交給學生一把工程思維的金鑰匙

史振華

〔摘? ? 要〕? 2022年版《義務教育科學課程標準》把“技術與工程”作為核心概念之一，旨在引導學生在具體的工程問題中，利用技術優(yōu)勢解決實際問題，提升創(chuàng)新精神和實踐能力。小學科學教育愈加重視培養(yǎng)學生基于問題解決和工程設計等的科學素養(yǎng)，搭建“設計—制作”中工程思維的支架，需要從操作同理實驗、拆卸玩具結構、繪制圖示模型、分析實驗數(shù)據(jù)、設計思維導圖幾方面入手，最終促進學生科學思維能力的提升。

〔關鍵詞〕? 小學科學；工程思維；能力

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A? ? ? ? 〔文章編號〕? 1674-6317? （2023）? 13-0004-03

生活是探究的起點。學生從出生到長大，在自己的生活中接觸了很多玩具和實物，在潛意識“玩”的過程中，利用感興趣的材料，開動自己的腦筋，在拼裝、搭建和觀察的過程中完成簡單的任務。因此，學生是天生的探究者和工程師，具有與生俱來的好奇心和解決問題的意識。作為科學教師，要利用學生善于實踐的特點，幫助他們在工程制作中解決實際問題，更好地認識周圍的世界。

2022年版《義務教育科學課程標準》重新定位了1～6年級科學課程的性質，主要體現(xiàn)在科學課程的基礎性、實踐性和綜合性上。課程內容新增了技術與工程領域，說明小學科學教育愈加重視培養(yǎng)學生基于問題解決和工程設計等的科學素養(yǎng)。我們將科學發(fā)現(xiàn)和技術發(fā)明以及工業(yè)發(fā)展結合在一起，就能激發(fā)學生的工程思維，發(fā)揮工程思維在科學教學中的重要作用。

工程思維，是在具體的工程任務情境中，產生問題需求，明確問題，進而圍繞這個問題進行方案設計、實施計劃、檢驗產品、改進完善，最后構建模型或開發(fā)出產品的一種思維方式。在小學科學教學中培養(yǎng)學生的工程思維，有利于學生利用已有的經驗和小組合作智慧進行意義建構，從多方面、多維度培養(yǎng)學生解決實際問題的策略，從而提升其創(chuàng)新精神和實踐能力，水到渠成地落實科學學科的核心素養(yǎng)培養(yǎng)要求。

一、操作同理實驗，獲得設計啟發(fā)

實驗原理是在大量觀察、實踐的基礎上，經過歸納、概括而得出的。在小學科學教學中，探究性實驗的原理是設計工程項目的基礎和原點。為此，作為科學教師，要在設計工程技術任務的同時，圍繞工程設計目標，根據(jù)核心概念所暗含的實驗原理進行剖析，設計符合學生認知發(fā)展規(guī)律的工程探究任務群。在改造、設計過程中明確工程中所蘊含的原理，進一步了解生活中的科學，培養(yǎng)學生解決問題的意識。在小學科學的技術與工程領域的學習中，工程的關鍵是設計，而設計離不開科學原理的支撐。2021年江蘇省評優(yōu)課中《安全線的秘密》這一節(jié)課，充分詮釋了科學原理對工程技術的支撐作用。

（一）操作實驗，獲得原理

探究開始后，教師設計了一個實驗：從水平方向吹1片紙條；從2片紙條之間由上往下吹氣。學生通過實驗發(fā)現(xiàn)，兩片紙條并沒有如猜測的一般向兩邊分開，而是向中間合攏。實驗現(xiàn)象激起學生的探究欲望，但并沒有理解實驗現(xiàn)象中的原理。教師又演示了吹風機水平吹機翼模型的實驗，并讓兩位學生用風速計測量機翼上下的風速。實驗測得機翼上下的風速不同，上面流速快，下面流速慢，而機翼在不斷上升。此時教師出示伯努利原理：等高流動時，流速大，壓力就小。學生在實驗中觀察了伯努利現(xiàn)象，理解了伯努利原理。

（二）得到啟發(fā)，設計“產品”

學生根據(jù)伯努利原理得出啟發(fā)：火車快速行駛，火車邊上的空氣快速流動，形成壓力差，站臺上的乘客如果站得近就容易被“吸”進軌道。在這個原理指導下，學生用吹風機模擬氣流，不斷調試改進“乘客”的安全距離，最終找到模擬站臺的安全線位置。

二、拆卸玩具，搭建設計框架

玩具是學生生活的伙伴，在玩的同時能夠產生許多有意義的問題，正是這些問題的出現(xiàn)，驅動著學生不斷探索玩具中的奧秘，促進動手能力的提升。因此，玩具也是一種有意義的探究材料，要充分利用這些材料，引導學生發(fā)現(xiàn)問題、設計方案解決問題，開展深入探究。

（一）拆卸玩具，觀察結構

當學生在玩玩具過程中發(fā)現(xiàn)一系列有待解決的問題后，他們會潛意識地把玩具拆開，來了解玩具的構造，看看到底是怎么回事。同時在拆裝玩具的過程中，學生巧妙利用螺絲刀、起子等簡單機械，初步體驗了完成一個小項目的快樂。因此，拆解玩具的行為本身就是學生主動建構知識體系的過程。省評優(yōu)課中《八音盒》這節(jié)課的教師就是讓學生通過拆卸、探究玩具，獲得技術技能。學生玩八音盒，觀察八音盒發(fā)聲特點，猜測內部結構，然后拆卸八音盒，觀察內部結構，認識八音盒各部件名稱。這樣就幫助學生利用產品原型建構新的經驗，有利于以后產品設計的改進工作，豐富學生探究的信息，學習向深度發(fā)展。

（二）研究原理，設計框架

在拆卸玩具的環(huán)節(jié)中，教師指導學生零部件擺放要“有序細致、分門別類”，以培養(yǎng)其嚴謹細致的科學態(tài)度。然后根據(jù)各零部件的形狀結構研究它們的功能，利用小組頭腦風暴法討論發(fā)現(xiàn)八音盒發(fā)出不同音調的原理。而原理是改造模型的“標準”，學生要按照這個“標準”進行分析，規(guī)劃自己的項目活動，如設計目標、改進方法等，促進學生有目的地探究。這樣通過“玩—猜—拆—研”，學生“像工程師一樣”，獲得了知識和技能，提升了科學素養(yǎng)。如果有充分的材料，課后做一個類似八音盒的玩具，學生也肯定樂意接受。

三、繪制圖示模型，架構設計思路

學生在工程項目設計過程中，最先用到的思維方式便是模型建構，而模型建構也是科學思維的一種重要形式。學生在設計過程中，大多會利用圖文來表達自己或小組的思維過程，這實際上就是一種思維模型建構：依據(jù)圖文設計，制作模型、修改模型，形成解決問題的思路。如教學《像工程師那樣——制作空氣凈化器》這一節(jié)課中，教師在學生明確問題“做一個空氣凈化器”之后，巧用圖示模型為學生設計思維搭建支架，展示空氣凈化器模型的主要結構：外殼、進風口、出風口。學生觀察模型結構圖后，就對自己手中的圖紙有了一個全新的了解，促進模型的有效建構，為后面制作凈化器架構了工程思維，降低了設計難度，找到探究的最近發(fā)展區(qū)，為設計提供了鋪墊。繪制圖文是一個展示學生思維的過程，而修改圖紙則是思維提升的過程。教師要根據(jù)學生的認知發(fā)展特點，幫助其利用已有的經驗和獲得的信息，圍繞工程目標進行設計，建構模型，促進科學思維能力的提升。

四、分析實驗數(shù)據(jù)，改進設計思維

科學的本質在于尋找實證，在引導學生進行實證性研究的過程中，各種數(shù)據(jù)便是工程設計的支撐點。在工程項目實踐過程中所測試出來的數(shù)據(jù)，能幫助學生分析、比較，從而發(fā)現(xiàn)規(guī)律，并通過對規(guī)律的研究進一步修改產品，實現(xiàn)各種實用的目的，如提高產量、降低消耗、提高產品性能或者質量等。

（一）對比數(shù)據(jù)，改進產品

收集數(shù)據(jù)、對比數(shù)據(jù)是工程設計過程中的重要環(huán)節(jié)，它能為學生工程項目的設計評價提供參考依據(jù)，有利于改進產品。如《制作汽水》這一節(jié)課，教師收集了各小組制作汽水原料小蘇打和檸檬汁的數(shù)量，以及兩者混合后的pH酸堿度。讓學生歸納分析數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)問題：檸檬汁多的pH酸堿度小，小蘇打多的pH酸堿度大。在此基礎上和雪碧的pH酸堿度（3.3）相比，進一步改進汽水的調配比例，改善自制汽水的口味，實現(xiàn)提高產品質量的目的。對比數(shù)據(jù)的首要任務就是引導學生觀察數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)間的規(guī)律，通過發(fā)現(xiàn)規(guī)律，促進思維發(fā)展。

（二）分析數(shù)據(jù)，優(yōu)化作品

數(shù)據(jù)分析本身就是一項在業(yè)務和數(shù)據(jù)之間搭建橋梁的工作。收集分析數(shù)據(jù)，可以促進學生工程思維的進一步提升，促進學生工程技術實踐力的提高?！断窆こ處熌菢印谱骺諝鈨艋鳌愤@節(jié)課，教師引導學生測量收集各種濾材的凈化效果數(shù)據(jù)，然后形成柱狀圖，分析柱狀圖數(shù)據(jù)，找到過濾效果最佳的濾材。然后啟發(fā)學生從經濟成本出發(fā)進行考慮，從而進一步改進作品，制作一款效果好、成本低的凈化器。

五、設計思維導圖，教給思維方法

為幫助學生梳理評價工程設計過程，教師往往啟發(fā)學生利用思維導圖來展示小組的設計過程。在思維導圖中，既有工程核心概念的呈現(xiàn)，又有相關的層級概念表現(xiàn)，有利于學生從整體上思考解決問題的策略。教學中，學生可以利用思維導圖知道材料的組成，材料的功能、應用。思維導圖通過知識的層層展開，形成一個關于該課程的整體知識體系框架，能夠形象地展現(xiàn)大腦的發(fā)散性思維，從而實現(xiàn)對課程的全局把握，再結合實際進行專題訓練，很容易形成一個關于選材、加工、使用的綜合思維方法。筆者觀看過一節(jié)STEM課程《鐵皮青蛙跳起來的秘密》，學生經歷了“玩—猜—拆—研”的環(huán)節(jié)。學生拆下鐵皮青蛙各零部件、分門別類擺放好之后，教師指導學生畫思維導圖，將各零部件的名稱、作用、拓展在思維導圖中展示出來，綜合思維方法，使工程理念不僅僅局限于課堂，而且拓展到生活的各方面。

擁有好的思維是學生成長成才的關鍵?，F(xiàn)代教育背景下，愈來愈強調培養(yǎng)學生的工程思維能力。小學教學看似很細微的工作，實則承載著學生思維成長的重任。只有很好地把握小學教學這一時機，工程思維這塊基石才能更好地推動學生成長成才。工程思維能力的形成是一個循序漸進、螺旋遞進的過程，教師要啟迪學生運用工程思維，構架工程思維的橋梁，交給學生一把工程思維的金鑰匙，讓他們去開啟工程實踐的大門。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準[M].北京：北京師范大學出版社.2022.