《我們的受水型水鐘》課堂的工程思維教育

〔摘" "要〕" 工程思維教育是在創(chuàng)造性的小學科學實踐活動中滲透和發(fā)展的學習，讓學生像工程師一樣去思考問題、分析問題，運用知識去解決問題。本文厚植小學工程與技術(shù)課堂上的“表達與交流”環(huán)節(jié)，通過研討工程設(shè)計環(huán)節(jié)，來培養(yǎng)學生的工程決策思維；通過研討工程物化問題，培養(yǎng)學生的工程實施思維；通過研討工程模型改良，培養(yǎng)學生的工程提升思維。以《我們的受水型水鐘》一課為例，落實“技術(shù)性實踐”與“思維性實踐”并重的學習措施，學生在研討交流中深度思考，實現(xiàn)工程思維發(fā)展。

〔關(guān)鍵詞〕" 小學科學；工程思維教育；工程與技術(shù)課堂；表達與交流

〔中圖分類號〕" G424" " " " " " " " 〔文獻標識碼〕" A" " " " 〔文章編號〕" 1674-6317" " （2025）12" " 0065-03

美國《新一代科學教育標準》（NGSS）中提出科學分為科學與工程實踐、跨學科概念和學科核心概念三個維度，我國2001年《義務教育小學科學課程標準》在課程內(nèi)容上首次增加了“技術(shù)與工程”領(lǐng)域內(nèi)容，2022年新課標的13個科學核心概念中“技術(shù)與工程”內(nèi)容所占兩項，與物質(zhì)科學、生命科學和地球與宇宙科學三大領(lǐng)域齊頭并進。小學科學“技術(shù)與工程”注重理論與實踐雙線結(jié)合，讓學生能夠綜合運用所學知識解決實際工程問題?？赡壳昂芏嘟處煂⒋苏n程等同于手工制作課程，只關(guān)注學生動手能力，未重視工程概念的注入。

本文為弱化這一矛盾，在“工程實踐”和“工程概念”之間架構(gòu)一座學習橋梁——“表達與交流”，通過強化學生在小學科學工程與技術(shù)課堂中的“表達與交流”環(huán)節(jié)，實現(xiàn)做中學、學中思，讓工程理念與工程實踐雙線螺旋發(fā)展，促進學生工程思維生長（如圖1）。

“表達與交流”的研究流程圖

一、研討工程設(shè)計環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學生的工程決策思維

小學科學技術(shù)與工程課堂中“設(shè)計”是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，為了解決現(xiàn)實中的真實問題，在“工程設(shè)計環(huán)節(jié)”過程中學生充分分析，思辨工程項目主題，明確決策目標；擬定工程設(shè)計方案，制定決策計劃；選取工程適合材料，確定決策工具。培養(yǎng)好學生工程決策思維，即做好工程思維的起跑準備，確保工程的方向性和可行性。

（一）思辨：研討工程項目主題，定決策目標

在小學科學工程項目中，主題是核心焦點，所有行動都不得脫離主題問題，圍繞主題研討、分析，工程項目所要解決的問題是什么？該怎么設(shè)計才能確保每一步都緊扣主題？只有清晰定義主題目標，才能制定出合理、有效的設(shè)計方案，確保項目順利推進并達到預期目標。

（二）擬定：研討工程設(shè)計方案，定決策計劃

在明確項目核心目標與關(guān)鍵問題后，學生對工程項目進行了全面需求分析。通過深入調(diào)研和多方論證，各小組制定了詳細的設(shè)計方案，并匯報交流了初步思考。每組方案不僅體現(xiàn)了對需求的深刻理解，還展示了創(chuàng)新思維與實踐能力的結(jié)合，為后續(xù)優(yōu)化奠定了堅實基礎(chǔ)。

（三）選取：研討工程材料選擇，定決策工具

在工程項目中，材料選擇是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，直接影響項目的質(zhì)量和成本。學生依據(jù)項目需求和性能要求，通過科學評估與多方比對，篩選出最優(yōu)材料。借助小組討論和專家建議，確保所選材料不僅符合設(shè)計標準，還能最大化滿足工程要求，為項目的成功實施提供堅實保障。

二、研討工程物化問題，培養(yǎng)學生的工程實施思維

搭建模型，將設(shè)計想法落地，并在測量模型之后發(fā)現(xiàn)實際問題，是小學科學技術(shù)與工程課堂中“實施”的重要環(huán)節(jié)，在“工程物化問題”過程中學生大膽交流發(fā)現(xiàn)的問題，思考問題背后的成因。梳理全部問題，交流問題本身；分類全部問題，交流問題求同；批判各自問題，交流問題存異。思維經(jīng)歷梳理、分類和批判過程，培養(yǎng)學生工程實施思維，確保工程的集成性和構(gòu)建性。

（一）思維梳理，交流問題本身

在項目推進中，清晰的思維梳理是解決問題的前提。首先，明確問題的核心與邊界，避免偏差。通過結(jié)構(gòu)化思考，分解復雜問題為具體子項，逐一分析。團隊成員間保持多元溝通，觀點碰撞，集思廣益。利用頭腦風暴，深入挖掘問題根源，找到最優(yōu)解決方案。定期回顧和調(diào)整思路，確保討論始終聚焦于關(guān)鍵議題，提升決策效率與準確性。

（二）思維分類，交流問題求同

在團隊討論中，通過思維分類有助于凝聚共識。首先，將問題按性質(zhì)、優(yōu)先級等維度進行分類，確保討論有序展開。學生表達不同觀點，但聚焦于共同目標，尋找交集。利用歸納法提煉共性，排除分歧，形成統(tǒng)一意見。清晰呈現(xiàn)各方觀點，促進理解與認同，最終達成一致方案，提高決策效率和執(zhí)行力，確保項目順利推進。

【教學片段】

交流匯報之后的問題雜亂無章，將一代受水型水鐘測試問題分類，6個問題主要分為3類：水流速度問題、孔大小問題和刻度線問題（如下表）。

水鐘測試問題與分類

[序號 問題 分類相同問題 1 水流量先多后少 水流速度問題 2 水流速度先快后慢 3 孔大 孔大小問題 4 孔小 5 刻度線太密 刻度線問題 6 刻度線不均勻 ]

（三）思維批判，交流問題存異

在團隊討論中，思維批判是確保決策質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。面對不同意見時，多開展理性批判和建設(shè)性辯論，避免表面和諧。通過質(zhì)疑假設(shè)、驗證數(shù)據(jù)，深入剖析每個觀點的合理性和局限性，尊重并保留合理的差異，記錄不同見解，促使學生從多角度思考問題，為后續(xù)決策提供全面參考，最終形成更加完善和穩(wěn)健的解決方案。

【教學片段】

針對“水流速度問題”的改進，大部分學生的想法是控制水位線，保持統(tǒng)一水壓，但也有學生想法不一致（如圖2）。

生1：我們組認為不一定要保持勻速水流，就讓水鐘水流速度先快后慢，然后水鐘刻度線也先疏后密就行，這樣也能準確及時。

生2：我不認同你們組的觀點，現(xiàn)在的水鐘只要求計時2分鐘，如果是計時20分鐘的水鐘，那刻度線最后就變得密密麻麻了，估計根本無法區(qū)分。

生1：你的想法我表示同意，對短時間內(nèi)計時的水鐘可以，長時間計時就不行。

三、研討工程模型改良，培養(yǎng)學生的工程提升思維

小學科學技術(shù)與工程課堂中“提升”是最后環(huán)節(jié)，對模型存在問題有了深度思考后，在“工程模型改良”過程中學生利用不同方法對模型進行二次改進。利用遷移思維，模仿他人方法改進；利用創(chuàng)新思維，創(chuàng)意自我方法；利用優(yōu)化思維，迭代綜合方法。培養(yǎng)好學生工程提升思維，即強調(diào)工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化創(chuàng)新，使工程具有更強生命力。

（一）闡述他人方法模仿——提升遷移思維

通過模仿他人的成功方法，可以有效提升遷移思維能力。觀察并學習他人在不同情境下的解決策略，分析成功案例，提煉核心方法，結(jié)合自身情況，調(diào)整優(yōu)化方案，有助于學生在面對新問題時靈活應用已有經(jīng)驗，這種方法能加速個人成長，培養(yǎng)跨領(lǐng)域解決問題的能力，增強創(chuàng)新思維（如圖3）。

【教學片段】

生：我們小組針對水流速度問題，看見別的小組在泄水容器側(cè)邊出個口子，多余的水流出去，統(tǒng)一水位，我們組也打算這么做。

師：根據(jù)你們的設(shè)計圖，是這樣對吧？（PPT出示動畫水位下降低于出水口）說說具體怎么操作？

生：下面滴水，上面不停地給它補水，多余的水會經(jīng)過A出水口流出去，讓這個裝置始終保持一個水位。

師：同小組對于你們這個方法有什么補充的嗎？其他小組有什么疑問？

生：是的，那反正A出水口能排出多余水了，加水過程中是否能隨意，一會兒加這么多一會兒加這么少，或者一會兒讓它低于出水口再加？

生：不行，每次根據(jù)流出水流稍微補充。

師：不能過多或過少，所以始終保持的水位線應該在哪里？請你畫一畫。

（二）闡述方法創(chuàng)意——提升創(chuàng)新思維

培養(yǎng)創(chuàng)新思維需從自身方法創(chuàng)意出發(fā)，學生自由聯(lián)想，突破傳統(tǒng)框架，大膽設(shè)想各種可能性。通過工程項目前期靈感，積累創(chuàng)意素材，結(jié)合跨學科知識，激發(fā)非線性思考，形成個人獨特的解決問題方式，將創(chuàng)意融入實踐，在不斷試錯中優(yōu)化方案，推動持續(xù)創(chuàng)新（如圖4）。

【教學片段】

生：我們組的刻度線太密了，計時時分不太清楚，我們打算選擇孔大點的瓶蓋，每次流下來的水多了，就能拉開刻度線之間的距離。

師：這是你們組的改進方法，針對這個問題，其他小組有不同方法嗎？

生：我們還有不同方法，我們使用更細的容器，容器細了水位線就上升了。

生：什么意思？

生：就是水流量一樣的，相同時間，相同水流量，在細瓶中上升較快。

（三）闡述綜合方法迭代——提升優(yōu)化思維

在解決問題和項目推進中，綜合方法迭代是持續(xù)優(yōu)化的關(guān)鍵。全班學生整合多種有效策略，形成綜合性解決方案，通過反復試驗和反饋調(diào)整，不斷改進方法的適用性和效率，每次迭代后，深入分析結(jié)果，識別潛在問題和改進點，確保每輪優(yōu)化都有實質(zhì)進展。同時，保持解決方法的靈活性，引入新工具和理念，使方案更加完善，最終，通過系統(tǒng)化的迭代過程，實現(xiàn)從量變到質(zhì)變的飛躍，顯著提升了整體效能。

“表達與交流”作為橋梁，有效連接了“技術(shù)性實踐”和“工程類思維”，使兩者相輔相成。在小學工程技術(shù)課堂中，通過“表達與交流”環(huán)節(jié)，學生不僅能夠清晰地闡述設(shè)計方案和技術(shù)思路，還能傾聽和吸收他人的意見和建議，從而不斷優(yōu)化和完善項目，這一過程提升了他們的溝通能力和批判性思維。學生在研討過程中深入思考設(shè)計的可行性和創(chuàng)新點，逐步培養(yǎng)出系統(tǒng)的工程決策、實施和提升思維，實現(xiàn)從理論到應用的跨越。

【本文系浙江省教育科學規(guī)劃2025年課題“從經(jīng)驗到思維：小學科學‘四棱結(jié)構(gòu)’循證學習路徑研究”的階段性研究成果之一，課題編號：2025SC250】

參考文獻

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