“四維”推進(jìn)：工程實(shí)踐活動(dòng)的序列進(jìn)階

科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)首次明確了科學(xué)思維作為核心素養(yǎng)的重要內(nèi)涵，同時(shí)新增了“工程設(shè)計(jì)與物化”這一核心概念。工程是一種人工造物活動(dòng)，是人類(lèi)社會(huì)賴(lài)以生存和發(fā)展的基石，是直接而實(shí)際的生產(chǎn)力體現(xiàn)。在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中對(duì)學(xué)生進(jìn)行工程思維啟蒙和鍛煉，課程標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其實(shí)踐能力和思維素養(yǎng)提升的要求，可以幫助他們更好地理解和探索世界，培養(yǎng)他們改造環(huán)境的傾向和解決實(shí)際問(wèn)題的能力。[1]工程思維是在參與工程實(shí)踐活動(dòng)中逐漸形成與發(fā)展的一種高階思維，是一種面向?qū)嶋H問(wèn)題解決的思維方式。工程思維主要包括工程決策思維、工程設(shè)計(jì)思維、工程實(shí)施思維、工程評(píng)價(jià)思維。

學(xué)生科學(xué)探究的過(guò)程既是動(dòng)手實(shí)踐的過(guò)程，也是科學(xué)思維運(yùn)用的過(guò)程，但傳統(tǒng)科學(xué)探究與工程實(shí)踐活動(dòng)的過(guò)程及最終導(dǎo)向存在一些差異，導(dǎo)致教師運(yùn)用傳統(tǒng)科學(xué)探究的教學(xué)方法進(jìn)行工程實(shí)踐活動(dòng)教學(xué)時(shí)，往往難以取得良好的教學(xué)效果?？茖W(xué)教師亟須更新教學(xué)理念，采取適宜的教學(xué)策略，在工程思維的驅(qū)動(dòng)下開(kāi)展工程實(shí)踐活動(dòng)。

一、工程決策思維：真實(shí)情境下的問(wèn)題驅(qū)動(dòng)

在工程實(shí)踐活動(dòng)的初始階段，如果未激起學(xué)生解決驅(qū)動(dòng)問(wèn)題的需求，只是為了做而做，缺乏主觀意愿，他們就不清楚實(shí)踐結(jié)果的最終指向，更不用談如何將想法變成現(xiàn)實(shí)，創(chuàng)造有價(jià)值的產(chǎn)品。工程實(shí)踐中應(yīng)用工程決策思維，將問(wèn)題驅(qū)動(dòng)模式與真實(shí)情境理念相結(jié)合，可以激發(fā)學(xué)生興趣與動(dòng)機(jī)，從而促進(jìn)教學(xué)目標(biāo)的達(dá)成和科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展。

1.真實(shí)情境，引發(fā)決策意愿

在工程實(shí)踐活動(dòng)之前，教師要優(yōu)先從學(xué)生遇到的真實(shí)情境中提出驅(qū)動(dòng)性工程問(wèn)題，也可以結(jié)合生活實(shí)際創(chuàng)設(shè)形象生動(dòng)的情境，從而激發(fā)他們主動(dòng)參與的熱情，提高他們解決問(wèn)題的積極性，引發(fā)他們的工程決策意愿。

教材中關(guān)于“設(shè)計(jì)我們的小船”系列活動(dòng)的驅(qū)動(dòng)，僅僅是平鋪直敘的任務(wù)：依據(jù)所學(xué)的知識(shí)和提供的一些材料，發(fā)揮想象，自己設(shè)計(jì)并制作一艘小船。對(duì)于這樣的任務(wù)，學(xué)生只是知道“要這么做”，卻不知道“為什么做”，導(dǎo)致一些學(xué)生不感興趣，以致工程實(shí)踐活動(dòng)難以開(kāi)展。

教師結(jié)合學(xué)校開(kāi)展的“探秘珍珠世界”項(xiàng)目（如圖1），提出驅(qū)動(dòng)性問(wèn)題：“同學(xué)們打撈珍珠蚌時(shí)乘坐的浮筏比較小，還有安全隱患，你能設(shè)計(jì)一個(gè)成本低、安全系數(shù)高、載重量大、有自己動(dòng)力的小船嗎？”學(xué)生的積極性很高，尤其是之前參與過(guò)打撈珍珠蚌的學(xué)生，更是表現(xiàn)出濃厚的興趣。

2.身份認(rèn)同，強(qiáng)化自主驅(qū)動(dòng)

參與工程實(shí)踐活動(dòng)，有助于學(xué)生發(fā)現(xiàn)自己成為一名工程師的潛能，提升解決實(shí)際問(wèn)題的能力。教師可以在上課時(shí)展示工程對(duì)社會(huì)的積極影響以及著名工程師的故事，引發(fā)學(xué)生的認(rèn)同與效仿，發(fā)揮榜樣的力量，強(qiáng)化他們參與工程實(shí)踐活動(dòng)的自主性。

例如，在課前觀看了中國(guó)航母工程的視頻后，學(xué)生無(wú)不感嘆國(guó)家的強(qiáng)盛，同時(shí)對(duì)航母工程師這一身份有了認(rèn)同和向往。在設(shè)計(jì)與造船活動(dòng)前，教師給每個(gè)小組都分發(fā)了一本工程日志，讓他們給自己的工程隊(duì)起名，并設(shè)置不同的工程角色，如工程決策師、工程設(shè)計(jì)師、工程建造師、工程測(cè)試員、工程采購(gòu)員、工程考察員等，讓他們深入體驗(yàn)工程師的職業(yè)，激發(fā)他們內(nèi)在的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，提高創(chuàng)新能力。

3.工程量規(guī)，明確約束條件

教師需要在工程過(guò)程的“明確問(wèn)題”環(huán)節(jié)就規(guī)定好評(píng)測(cè)指標(biāo)，主要包括產(chǎn)品是否超出限制的條件、是否可以解決問(wèn)題、完成任務(wù)的效率等內(nèi)容。只有將測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)前置，學(xué)生在工程實(shí)施階段才會(huì)有方向、有目的地開(kāi)展制作，才能讓評(píng)價(jià)量規(guī)在整個(gè)工程實(shí)踐活動(dòng)中發(fā)揮診斷和促進(jìn)作用。

例如，學(xué)生已經(jīng)知道了約束的條件“成本低、安全系數(shù)高、載重量大、有自己動(dòng)力的小船”，但這些條件還是比較寬泛，教師可以將評(píng)價(jià)量規(guī)前置并進(jìn)一步細(xì)化為增加航行距離、堅(jiān)固程度、安全系數(shù)、美觀程度等評(píng)價(jià)項(xiàng)目（見(jiàn)表1）。

二、工程設(shè)計(jì)思維：創(chuàng)意搭建下的方案細(xì)化

課程標(biāo)準(zhǔn)提出了工程的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)、工程是設(shè)計(jì)方案物化的結(jié)果這兩個(gè)主要概念。但是在很多工程實(shí)踐活動(dòng)中，由于缺乏工程設(shè)計(jì)思維，有些學(xué)生往往只能模仿教師的步驟跟著做，并沒(méi)有發(fā)揮很大的自主性。有些學(xué)生即便有了很有創(chuàng)意的設(shè)想，但缺乏圖紙化的技能，難以將想法轉(zhuǎn)化成翔實(shí)完備的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)方案的過(guò)程也是工程設(shè)計(jì)思維運(yùn)用的過(guò)程，教師要引導(dǎo)學(xué)生掌握一定的設(shè)計(jì)方法，并盡可能多地提出解決思路。[2]

1.開(kāi)放性視野，探索多元方向

實(shí)際的工程項(xiàng)目通常不會(huì)只有唯一的解決方案。因此，教師開(kāi)展工程實(shí)踐活動(dòng)時(shí)要讓學(xué)生從多元方向進(jìn)行設(shè)計(jì)，避免將他們束縛于某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)答案之內(nèi)，出現(xiàn)千篇一律的情況。

教師可要求學(xué)生在確保達(dá)到基本設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，積極思考如何對(duì)小船進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)。例如，有的小組側(cè)重于提升小船的美觀程度，有的小組想讓小船行駛更加穩(wěn)定，還有的小組傾向于增強(qiáng)其堅(jiān)固程度。這樣開(kāi)放性的問(wèn)題解決方式，更有利于學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)造性的思考，發(fā)散他們的思維。

2.創(chuàng)新式技法，發(fā)散設(shè)計(jì)思路

在工程設(shè)計(jì)中，教師可以引導(dǎo)學(xué)生采取多種創(chuàng)新技法，如頭腦風(fēng)暴法、列舉法、組合法以及“創(chuàng)意十二訣”等。這一過(guò)程中，學(xué)生的靈感得到激發(fā)，在思維的碰撞中，進(jìn)一步豐富解決問(wèn)題的思路。例如，在設(shè)計(jì)小船前，教師讓各小組開(kāi)展了充分的頭腦風(fēng)暴活動(dòng)，讓他們就小船的設(shè)計(jì)展開(kāi)深入討論，共同完善自己小組的設(shè)計(jì)方案。

3.圖形化支架，完成工程構(gòu)想

思維導(dǎo)圖能夠?qū)⒊橄蟮乃季S形象地展現(xiàn)出來(lái)。教師在學(xué)生設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以引導(dǎo)他們運(yùn)用氣泡圖、樹(shù)狀圖、維恩圖、魚(yú)骨圖以及輻射圖等多種類(lèi)型的思維導(dǎo)圖，將原本零散無(wú)序的思考整合成為一個(gè)結(jié)構(gòu)清晰的整體。在這個(gè)歸納梳理的過(guò)程中，學(xué)生還能隨時(shí)補(bǔ)充新的想法，進(jìn)一步豐富和完善設(shè)計(jì)方案。例如，教師在學(xué)生的頭腦風(fēng)暴環(huán)節(jié)提供了思維導(dǎo)圖支架（如圖2），幫助他們一邊討論，一邊整理思路，并推導(dǎo)優(yōu)化。

工程產(chǎn)品的制作過(guò)程實(shí)質(zhì)上是由局部到整體構(gòu)建的過(guò)程，因此，在設(shè)計(jì)圖紙階段就必須充分考慮各個(gè)局部的細(xì)節(jié)。設(shè)計(jì)圖的詳細(xì)程度與學(xué)生按圖索驥的制作難度息息相關(guān)，詳細(xì)的設(shè)計(jì)圖也更容易促進(jìn)小組成員的協(xié)同合作，提升工程產(chǎn)品的制作效率。

例如，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，教師引導(dǎo)學(xué)生不僅要畫(huà)出小船的外觀，而且要圖文并茂，標(biāo)注出各部分具體使用的材料，船體各結(jié)構(gòu)的尺寸等。如果有特殊的地方，還要配上簡(jiǎn)單的文字說(shuō)明。同時(shí)，教師要求學(xué)生從俯視圖和側(cè)視圖兩個(gè)角度進(jìn)行設(shè)計(jì)圖的繪制，鼓勵(lì)畫(huà)出細(xì)微處。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)難度，教師提供帶格子的設(shè)計(jì)紙，一小格代表1厘米。圖3為活動(dòng)中小組的初始設(shè)計(jì)圖。

三、工程實(shí)施思維：縝密迭代下的閉環(huán)推進(jìn)

工程實(shí)踐活動(dòng)的本質(zhì)是創(chuàng)造人工實(shí)體。學(xué)生除了有良好的科學(xué)知識(shí)儲(chǔ)備、創(chuàng)意的工程設(shè)計(jì)外，更需要掌握實(shí)踐技能。工程實(shí)施思維是指將想法、方案轉(zhuǎn)化為有形物品的思維，實(shí)施步驟縝密、環(huán)節(jié)細(xì)化是工程建造的關(guān)鍵。

1.豐富材料選擇，強(qiáng)化實(shí)施保障

合理的材料是工程實(shí)施的基礎(chǔ)。教師在給學(xué)生準(zhǔn)備材料時(shí)要做到材料豐富且具有結(jié)構(gòu)性，盡量提供他們熟悉的、易于加工制作和成本低的材料，并以“材料自選區(qū)”的形式讓他們選擇。同時(shí)，工程的實(shí)施需要考慮成本，不能任由學(xué)生選擇和使用材料，需要給予一定的限制，讓他們體會(huì)更符合現(xiàn)實(shí)工程建造時(shí)的情境：在限定條件下進(jìn)行設(shè)計(jì)，并找到最優(yōu)的解決方案。

例如，教師為每組提供了120個(gè)造船幣，制訂了材料清單（見(jiàn)表2），讓學(xué)生在設(shè)計(jì)的同時(shí)有意識(shí)地進(jìn)行成本核算，并在選擇材料的過(guò)程中加以思考與取舍，鍛煉工程思維。

2.活用“三化”策略，增強(qiáng)工程實(shí)效

不同小組的方案設(shè)計(jì)和對(duì)動(dòng)手能力的要求不盡相同，教師在指導(dǎo)學(xué)生制作的過(guò)程中，要根據(jù)他們具體的實(shí)施情況，合理采取“三化”策略，即優(yōu)化、轉(zhuǎn)化和變化。

優(yōu)化。對(duì)于沒(méi)有頭緒的學(xué)生，教師可以給他們提供最基本的范例，讓他們?cè)诠こ虒?shí)施過(guò)程中有章可循，并在范例的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化。例如，教師給不會(huì)制作的小組提供其他班級(jí)的小船示例，讓他們參考其他小組選擇的材料，并思考材料之間是如何連接的。

轉(zhuǎn)化。對(duì)于在實(shí)施過(guò)程中卡殼的學(xué)生，教師可以進(jìn)行點(diǎn)撥，提示他們換一個(gè)角度和思路繼續(xù)完成工程建造。例如，教師在巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)有一個(gè)小組的船身縫隙很大、容易漏水，于是指導(dǎo)該小組用錫紙對(duì)船的底部進(jìn)行包裹，解決漏水問(wèn)題。

變化。對(duì)于已經(jīng)提前完成工程建造的學(xué)生，教師可以適當(dāng)提高要求，增強(qiáng)挑戰(zhàn)性，促使他們繼續(xù)改進(jìn)自己的產(chǎn)品。例如，有一個(gè)小組的設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單，只用了很短的時(shí)間就完成了制作。教師針對(duì)性地提問(wèn)：“如果有人坐在你們的小船上，如何保證他們不掉下去呢？”在新的要求下，學(xué)生很快就進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，在船的周邊增加了護(hù)欄。

3.落實(shí)分工合作，提升合作能力

合作能力是工程領(lǐng)域必備的核心素養(yǎng)之一，在工程探究中教師應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的組內(nèi)合作以及組間協(xié)同習(xí)慣。例如，教師為各個(gè)小組設(shè)置了六個(gè)角色，并分別給予對(duì)應(yīng)的任務(wù)（如圖4）。這不僅在小組內(nèi)部有效實(shí)現(xiàn)了細(xì)化分工與高效合作，還通過(guò)工程考察員實(shí)現(xiàn)各小組間的互動(dòng)交流與評(píng)價(jià)，巧妙地搭建了全班范圍內(nèi)的合作機(jī)制，有力地推動(dòng)了整體的合作進(jìn)程。

四、工程評(píng)價(jià)思維：量規(guī)評(píng)價(jià)下的反饋擴(kuò)容

工程評(píng)價(jià)思維指向的是工程實(shí)踐中每個(gè)環(huán)節(jié)的反思與測(cè)評(píng)，以便對(duì)工程成果進(jìn)行針對(duì)性?xún)?yōu)化。在工程實(shí)踐的檢驗(yàn)成果環(huán)節(jié)實(shí)施評(píng)價(jià)，可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)作品進(jìn)行改進(jìn)完善；在發(fā)布成果的環(huán)節(jié)實(shí)施交流展示評(píng)價(jià)，可以讓學(xué)生體驗(yàn)到工程實(shí)踐活動(dòng)帶來(lái)的成就感；活動(dòng)結(jié)束后的反思評(píng)價(jià)，有助于學(xué)生生成發(fā)展工程思維的內(nèi)驅(qū)動(dòng)力。

1.成果檢驗(yàn)，促進(jìn)工程改進(jìn)

學(xué)生在檢驗(yàn)作品階段發(fā)現(xiàn)成果與設(shè)計(jì)的差別，以及一些不足之處，會(huì)探究改進(jìn)策略。教師可以通過(guò)評(píng)價(jià)的方式引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行迭代改進(jìn)。

一是促發(fā)迭代意愿。學(xué)生的想法和創(chuàng)意各不相同，在工程實(shí)踐活動(dòng)的每一個(gè)重要環(huán)節(jié)，教師均可開(kāi)展組內(nèi)、組間的互相交流與評(píng)價(jià)，增強(qiáng)他們的思維碰撞。在交流分享中，教師要求學(xué)生及時(shí)收集與成果相關(guān)的數(shù)據(jù)與建議，并分析判斷自己成果的哪些地方需要改進(jìn)。例如，活動(dòng)時(shí)，教師讓每個(gè)小組都派出一位工程考察員，在不打擾其他小組活動(dòng)的情況下參觀考察，找到值得自己小組借鑒的地方，也可以對(duì)其他小組進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕涣骱驮u(píng)價(jià)，并及時(shí)記錄，最終促成小組的迭代意愿。

二是引導(dǎo)迭代方向。實(shí)際的工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)還要考慮到方方面面，達(dá)到解決問(wèn)題的目標(biāo)只是基本要求，教師要在成果的測(cè)試后引導(dǎo)學(xué)生反思不足，從而進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)。例如，在小船的制作活動(dòng)中，學(xué)生充分利用前置的評(píng)價(jià)量規(guī)，從堅(jiān)固程度、安全系數(shù)和美觀程度多方面去改進(jìn)完善自己的小船模型。同時(shí)，教師提供調(diào)試記錄表，幫助學(xué)生快速聚焦迭代的方向，讓他們通過(guò)持續(xù)不斷的改進(jìn)與迭代，更加深入地體驗(yàn)真實(shí)的工程實(shí)踐項(xiàng)目，進(jìn)而提升工程思維能力。

三是激發(fā)迭代精神。工程設(shè)計(jì)是一個(gè)循環(huán)遞進(jìn)的過(guò)程，失敗是不可避免的。設(shè)計(jì)中的失敗可以提供改進(jìn)和完善的重要契機(jī)，其價(jià)值不可忽視。教師需要引導(dǎo)學(xué)生認(rèn)識(shí)到不害怕失敗，專(zhuān)注于從每一次失敗的嘗試中汲取寶貴的經(jīng)驗(yàn)，培養(yǎng)他們堅(jiān)韌不拔的品質(zhì)。例如，其中一個(gè)小組的小船僅能載重不足100克重，教師逐步引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)失敗經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)。兩次迭代完善后，該小組的小船載重成功提升至300多克重。學(xué)生從失敗中學(xué)習(xí)并最終走向成功，可以極大地激發(fā)成就感，促進(jìn)迭代精神的養(yǎng)成。

第一次迭代

生：老師，我們的小船最多能放8顆螺母（如圖5-a，1顆螺母約為10克重），怎么辦？

師：你們一開(kāi)始是怎么設(shè)計(jì)的？

生：我們把兩片泡沫疊起來(lái)，可以增加小船的浮力。

師：實(shí)際測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)了什么問(wèn)題？

生：小船很不穩(wěn)，再增加重物就會(huì)側(cè)翻，對(duì)稱(chēng)放置也沒(méi)用。

師：你們覺(jué)得是什么原因造成的？準(zhǔn)備怎么改進(jìn)？

生：可能是底部太小了，不穩(wěn)定，我覺(jué)得可以想辦法增加底部的面積。

第二次迭代

生：老師，我們?cè)谠瓉?lái)的船底加了一層小竹竿，這一次承載了110克重（如圖5-b）。

師：這一次是如何改進(jìn)的？

生：我們?cè)O(shè)想增加竹竿之后可以增加穩(wěn)定性和載重量，螺母可以放在竹竿上。

師：出現(xiàn)了什么問(wèn)題？

生：加了竹竿之后，雖然穩(wěn)定了，但是竹竿都浸到了水中，不能在上面放置重物，導(dǎo)致我們的螺母沒(méi)地方放了。

師：那你們準(zhǔn)備怎么改進(jìn)這個(gè)問(wèn)題？

生：我知道了，可以把這兩個(gè)泡沫分開(kāi)，并排放置，這樣就有放重物的地方了。

（學(xué)生再次迭代優(yōu)化，最終小船能承載380克重，如圖5-c。）

2.平臺(tái)展示，進(jìn)行交流評(píng)價(jià)

教師可以通過(guò)在班內(nèi)展示、校內(nèi)媒體、各類(lèi)投票平臺(tái)等將學(xué)生的優(yōu)秀成果進(jìn)行展示。學(xué)生具有愛(ài)模仿的心理特點(diǎn)，發(fā)揮優(yōu)秀作品的榜樣引領(lǐng)作用，能促使他們保持對(duì)工程實(shí)踐的持續(xù)熱情。

例如，本次活動(dòng)的最后階段，教師在班級(jí)里召開(kāi)了優(yōu)秀成果展示交流會(huì)，請(qǐng)每個(gè)小組介紹自己的小船，其他學(xué)生可以提出疑問(wèn)，開(kāi)展答辯式交流評(píng)價(jià)。最后充分挖掘每個(gè)小船的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)選，如載重大王、最美觀小船、最佳設(shè)計(jì)獎(jiǎng)、航行冠軍、材料節(jié)約獎(jiǎng)等，讓每個(gè)人都體會(huì)到成功的喜悅，增強(qiáng)他們參與工程實(shí)踐活動(dòng)的內(nèi)驅(qū)動(dòng)力。

3.活動(dòng)反思，開(kāi)展項(xiàng)目總結(jié)

一項(xiàng)工程實(shí)踐活動(dòng)結(jié)束后，并不意味著工程思維和工程能力提升的結(jié)束。在這個(gè)階段，教師可以引導(dǎo)學(xué)生回頭看，看成果是否可以解決一開(kāi)始明確的問(wèn)題。后續(xù)，教師要引導(dǎo)學(xué)生將成果運(yùn)用于實(shí)際生活中。在這個(gè)過(guò)程中，仍需要不斷地迭代改進(jìn)。這樣，學(xué)生才會(huì)真正思考和體驗(yàn)到工程的重要意義，才會(huì)有持之以恒不斷進(jìn)行工程實(shí)踐的興趣與動(dòng)力。

小結(jié)

在教學(xué)中啟蒙和發(fā)展學(xué)生的工程思維，是小學(xué)科學(xué)課程發(fā)展的必然趨勢(shì)。[3]思維驅(qū)動(dòng)下的工程實(shí)踐課堂，有利于促進(jìn)科學(xué)課堂“探究實(shí)踐”與“科學(xué)思維”目標(biāo)的并行推進(jìn)，也有利于促進(jìn)教學(xué)“素養(yǎng)導(dǎo)向”與“評(píng)價(jià)伴隨”理念的共同實(shí)現(xiàn)。在工程實(shí)踐活動(dòng)中，科學(xué)教師要以培養(yǎng)學(xué)生的工程實(shí)踐能力為主要教學(xué)目標(biāo)，逐步引導(dǎo)他們掌握并內(nèi)化工程思維，為培養(yǎng)適應(yīng)未來(lái)社會(huì)需求的全面發(fā)展的工程型科技人才奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（作者單位：浙江省溫嶺市百丈小學(xué)）

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