“小小工程師”單元教學(xué)思考

〔摘" "要〕" 本文旨在通過引導(dǎo)學(xué)生像工程師一樣思考，經(jīng)歷從明確問題、設(shè)計(jì)方案、制作模型、測(cè)試評(píng)估到改進(jìn)優(yōu)化的完整過程，培養(yǎng)他們發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，提升邏輯思維和批判性思維，促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展，讓學(xué)生在實(shí)踐中探究科學(xué)原理，加深對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解和應(yīng)用。

〔關(guān)鍵詞〕" 小學(xué)科學(xué)；單元教學(xué)；科學(xué)素養(yǎng)；跨學(xué)科融合

〔中圖分類號(hào)〕" G424" " " " " " " " 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕" A" " " " 〔文章編號(hào)〕" 1674-6317" " （2025）18" " 0055-03

小學(xué)科學(xué)核心素養(yǎng)的培養(yǎng)是漸進(jìn)的，工程設(shè)計(jì)在小學(xué)階段的科學(xué)教學(xué)中屬于一個(gè)應(yīng)用工程環(huán)節(jié)，雖然內(nèi)容不是很多，但也是逐步實(shí)施的，到六年級(jí)下學(xué)期，學(xué)生將經(jīng)歷一次全面、深入的工程設(shè)計(jì)、制作、評(píng)估與改進(jìn)的全過程，通過教科版科學(xué)六年級(jí)下冊(cè)第一單元“小小工程師”單元的教學(xué)，從設(shè)計(jì)、制作、評(píng)估與改進(jìn)的全程學(xué)生參與活動(dòng)，讓學(xué)生在攻克一個(gè)個(gè)難題到最終的成功。《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》明確了科學(xué)課程的目標(biāo)是培養(yǎng)學(xué)生核心素養(yǎng)，主要包括科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐和態(tài)度責(zé)任四個(gè)方面。

一、在單元教學(xué)中提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)研究的背景及意義

（一）研究背景

當(dāng)前教育改革背景下對(duì)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)的研究取得了以下豐碩的成果：政策支持力度大，科學(xué)教育基礎(chǔ)改善，學(xué)生科學(xué)學(xué)業(yè)表現(xiàn)良好。最新一次國(guó)家義務(wù)教育質(zhì)量監(jiān)測(cè)顯示，中小學(xué)生科學(xué)學(xué)業(yè)表現(xiàn)整體良好。

（二）研究意義

在單元教學(xué)中提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的研究對(duì)豐富科學(xué)教育理論具有多方面的價(jià)值，體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：深化科學(xué)素養(yǎng)內(nèi)涵理解。通過研究單元教學(xué)中提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的具體方式和效果，能夠更深入地剖析科學(xué)素養(yǎng)的各個(gè)維度在教學(xué)實(shí)踐中的相互關(guān)系和作用機(jī)制；完善教學(xué)方法與策略。探索單元教學(xué)中適合提升科學(xué)素養(yǎng)的教學(xué)方法，如項(xiàng)目式學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)等在單元教學(xué)中的應(yīng)用。有助于優(yōu)化教學(xué)設(shè)計(jì)，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容和學(xué)生特點(diǎn)選擇合適的單元教學(xué)模式；促進(jìn)課程設(shè)計(jì)與整合?；谔嵘龑W(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的單元教學(xué)研究，能為科學(xué)課程的整體設(shè)計(jì)提供依據(jù)，明確不同階段、不同主題單元之間的銜接和遞進(jìn)關(guān)系，使課程體系更加連貫和系統(tǒng)；關(guān)注學(xué)生主體地位。強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心的單元教學(xué)研究，關(guān)注學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的體驗(yàn)、興趣和需求，為個(gè)性化教育提供支持。研究學(xué)生在單元學(xué)習(xí)中的認(rèn)知發(fā)展規(guī)律，有助于科學(xué)教育理論更好地依據(jù)學(xué)生的心理特點(diǎn)和認(rèn)知水平來設(shè)計(jì)教學(xué)活動(dòng)，提高教學(xué)的針對(duì)性和有效性。

二、核心概念界定

（一）單元教學(xué)

單元教學(xué)是一種以教材中的單元為基本教學(xué)單位、對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃和整合的教學(xué)方式。它將具有內(nèi)在聯(lián)系的知識(shí)、技能、方法等要素進(jìn)行有機(jī)組合，圍繞一個(gè)主題或核心概念展開教學(xué)活動(dòng)。在單元教學(xué)中，教師會(huì)根據(jù)課程標(biāo)準(zhǔn)和學(xué)生的實(shí)際情況進(jìn)行整體設(shè)計(jì)，包括教學(xué)目標(biāo)的確定、教學(xué)內(nèi)容的組織、教學(xué)方法的選擇、教學(xué)評(píng)價(jià)的設(shè)計(jì)等。通過單元教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力和素養(yǎng)，提高教學(xué)效率和質(zhì)量。

（二）科學(xué)素養(yǎng)

科學(xué)素養(yǎng)的內(nèi)涵：科學(xué)素養(yǎng)是指?jìng)€(gè)人在科學(xué)知識(shí)、科學(xué)方法、科學(xué)思維、科學(xué)態(tài)度以及對(duì)科學(xué)技術(shù)與社會(huì)關(guān)系的理解等方面所達(dá)到的水平。

三、在單元教學(xué)中提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的策略

（一）基于科學(xué)素養(yǎng)的單元教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)

基于《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》，聚焦科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、態(tài)度責(zé)任四大核心素養(yǎng)，以工程設(shè)計(jì)為載體，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用科學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問題的能力，激發(fā)創(chuàng)新精神與社會(huì)責(zé)任感。

（二）優(yōu)化單元教學(xué)活動(dòng)，促進(jìn)學(xué)生深度探究

本單元圍繞塔臺(tái)的設(shè)計(jì)、制作、測(cè)試、評(píng)估、完善，教科版科學(xué)六年級(jí)下冊(cè)第一單元“小小工程師”中塔臺(tái)設(shè)計(jì)制作要求如下：高度要求，塔臺(tái)高度為60厘米；移動(dòng)要求，底部能夠移動(dòng)；結(jié)構(gòu)要求，堅(jiān)固并有承重能力，具有抗風(fēng)抗震能力；材料要求，節(jié)省材料，控制成本；外觀要求，外形美觀。

（三）加強(qiáng)跨學(xué)科融合教學(xué)

教科版科學(xué)六年級(jí)下冊(cè)“小小工程師”單元教學(xué)內(nèi)容涉及多個(gè)跨學(xué)科元素，主要包括以下方面?？茖W(xué)，物理知識(shí)：在設(shè)計(jì)塔臺(tái)時(shí)，學(xué)生需要運(yùn)用物體的穩(wěn)定性、重心、力的平衡等物理知識(shí)，以確保塔臺(tái)結(jié)構(gòu)穩(wěn)固，能承受一定重量。數(shù)學(xué)，測(cè)量與計(jì)算：學(xué)生要精確測(cè)量材料的長(zhǎng)度、寬度、高度等，以合理規(guī)劃材料使用和塔臺(tái)尺寸。藝術(shù)，外觀設(shè)計(jì)：在滿足塔臺(tái)功能要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)，考慮色彩搭配、造型美觀等因素，融入藝術(shù)審美元素，提升塔臺(tái)的整體美感。

通過跨學(xué)科元素的融合，讓學(xué)生在教科版科學(xué)六年級(jí)下冊(cè)“小小工程師”單元中，綜合運(yùn)用多學(xué)科知識(shí)解決實(shí)際問題，培養(yǎng)他們的綜合素養(yǎng)和創(chuàng)新能力。

四、單元教學(xué)對(duì)提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的價(jià)值分析

從第三課開始，筆者明確地向?qū)W生提出了把科學(xué)課的活動(dòng)過程交還給學(xué)生，他們就是小小的工程師，是學(xué)習(xí)的主體。我把全班學(xué)生分為六個(gè)小組，每個(gè)小組成員是固定的，任務(wù)就是完成塔臺(tái)的設(shè)計(jì)與制作。

（一）標(biāo)書的制作

通過自學(xué)明確標(biāo)書的制作方法與相關(guān)的要求，由小組長(zhǎng)安排組員根據(jù)個(gè)人特長(zhǎng)情況對(duì)標(biāo)書進(jìn)行設(shè)計(jì)，組內(nèi)進(jìn)行初評(píng)，最后由各組代表上臺(tái)向全班公布標(biāo)書，匯報(bào)時(shí)圍繞標(biāo)書的幾個(gè)環(huán)節(jié)展開介紹，讓小組成員在小組內(nèi)的個(gè)人角色得到初步體現(xiàn)，體驗(yàn)到一次小成功的喜悅。

（二）塔臺(tái)模型的設(shè)計(jì)

在完成幾個(gè)重要環(huán)節(jié)的介紹后，主要的時(shí)間交給學(xué)生，在小組長(zhǎng)的組織下進(jìn)行計(jì)劃的撰寫，組長(zhǎng)能根據(jù)組員個(gè)人特長(zhǎng)情況進(jìn)行合理的安排。

（三）塔臺(tái)模型的制作

各個(gè)小組按要求進(jìn)行材料的準(zhǔn)備，確定了在上課時(shí)進(jìn)行制作。多數(shù)小組都按要求準(zhǔn)備了材料和工具，但個(gè)別小組材料未及時(shí)到位，導(dǎo)致他們?cè)谡n堂上無事可做，那就課后去完成吧，按照預(yù)設(shè)，一節(jié)課內(nèi)應(yīng)該能制作完成。我觀察到每個(gè)小組有明確的分工：有的做底座，有的做塔身，有的處理吸管……盡管各組都在緊鑼密鼓地制作，但一節(jié)課內(nèi)還是制作不了，那就再給一節(jié)課吧。同時(shí)也要求材料沒到位的小組盡量趕上進(jìn)度，通過兩節(jié)課的制作，每個(gè)小組的模型都做出來了。

（四）模型的測(cè)試與評(píng)估

這個(gè)環(huán)節(jié)該由教師來完成吧？不，還是由學(xué)生來進(jìn)行，每個(gè)小組派一名代表對(duì)自己小組的作品作解說，同時(shí)與其他小組代表共同對(duì)所有模型進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)估的依據(jù)是教材提供的制作要求和評(píng)分細(xì)則，從作品的承重能力、抗風(fēng)能力、抗震能力、成本及人員分工、作品美觀情況等方面進(jìn)行量化打分，最終評(píng)出一、二、三等獎(jiǎng)。通過對(duì)全班六件作品的測(cè)試與評(píng)估，成功的是模型的承重能力、抗風(fēng)能力和模型的美觀性都很好，只有一件作品的抗震能力稍差一點(diǎn)。我們大家?guī)椭鴮?duì)作品存在的問題進(jìn)行分析并提出了進(jìn)一步改進(jìn)的建議，請(qǐng)他們于課后進(jìn)行完善。

（五）修改與完善

通過測(cè)試與評(píng)估，對(duì)符合要求的作品交由小組進(jìn)行保管，對(duì)存在問題的作品由小組于課后進(jìn)行完善，于課堂上進(jìn)行再次測(cè)試與評(píng)估。

五、結(jié)論與展望

（一）研究結(jié)論

“小小工程師”單元教學(xué)通過整合工程實(shí)踐與跨學(xué)科知識(shí)，對(duì)提升學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)具有顯著有效性，具體體現(xiàn)在以下方面。

1.強(qiáng)化學(xué)生科學(xué)觀念建構(gòu)

教學(xué)以工程設(shè)計(jì)為載體，促使學(xué)生將物理、材料科學(xué)等知識(shí)應(yīng)用于塔臺(tái)設(shè)計(jì)制作中。例如，在考慮塔臺(tái)承重與穩(wěn)定性時(shí)，學(xué)生需理解重心、力的平衡等物理概念，從而深化對(duì)科學(xué)知識(shí)的理解，建立科學(xué)知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用的關(guān)聯(lián)，形成系統(tǒng)的科學(xué)觀念。

2.培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)思維能力

在單元教學(xué)中，學(xué)生經(jīng)歷分析問題、設(shè)計(jì)方案、測(cè)試優(yōu)化等過程，需運(yùn)用邏輯推理、批判性思維提出多種解決方案，并基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)評(píng)估方案可行性。如通過對(duì)塔臺(tái)模型的反復(fù)測(cè)試與改進(jìn)，學(xué)生逐步學(xué)會(huì)用證據(jù)支持觀點(diǎn)，提升問題解決和科學(xué)論證能力。

3.提升學(xué)生探究實(shí)踐水平

學(xué)生完整地參與從設(shè)計(jì)圖紙到制作模型的工程探究實(shí)踐，掌握基礎(chǔ)工具操作和數(shù)字化技術(shù)，同時(shí)在小組協(xié)作中明確分工、溝通協(xié)調(diào)。例如，在制作塔臺(tái)時(shí)使用3D打印筆或木工工具，以及運(yùn)用Tinkercad等軟件建模，有效鍛煉了動(dòng)手能力與團(tuán)隊(duì)合作能力。

4.塑造學(xué)生科學(xué)態(tài)度與責(zé)任

在教學(xué)過程中，學(xué)生在面對(duì)設(shè)計(jì)失敗時(shí)學(xué)會(huì)積極調(diào)整，培養(yǎng)勇于嘗試、不怕困難的科學(xué)態(tài)度；在設(shè)計(jì)中考慮環(huán)保、安全等社會(huì)因素，樹立可持續(xù)發(fā)展理念和社會(huì)責(zé)任意識(shí)。成果展示環(huán)節(jié)則進(jìn)一步增強(qiáng)學(xué)生的分享意識(shí)與尊重他人意見的科學(xué)精神。

5.實(shí)現(xiàn)跨學(xué)科融合應(yīng)用

該單元融合科學(xué)、數(shù)學(xué)、技術(shù)、藝術(shù)等多學(xué)科知識(shí)，學(xué)生需綜合運(yùn)用測(cè)量計(jì)算、材料特性分析、外觀設(shè)計(jì)等跨學(xué)科能力完成任務(wù)，打破學(xué)科壁壘，提升綜合運(yùn)用知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

該單元教學(xué)通過多樣化的教學(xué)活動(dòng)和評(píng)價(jià)方式，全方位、多層次促進(jìn)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)的發(fā)展，為學(xué)生未來的學(xué)習(xí)和實(shí)踐奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

（二）研究不足與展望

1.研究過程存在的局限性

時(shí)間與資源約束：受課時(shí)限制，學(xué)生難以充分經(jīng)歷完整的工程迭代過程，常出現(xiàn)“趕進(jìn)度”現(xiàn)象，導(dǎo)致設(shè)計(jì)優(yōu)化環(huán)節(jié)淺嘗輒止。知識(shí)整合難度高：跨學(xué)科知識(shí)的融合對(duì)學(xué)生綜合能力要求較高，部分學(xué)生因基礎(chǔ)薄弱難以將科學(xué)、數(shù)學(xué)等知識(shí)靈活應(yīng)用于工程問題。例如，在塔臺(tái)承重計(jì)算中，學(xué)生可能因數(shù)學(xué)建模能力不足，無法精準(zhǔn)分析物理受力關(guān)系，影響設(shè)計(jì)的科學(xué)性。評(píng)價(jià)體系的主觀性：盡管采用多元化評(píng)價(jià)，但在創(chuàng)意、合作態(tài)度等維度的評(píng)分中，教師或同伴評(píng)價(jià)易受主觀因素干擾，導(dǎo)致評(píng)價(jià)結(jié)果缺乏絕對(duì)客觀性。此外，部分過程性評(píng)價(jià)指標(biāo)（如科學(xué)思維發(fā)展）難以量化，增加了評(píng)價(jià)難度。

2.單元教學(xué)中科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)的展望

優(yōu)化課程設(shè)計(jì)與資源配置。延長(zhǎng)實(shí)踐周期：設(shè)置跨課時(shí)、跨學(xué)段的長(zhǎng)期項(xiàng)目，預(yù)留充足時(shí)間用于方案迭代與深度探究。整合校內(nèi)外資源：與企業(yè)、高校合作，引入專業(yè)工程師指導(dǎo)，或利用虛擬仿真平臺(tái)（如工程模擬軟件）彌補(bǔ)硬件不足。深化跨學(xué)科融合策略。分層任務(wù)設(shè)計(jì)：根據(jù)學(xué)生能力設(shè)計(jì)階梯式任務(wù)，如基礎(chǔ)任務(wù)聚焦科學(xué)知識(shí)應(yīng)用，進(jìn)階任務(wù)側(cè)重多學(xué)科綜合創(chuàng)新，確保不同水平學(xué)生均能獲得成長(zhǎng)。前置知識(shí)銜接：在單元前增設(shè)跨學(xué)科知識(shí)微課程，如“工程中的數(shù)學(xué)計(jì)算”“材料科學(xué)基礎(chǔ)”，幫助學(xué)生鞏固基礎(chǔ)。完善科學(xué)素養(yǎng)評(píng)價(jià)體系。開發(fā)智能評(píng)價(jià)工具：利用AI技術(shù)對(duì)學(xué)生的設(shè)計(jì)方案、實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行數(shù)據(jù)化分析（如結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性模擬評(píng)分），減少主觀誤差。建立動(dòng)態(tài)成長(zhǎng)檔案：通過學(xué)習(xí)日志、過程視頻等持續(xù)記錄學(xué)生科學(xué)思維發(fā)展軌跡，實(shí)現(xiàn)“過程性+增值性”評(píng)價(jià)。

通過針對(duì)性改進(jìn)與創(chuàng)新，“小小工程師”單元教學(xué)有望成為更高效的科學(xué)素養(yǎng)培養(yǎng)載體，助力學(xué)生成長(zhǎng)為具備創(chuàng)新思維、實(shí)踐能力和社會(huì)責(zé)任感的綜合型人才。

參考文獻(xiàn)

[1]凱瑟琳·E.斯諾.科學(xué)素養(yǎng)：概念、情境與影響.裴新寧，鄭太年，譯.[M].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社，2020.

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