指向工程思維培養(yǎng)的科學(xué)項目實踐活動

袁晉

摘要：在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維是重要課題。在科學(xué)項目實踐活動中，通過鍛煉籌劃性思維、激發(fā)可行性思維、培植價值性思維、實現(xiàn)迭代性思維等路徑，能夠有效培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。

關(guān)鍵詞：工程思維；籌劃性思維；可行性思維；價值性思維；迭代性思維

中圖分類號：G623.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-9094（2023）11-0078-03

《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(qiáng)調(diào)實現(xiàn)從知識本位到素養(yǎng)本位的跨越，創(chuàng)新設(shè)置了13個學(xué)科核心概念，涵蓋了所有學(xué)生在義務(wù)教育階段應(yīng)該掌握的科學(xué)課程的核心內(nèi)容[1]。其中“技術(shù)、工程與社會”和“工程設(shè)計與物化”兩個學(xué)科核心概念迅速引起了一線科學(xué)教育工作者的廣泛關(guān)注，使得學(xué)生工程思維能力的培養(yǎng)成為熱門研究課題。工程思維是一種籌劃性、可行性、價值性、迭代性思維，其核心是能夠?qū)σ粋€項目或者領(lǐng)域存在的問題進(jìn)行比較系統(tǒng)的分析，整體把握和規(guī)劃，權(quán)衡其利弊，并進(jìn)行風(fēng)險評估，提出較為系統(tǒng)的解決方案，力求拿出全面、綜合、科學(xué)的決策。

相關(guān)研究表明，為學(xué)生創(chuàng)造參加具有綜合性與跨學(xué)科性的工程實踐活動可以有效地促進(jìn)其工程思維的發(fā)展，如何幫助學(xué)生找到一種適切的習(xí)得方式就變得尤為重要[2]。筆者在《新課標(biāo)》中找到了答案：義務(wù)教育課程要變革育人方式，突出實踐，“突出課程內(nèi)容結(jié)構(gòu)化，探索主題、項目、任務(wù)等內(nèi)容組織方式”，“探索大單元教學(xué)，積極開展主題化、項目式學(xué)習(xí)等綜合性教學(xué)活動”，指向“做中學(xué)”“用中學(xué)”“創(chuàng)中學(xué)”的課程與教學(xué)體系，倡導(dǎo)項目學(xué)習(xí)。

一、問題解決，鍛煉籌劃性思維

科學(xué)的核心是發(fā)現(xiàn)，工程的價值是實現(xiàn)。工程中的籌劃性思維是指解決現(xiàn)實問題時調(diào)動和使用各種思維方式，全方位、多層次和多角度對問題進(jìn)行運(yùn)籌和集成，達(dá)到解決工程問題目的的思維。所以，科學(xué)學(xué)科項目實踐活動必須是基于問題的學(xué)習(xí)，學(xué)生在明確問題，進(jìn)行頭腦風(fēng)暴時會產(chǎn)生多個可能的解決方案。

教師在設(shè)計學(xué)科項目實踐活動時，應(yīng)為學(xué)生提供選擇自認(rèn)為最好的解決方案的機(jī)會，并引導(dǎo)學(xué)生落實解決方案，促使學(xué)生在解決問題中不斷地修改和完善。在這樣的項目學(xué)習(xí)探究過程中，學(xué)生需要不斷地考慮方案是否可行，具體落實到每一個步驟是否可以實際操作。學(xué)生通過不斷的自我反思、自我審視，找出自身存在的問題，繼而自我調(diào)整，發(fā)現(xiàn)和解決遇到的困難和問題，鍛煉籌劃性思維。例如，在開展“空氣炮”這個學(xué)科項目實踐活動時，就要設(shè)計引導(dǎo)學(xué)生思考的問題：制作空氣炮可以選擇什么材料？如何制作空氣炮？究竟是什么因素制約和影響著空氣炮的射程？大部分學(xué)生會想當(dāng)然地認(rèn)為炮口大射程就遠(yuǎn)。但事實真的是這樣嗎？炮身粗細(xì)和射程會不會也有聯(lián)系呢？有什么辦法可以使炮身更牢固些？怎樣測試炮程更科學(xué)？有層次的問題串設(shè)計，促使學(xué)生在一開始時可以有針對性地把這些問題進(jìn)行系統(tǒng)搭建，從而形成問題框架，有效地助推學(xué)生順利完成下一階段的設(shè)計、制作與測試，讓學(xué)生在實踐中真切感受到可行性和可操作性的意義和價值，從而有效鍛煉籌劃性思維。

二、情境驅(qū)動，激發(fā)可行性思維

工程中的可行性思維是指在解決現(xiàn)實問題時，充分考慮需求的角色是否滿足、按照功能的邏輯思考是否能走通、遇到技術(shù)知識盲點是否能突破等。網(wǎng)上有一個關(guān)于折紙的論點：一張紙無論怎么對折，都不能超過9次，真的是這樣嗎？有些學(xué)生不相信。于是，就用A4紙親自動手折一折，結(jié)果只能折7次。還有些學(xué)生質(zhì)疑是不是紙?zhí)?，于是更換了一張更長更薄的宣紙，結(jié)果也只是折了8次，第9次因為太厚折不下去了。其實，不相信的學(xué)生是一種基于學(xué)科邏輯的系統(tǒng)思維，是用科學(xué)原理和科學(xué)概念解決問題的思維活動。親自動手實踐的學(xué)生則是用證據(jù)說話，從問題的真實情境出發(fā)，考慮“現(xiàn)實性”“可行性”和“實現(xiàn)性”，這就是工程中的可行性思維。

教師在設(shè)計科學(xué)學(xué)科項目實踐活動時，必須從學(xué)生的生活經(jīng)驗和認(rèn)知特征出發(fā)，創(chuàng)設(shè)出一個具有驅(qū)動性的項目情景，從而有效激發(fā)學(xué)生的可行性思維。例如，在開展“佩奇的保溫杯”這個學(xué)科項目實踐活動時，教師創(chuàng)設(shè)驅(qū)動性項目情境：為佩奇設(shè)計制作一款簡易保溫杯，能滿足她夏天喝冰水的需求。學(xué)生通過實踐探究，發(fā)現(xiàn)不同的方式方法均可完成工程任務(wù)。但有的小組為達(dá)成保溫目的，選擇多種保溫材料疊加，杯子外壁越來越厚，甚至超過了杯子的容量；有的小組甚至沒有進(jìn)行開蓋設(shè)計。這時，教師就要引導(dǎo)學(xué)生充分、綜合地考慮各種因素的“現(xiàn)實性”“實現(xiàn)性”“可行性”，以順利地完成工程任務(wù)，順利形成可行性思維。

三、真實任務(wù)，培植價值性思維

工程技術(shù)的關(guān)鍵是設(shè)計，工程是運(yùn)用科學(xué)和技術(shù)進(jìn)行設(shè)計、解決實際問題和制造產(chǎn)品的活動。工程思維是以價值為取向的一種思維，目的是滿足社會的需要、實現(xiàn)并創(chuàng)造更大的價值。工程思維和現(xiàn)實世界的核心相互關(guān)系是“設(shè)計性”和“實踐性”的完美統(tǒng)一，引導(dǎo)人們主動地創(chuàng)造現(xiàn)實、塑造現(xiàn)實、改變世界。

教師在設(shè)計學(xué)科項目實踐活動時，制定的任務(wù)目標(biāo)要和現(xiàn)實生活、現(xiàn)實世界勾連起來，具有現(xiàn)實意義。這樣，學(xué)生在參與項目學(xué)習(xí)，完成目標(biāo)任務(wù)的時候，才能獲得真實的生活體驗和社會性的成長。例如，在開展“滴灌器”學(xué)科項目實踐活動時，學(xué)生為了更好地種植養(yǎng)護(hù)好學(xué)校“知行農(nóng)場”中的蔬菜，自制了滴灌器，并迭代出幾代產(chǎn)品，投入農(nóng)場使用。這時，教師就要抓住契機(jī)，設(shè)計能夠使學(xué)生走上舞臺展示自己的學(xué)習(xí)成果的項目學(xué)習(xí)任務(wù)。在展示中教師驚喜地發(fā)現(xiàn)，有的學(xué)生解決了土地板結(jié)的問題，有的學(xué)生解決了流速的問題，有的學(xué)生在設(shè)計上更加美觀，展現(xiàn)出學(xué)生在學(xué)習(xí)實踐過程中盡情地思考和創(chuàng)造，讓學(xué)生體悟到了創(chuàng)造價值的喜悅。這個項目的學(xué)習(xí)解決了學(xué)生現(xiàn)實生活中真真切切遇到的問題，在教師合理的設(shè)計、有意識的引導(dǎo)下，學(xué)生在活動中培植工程思維的價值取向。

四、改進(jìn)產(chǎn)品，實現(xiàn)迭代性思維

工程設(shè)計是一個通過不斷構(gòu)思設(shè)想、建立模型、反復(fù)測試、不斷迭代，最終解決現(xiàn)實問題的創(chuàng)新性過程。那迭代是什么呢？如果說創(chuàng)新是一個從無到有的過程，那么迭代就是一個從有到優(yōu)的過程。

教師在設(shè)計學(xué)科項目實踐活動時，要引導(dǎo)學(xué)生體驗新值的產(chǎn)生、舊值的優(yōu)化、新值與舊值之間的對比、舊值與新值之間的遞推，從而促使學(xué)生理解工程設(shè)計的實現(xiàn)要經(jīng)歷由實踐到理論、再到理論和實踐相結(jié)合、繼而由理論向?qū)嶋H發(fā)展等轉(zhuǎn)變。例如，在開展“垃圾桶變形計”學(xué)科項目實踐活動時，學(xué)生在制作智能語音分類垃圾桶時，有的出現(xiàn)電路接觸不良的情況，有的會出現(xiàn)桶蓋打開不順暢的問題，有的會出現(xiàn)語音識別錯誤的問題……學(xué)生的研究沒有因為困難就此停止，而是興趣盎然地不斷試錯，深入思考后優(yōu)化設(shè)計方案，不斷地在原始設(shè)計基礎(chǔ)上尋求新的方法解決暴露出來的問題。工程設(shè)計是一種非線性優(yōu)化，對模型進(jìn)行測試，往往要經(jīng)歷無數(shù)次的失敗，所以測試不是工程設(shè)計的終點，而是又一個嶄新的起點。學(xué)生通過反復(fù)測試，反思總結(jié)失敗的原因，不斷地嘗試改進(jìn)，不斷地迭代，不斷地追求卓越，完善自己的作品，走向成功，從而實現(xiàn)迭代性思維的培養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[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）[M].北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：90.

[2]張華.讓學(xué)生創(chuàng)造著長大——2022年版義務(wù)教育課程方案和課程標(biāo)準(zhǔn)核心理念解析[M].北京：教育科學(xué)出版社，2022：157.

責(zé)任編輯：賈凌燕