握工程實踐過程與方法？是否熟悉工具和材料的使用，是否具備相應(yīng)工程實踐品質(zhì)？那么，如何在工程項目開始之前有效提升學(xué)生工程實踐能力，規(guī)范其工程與實踐方法，培養(yǎng)其工程實踐素養(yǎng)？筆者認(rèn)為學(xué)生分析一個較為復(fù)雜的真實產(chǎn)品的過程恰好彌補了這一空白，即逆向工程。

如果把傳統(tǒng)的按照“明確問題—前期研究—設(shè)計方案—制作模型—測試評估—展示交流”的產(chǎn)品形成過程稱為正向工程，那么“獲得產(chǎn)品—分析拆解—學(xué)習(xí)原理—改進設(shè)計”的流程就可以稱為反向分析產(chǎn)品的過程，即逆向工程。

那么，如何將工程師的反向產(chǎn)品分析過程轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合提高學(xué)生工程素養(yǎng)的逆向工程學(xué)習(xí)流程，筆者結(jié)合課堂教學(xué)實踐，嘗試建構(gòu)適合學(xué)生的“玩→猜→拆→研→創(chuàng)”逆向工程教學(xué)模式（如圖1）。以下將以筆者設(shè)計的“八音盒”一課為例具體說明。

一、玩——在觀察與歸納中實現(xiàn)情境帶入

八音盒悠揚的樂聲經(jīng)常勾起人們對美好往事的回憶，使人們墜入對時光歲月的追憶中。八音盒是一種深受學(xué)生喜愛的機械發(fā)音樂器，其工作原理蘊含了學(xué)生熟知的關(guān)于聲音、傳動等方面的相關(guān)科學(xué)概念。

課的開始，教師搖動手搖八音盒，通過聽悠揚且熟悉的八音盒樂曲，激發(fā)其探究興趣。此時，引出探究問題：與其他樂器相比，八音盒發(fā)出的聲音以及其發(fā)音的方式與其他樂器相比，有什么特點？課件中出現(xiàn)一些常見樂器的圖片，幫助學(xué)生回憶常見樂器的特點，學(xué)生自然而然將思維聚焦到八音盒獨特的特征與構(gòu)造上。帶著這一問題，學(xué)生兩人一組玩一個不透明的八音盒，在玩的過程中仔細(xì)觀察八音盒，獲得其外部信息，為猜測內(nèi)部構(gòu)造做好準(zhǔn)備。

處于小學(xué)階段的學(xué)生不喜歡枯燥無味的說教式被動學(xué)習(xí)，更喜歡通過生活化、學(xué)生化的方式展開主動學(xué)習(xí)。只有將學(xué)生帶入到真實的情境中，他們才會切身體會到學(xué)習(xí)的意義，每個學(xué)生都是一個個體，對問題都有自己個性化的解決方式，對工程產(chǎn)品也有自己的分析之道。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀認(rèn)為學(xué)習(xí)不僅是大腦在活動，也是大腦與身體、環(huán)境的聯(lián)合。所以在工程設(shè)計活動中教師要通過真實的任務(wù)或者產(chǎn)品刺激學(xué)生的感官，產(chǎn)生情感的共鳴，讓真實的工程任務(wù)或產(chǎn)品增加學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性，激發(fā)其探究的熱情。

在玩八音盒的過程中，學(xué)生已經(jīng)被帶入工程師的真實工作情境中，且這一真實情境對學(xué)生而言是富有意義的，因為這是他們切身想去了解的一件不熟悉且較為復(fù)雜的產(chǎn)品，他們需要綜合調(diào)動各種感官，仔細(xì)捕捉產(chǎn)品的外部特征，具身其中。這樣真實的情境能迅速激起學(xué)生的求知欲，促進其深度思考。在真實的情境中明確一個對學(xué)生有意義的工程任務(wù)，且讓其浸潤其中，是提升學(xué)生工程素養(yǎng)的基礎(chǔ)。

二、猜——在思考與推測中發(fā)展工程思維

在觀察之后，師生、生生之間交流八音盒發(fā)音和發(fā)音方式上的特點。在交流的時候有些學(xué)生更關(guān)注發(fā)音的特點，如一個循環(huán)播放的、聲音清脆的樂曲片段;有些學(xué)生更關(guān)注發(fā)音方式上的特點，如金屬與金屬間的敲擊、多個簧片被彈撥等。教師在學(xué)生交流時充當(dāng)記錄員，有意識地將他們對這兩個問題的思考按外部信息和對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的推測兩個方面分類板書。

在“猜”這一環(huán)節(jié)，教師有意識地將學(xué)生的回答通過板書分類處理（從上而下板書學(xué)生觀察到的外部信息，從下往上板書學(xué)生猜測的內(nèi)部情況），讓學(xué)生明白他們的想法一部分來自于外部信息的捕捉，另一部分其實來自于根據(jù)外部信息對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的推測。但是學(xué)生自己并沒有意識到他們已經(jīng)從觀察自發(fā)地走向了猜測，而板書是一種可視化的教學(xué)語言，教師可以通過板書的處理將學(xué)生的思維顯性化，讓學(xué)生的隱性思維變得顯性且有邏輯。

通過顯性化的思維過程，讓學(xué)生明白工程師在分析一件產(chǎn)品的時候也是從“外”到“內(nèi)”，由“靜”的狀態(tài)轉(zhuǎn)向“動”的機制。工程思維的形成是一個漫長的、需要逐步培養(yǎng)的過程。如果教師能適當(dāng)?shù)卦诠こ淘矸矫婊蛘咴趯W(xué)生表露出對問題的想法時給予他們一些指導(dǎo)和整理，那么將對他們的工程思維產(chǎn)生極大的促進作用。

三、拆——在拆解與分析中鍛煉工程能力

學(xué)生交流自己的猜想與推測后，教師指著板書拋出問題：這些都是你們的想法，里面是不是這樣呢？怎么才能知道？學(xué)生回答——拆開看看?！安稹笔悄嫦蚬こ讨兄匾囊徊?，與其灌輸式告訴學(xué)生如何去拆，不如一句“工程師也常常用拆的方法分析產(chǎn)品，那你為什么要拆？”讓學(xué)生明確自己拆的目的是為了將先前的推測與拆開之后的情況進行對比，置身其中，沉浸于此項工程之中。

工程活動中的拆不是破壞，因為學(xué)生要拆自己手中的八音盒，所以他會思考如何拆，即有序細(xì)致、分門別類。有序細(xì)致是工程師的品質(zhì)，分門別類是逆向工程中分析零件結(jié)構(gòu)的重要方法。隨后，學(xué)生動手拆解八音盒，拆解的過程中學(xué)生由外及內(nèi)關(guān)注各零件間的結(jié)構(gòu)，并參與小組間的交流。

工程素養(yǎng)包括以工程與技術(shù)為本體的工程知識，更包括畫圖、工具使用等通識性技能的工程能力。工具是物化的技術(shù)，而只有在真實且具體的任務(wù)中，技術(shù)才能顯示出其特有的意義，八音盒的拆解與分析就是具體的任務(wù)。使用工具是學(xué)生對已有技術(shù)體驗與感知最為直接和有效的途徑[3]。教師應(yīng)根據(jù)不同年齡段學(xué)生實踐能力的特點，為其設(shè)計合適的有關(guān)工具使用的工程任務(wù)，讓學(xué)生在真實的工程任務(wù)中逐步掌握一定的技術(shù)知識，并鍛煉其使用工具的能力。教師只有給予學(xué)生充分的實踐機會，他們才能對習(xí)得的技術(shù)反復(fù)練習(xí)、靈活運用，從而提升工程能力。

四、研——在解析與探究中鐫刻工程方法

學(xué)生對八音盒內(nèi)部零件有了清晰的認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)這樣小巧的空間內(nèi)部包括傳動部分和發(fā)聲部分后，他們急于表達，怎樣的表達更有利于學(xué)生從工程知識走向工程思維、工程方法，實現(xiàn)其工程素養(yǎng)的提升？這是需要教師思考的，于是本課設(shè)計了以下的工程活動。

布置任務(wù)：各部件之間是怎樣聯(lián)系起來一起工作的。用圖文結(jié)合的方式記錄、整理、表述自己的分析。一方面，用任務(wù)引領(lǐng)學(xué)生從關(guān)注“靜態(tài)”零件及組合走向?qū)Ω鞑考g“動態(tài)”運轉(zhuǎn)機制的分析，從而引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會綜合運用所學(xué)知識初步分析一個較為復(fù)雜的產(chǎn)品;另一方面，畫產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖是工程素養(yǎng)中不可缺少的一環(huán)，學(xué)生在畫圖的過程中或用不同角度的視圖（正視圖、俯視圖、右視圖等），或用分解圖，或用組裝圖表達各零件組合起來的樣子以及各部件之間是如何配合的。經(jīng)過畫圖這一靜態(tài)過程的沉淀，在接下來的借助圖紙的動態(tài)交流過程中，學(xué)生的思路更加清晰，表達的邏輯更加嚴(yán)密。在全班的交流解析中，學(xué)生對八音盒的工作原理有了整體的認(rèn)知。這其實是工程活動中的系統(tǒng)分析，即一種整體性思維方式，把認(rèn)識對象當(dāng)做系統(tǒng)來看待，在系統(tǒng)與要素、要素與要素、系統(tǒng)和環(huán)境的相互聯(lián)系、相互作用中分析問題、解決問題。

至此，學(xué)生的研究還不夠，教師在學(xué)生研究基礎(chǔ)上拋出兩個研究問題：八音盒發(fā)出的旋律能不能倒著播放？小小八音盒能發(fā)出不同的音調(diào)，形成一段旋律，是怎么實現(xiàn)的？在開放問題的引領(lǐng)下深入研究，學(xué)生關(guān)注到工程師在運用概念的同時還必須有精妙的設(shè)計，在問題的驅(qū)動下學(xué)生進行細(xì)致的觀察與分析，找到復(fù)雜產(chǎn)品的核心設(shè)計。

如果用圖文結(jié)合的方式表達八音盒零件間的有效配合是解析內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“淺研”，那么，對上述兩個問題的深入研究，就是探明核心技術(shù)的“深研”。由“淺”入“深”，既有利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)八音盒的核心技術(shù)，更是對逆向工程中重要分析方法的學(xué)習(xí)，即由整體到核心。

五、創(chuàng)——在設(shè)計與創(chuàng)新中拓寬學(xué)習(xí)維度

在學(xué)生拆解和研究之后，教師提出挑戰(zhàn)任務(wù)：設(shè)計并制作一個可以播放指定樂曲的八音盒。跟常見的STEM教學(xué)中工程設(shè)計階段的開放式任務(wù)不同，這是一個半開放式的挑戰(zhàn)任務(wù)。逆向工程的本質(zhì)是模仿創(chuàng)新，模仿創(chuàng)新有兩條路徑：一是掌握核心技術(shù)并應(yīng)用于他物;二是受到原產(chǎn)品的啟發(fā)，形成根本性創(chuàng)新設(shè)計。在完全創(chuàng)新之前這樣的仿創(chuàng)是必要的，既能夠讓學(xué)生保持持續(xù)研究的興趣，又能給學(xué)生提供創(chuàng)造的空間。學(xué)生完全掌握八音盒的核心技術(shù)后，創(chuàng)新對他們來說將不再是難事。

本課教學(xué)不僅是讓學(xué)生仿創(chuàng)八音盒，更重要的是借助八音盒的分析教會學(xué)生一種分析較為復(fù)雜產(chǎn)品的方法，希望學(xué)生可以運用這種方法分析生活中更多的物品，運用逆向工程思維找到工程產(chǎn)品的核心技術(shù)，完成產(chǎn)品的根本性創(chuàng)新，從而拓寬學(xué)習(xí)的寬度與廣度。

適合學(xué)生的逆向工程教學(xué)的根本目的是提升學(xué)生工程素養(yǎng)。如果說對八音盒的系統(tǒng)分析是明線，那“玩→猜→拆→研→創(chuàng)”這樣符合學(xué)生心理的逆向工程教學(xué)就是本課的暗線。雙線并進既在對八音盒的系統(tǒng)分析中潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，又在適合學(xué)生年齡特點的逆向工程實踐中鼓勵學(xué)生積極參與工具和材料的使用，靈活掌握工程方法，提升學(xué)生的工程素養(yǎng)。

我們常常覺得一節(jié)課或者幾節(jié)課下來學(xué)生需要做出某個物品或者理解某個科學(xué)概念，但在這個過程中學(xué)生思維方面的獲得更重要。但是任何一個項目的實施都是需要時間的，對教師、對學(xué)生都是一個挑戰(zhàn)。“玩→猜→拆→研→創(chuàng)”這一逆向工程教學(xué)模式突破短周期工程設(shè)計的難點，為更多工程實踐課程的實施提供了可參考的模式，也為學(xué)生認(rèn)識復(fù)雜產(chǎn)品提供了一個較為成熟的方法。郝京華教授指出，我們對工程實踐課堂的研究與世界平齊，只要我們勇于對傳統(tǒng)課堂發(fā)起挑戰(zhàn)，那么工程實踐教育將不斷產(chǎn)生新的飛躍。

參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）[S].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022.

[2] 胡衛(wèi)平.在探究實踐中培育科學(xué)素養(yǎng)——義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）解讀[J].基礎(chǔ)教育課程，2022（10）：39-45.

[3] 邵鋒星. 小學(xué)階段如何培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)與工程思維[J]. 人民教育，2021（Z3）：99-102.

*該文為南京市“十四五”重點規(guī)劃課題“小學(xué)教師研究型文化建設(shè)的實踐研究”（LZD/2021/03）、“主動聯(lián)結(jié)：兒童科學(xué)學(xué)習(xí)新范式的區(qū)域研究”（LZD/2021/68）的研究成果