朱阿娜

《義務(wù)教育小學(xué)科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》把技術(shù)與工程的相關(guān)知識首次作為獨(dú)立的領(lǐng)域呈現(xiàn)出來，強(qiáng)調(diào)了工程教育的關(guān)鍵在于讓學(xué)生對工程產(chǎn)生基本的認(rèn)識，激發(fā)他們對工程設(shè)計的興趣，在解決問題和制作產(chǎn)品的過程中鍛煉和提升動手動腦能力，培養(yǎng)工程思維習(xí)慣。因此，在科學(xué)教育中我們理應(yīng)從工程思維的高度來探討技術(shù)與工程活動。

工程思維是指人們在工程活動及工程研究過程中形成的獨(dú)特的思維方式。它是以人工造物為著眼點(diǎn)，著力于構(gòu)建應(yīng)然而未然的理想化人工系統(tǒng)的一種思維方式，涵蓋或兼容了科學(xué)思維與技術(shù)思維的內(nèi)容，是面向并解決更為復(fù)雜的工程問題的一種高階思維。結(jié)合一線教師課堂教學(xué)實(shí)踐，筆者嘗試在科學(xué)教學(xué)中構(gòu)建適合培養(yǎng)學(xué)生工程思維的教學(xué)模式（圖1）。下文筆者以“雞蛋保護(hù)器”為例具體說明。

一、設(shè)置工程情境，聚焦研究問題

情境可以有效刺激學(xué)生感官，使其產(chǎn)生情感的共鳴，讓枯燥無味的知識產(chǎn)生適合的附著點(diǎn)及切實(shí)的生長點(diǎn)，增加學(xué)習(xí)的趣味性、生動性、直觀性，讓學(xué)生在理論與實(shí)踐的交互碰撞中真正領(lǐng)悟知識、提升能力。問題是科學(xué)研究的起點(diǎn)，沒有問題自然就不會有解釋問題和解決問題的知識、思想和方法，沒有問題就難以激起學(xué)生的求知欲，就不會促進(jìn)學(xué)生去深度思考。創(chuàng)設(shè)一個富有意義的學(xué)習(xí)情境，確定一個具有價值的研究主題，是培養(yǎng)學(xué)生工程思維的基礎(chǔ)。

在教學(xué)“雞蛋保護(hù)器”一課時，教師首先提出問題：“ 同學(xué)們有網(wǎng)購的經(jīng)歷嗎？老師前兩天網(wǎng)購了一箱綠殼雞蛋，可是收到的時候，卻發(fā)現(xiàn)破了好幾只。如果你是雞蛋包裝設(shè)計師，能設(shè)計出更好的包裝來保護(hù)雞蛋嗎？”學(xué)生展開思考，并在小組內(nèi)部討論，將可行的方法記錄下來，然后全班交流。

在此過程中，學(xué)生發(fā)現(xiàn)購買的產(chǎn)品在運(yùn)輸中是否會損壞，與產(chǎn)品的減震緩沖包裝有很大關(guān)系，生活中減震包裝的種類很多，但適合保護(hù)雞蛋的并不多。最終，根據(jù)雞蛋外形特點(diǎn)確定了雞蛋保護(hù)器必須能完整地包住一只雞蛋，且留有自由轉(zhuǎn)動的空間，方便裝取，還得通過振動、沖擊、1.5米高處掉落等測試。同時還要考慮：雞蛋保護(hù)器要美觀實(shí)用、方便裝取，容易裝入大箱運(yùn)輸，且制作成本低。之后教師又問：“想不想自己做一個雞蛋保護(hù)器？”學(xué)生立刻來了興趣，表示想自己設(shè)計制作一個更好的雞蛋保護(hù)器。在這個環(huán)節(jié)，學(xué)生可以了解自己的任務(wù)，明確將要研究的問題，為后續(xù)學(xué)習(xí)做好準(zhǔn)備。

以問題為中心的教學(xué)，把教學(xué)內(nèi)容化作問題，引導(dǎo)學(xué)生通過解決問題來掌握知識，形成能力。同時，由于學(xué)生的思維指向明確，使其處于激活狀態(tài)，從而更好地保證了學(xué)習(xí)效果。

二、布置任務(wù)，調(diào)查與探索

教師順?biāo)浦?，借機(jī)布置任務(wù)：為什么要選擇殼體結(jié)構(gòu)的保護(hù)器？它的原理是什么？從而界定了本次的研究主題。

學(xué)生在已有知識儲備和經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上通過觀察蛋殼結(jié)構(gòu)，分析蛋殼的受力特點(diǎn)，充分發(fā)表自己的看法，最終得出一個或幾個大家認(rèn)可的假設(shè)。

蛋殼究竟能承受多大的力？教師先讓學(xué)生用科學(xué)的方法去測試3只雞蛋的承受力，再向他們開放網(wǎng)絡(luò)，利用百度、搜狗等進(jìn)入調(diào)查環(huán)節(jié)，學(xué)生借助搜索工具來搜索相關(guān)知識驗(yàn)證自己的想法，并匯總調(diào)查到的資料，記錄到工程日志之中。在此過程中，教師要提供適時、有效的指導(dǎo)和幫助。

最后，學(xué)生以海報制作的形式來分享調(diào)查方案、過程及結(jié)果。小組間先進(jìn)行互評，教師再對學(xué)生的調(diào)查過程、結(jié)果進(jìn)行評價和總結(jié)。

主題確定之后，學(xué)生第一要務(wù)就是從已有經(jīng)驗(yàn)中大量檢索與主題相關(guān)的信息，教師要盡可能為學(xué)生提供豐富的資源，為他們的學(xué)習(xí)搭建橋梁。同時，還要幫助他們對問題進(jìn)行分類，學(xué)會用科學(xué)的眼光，從不同的視角，去審視這些資料和信息，發(fā)現(xiàn)它們之間的聯(lián)系。

三、設(shè)計/再設(shè)計與實(shí)施

通過調(diào)查探索，學(xué)生對殼體結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)又有了更深的認(rèn)識，在此基礎(chǔ)上，教師分發(fā)圖紙，明確優(yōu)秀設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：保護(hù)性、節(jié)約性、方便性和環(huán)保性。保護(hù)性主要看能否減小傳遞到雞蛋上的沖擊力、震動力，能否分散作用在雞蛋上的應(yīng)力，能否保護(hù)雞蛋的表面部分，能否防止雞蛋相互接觸，能否防止雞蛋在包裝內(nèi)大距離移動;節(jié)約性，主要看耗材;方便性，主要看拿取是否方便，包裝棄物處理是否方便;環(huán)保性主要指包裝材料的環(huán)保性，包裝材料的可再利用性。教師鼓勵學(xué)生充分發(fā)揮想象，設(shè)計出符合這四個特點(diǎn)的雞蛋保護(hù)器。

接下來，學(xué)生先在紙上畫圖，將前面的思路轉(zhuǎn)換為圖紙，繪制好圖紙后再在小組內(nèi)部討論，最終制作選擇拱形雞蛋保護(hù)器。之后，教師再要求學(xué)生將設(shè)計方案精細(xì)化。設(shè)計圖的繪制要精細(xì)，要有俯視圖、仰視圖、側(cè)視圖，又要注明使用的材料及具體尺寸等，并將討論的過程記錄在工程日志之中。隨后進(jìn)入交流環(huán)節(jié)，要求學(xué)生介紹本組的作品，并能對其他小組的作品提出建議，之后對照建議繼續(xù)修改方案，根據(jù)修改后的設(shè)計圖選取合適的材料進(jìn)行制作，在制作的過程中遇到問題的，仍可一邊修改一邊制作。最后，在教師的引導(dǎo)下設(shè)計實(shí)驗(yàn)，從振動、高處墜落等方面來測試雞蛋保護(hù)器的實(shí)用性，并根據(jù)測試結(jié)果再次改進(jìn)他們制作的雞蛋保護(hù)器，再次測試。

設(shè)計方案和實(shí)施的過程是觀念物化的過程，將頭腦中的創(chuàng)意變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。教師要讓學(xué)生意識到無論是設(shè)計、測試，還是改進(jìn)，都是一個反復(fù)、循環(huán)的過程。在整個過程中伴隨著信息的輸入與輸出，設(shè)計方案也在不斷地調(diào)整、修改與完善，這一切使得學(xué)生的工程思維能力、動手操作能力不斷得到提升。

四、評價、交流與總結(jié)

教師讓學(xué)生繼續(xù)完成自己的工程日志，再根據(jù)前面制定的四個標(biāo)準(zhǔn)對其他小組制作的雞蛋保護(hù)器做出合理的評價。多數(shù)小組設(shè)計的雞蛋保護(hù)器比較實(shí)用。有的不僅可以通過1.5米高空墜落測試，所選材料還很環(huán)保;有的能通過1.4米高的測試，且方便性得到了更多人的支持;還有的只能通過1.2米測試，但是材料最省，比較經(jīng)濟(jì)。接著，讓學(xué)生依據(jù)自評表，對自己本節(jié)課的表現(xiàn)進(jìn)行評價。

評價的目的是為了引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行反思，學(xué)會學(xué)習(xí)。教師要給予學(xué)生充分表達(dá)自己觀點(diǎn)的機(jī)會，要善于聚焦“為什么這樣做”，了解學(xué)生真正學(xué)到了什么，只要有收獲、有啟發(fā)就應(yīng)該得到認(rèn)可。

在這里，我們還可以通過創(chuàng)建評價量表來培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。評價量表，究其本質(zhì)就是一種評分工具，描述的是對某項(xiàng)任務(wù)的具體期望，將任務(wù)分成多個組成部分，并對每一部分分別列出任務(wù)指標(biāo)。工程思維是一種連續(xù)性、過程性的思維方式，須在整個工程完成過程中形成和發(fā)展。因此，對學(xué)生工程思維的培養(yǎng)須從工程問題的思考，方案的設(shè)計、結(jié)構(gòu)的把握、實(shí)施及完善等維度著手，可分別從工程決策思維、工程設(shè)計思維和工程實(shí)施思維三個層面來創(chuàng)建教師評分表和學(xué)生自評分析表。教師評分表的具體指標(biāo)可包括確定目標(biāo)、分析問題、制定方案、功能設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計、美觀設(shè)計、調(diào)查探索、建構(gòu)模型及制作實(shí)施等;學(xué)生自評分表指標(biāo)可以從能否準(zhǔn)確理解老師提出的任務(wù)，明確任務(wù)的步驟; 能否多角度思考問題，有不同的設(shè)計方案; 選擇方案時能否綜合考慮可行性、設(shè)計的產(chǎn)品能否達(dá)到任務(wù)目標(biāo);設(shè)計繪圖時能充分考慮結(jié)構(gòu)與美觀;實(shí)施時能否將前面的思路轉(zhuǎn)換成產(chǎn)品等方面考慮。

教師評分表在培養(yǎng)學(xué)生工程思維時能夠給教師提供清晰的評價標(biāo)準(zhǔn)，更加明確地傳達(dá)我們的意圖和期望，為學(xué)生提供及時、全面的反饋，有效地幫助他們在后續(xù)活動中進(jìn)一步修正自己的意見和做法，改善自己的作品。學(xué)生自評分析表則賦予了他們自己對工程思維發(fā)展的控制權(quán)，能更加主動地參與自己的學(xué)習(xí)規(guī)劃。同時，從量表上還可以直觀地看到學(xué)生的進(jìn)步和遇到的困難，為更好地把握學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度、改善教師教學(xué)行為提供參考，從而將工程思維的培養(yǎng)落到細(xì)微處。

總的來說，教師評價表和學(xué)生自評分析表的建構(gòu)旨在通過評價指標(biāo)的導(dǎo)向及評價結(jié)果的反饋，使我們更好地掌握學(xué)生在本課中的工程思維發(fā)展水平，分析存在的問題，反思產(chǎn)生問題的原因，不斷修改教學(xué)設(shè)計中的不足，進(jìn)而更有實(shí)效地培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。

此外，還要注重對所涉及的知識進(jìn)行歸納和總結(jié)，以幫助學(xué)生更好地進(jìn)行知識建構(gòu)和重組，達(dá)成教學(xué)目標(biāo)。

五、拓展延伸與應(yīng)用

最后，教師布置任務(wù)，讓學(xué)生在課后合作完成“雞蛋撞地球”大挑戰(zhàn)。要求重新設(shè)計方案，讓雞蛋從更高的高度拋下且完好無損。

拓展與應(yīng)用既是對當(dāng)前所學(xué)知識的一個檢測，又是對所學(xué)知識靈活應(yīng)用的一個提升，有利于發(fā)展學(xué)生思維的靈活性、廣闊性和創(chuàng)造性，是該教學(xué)模式中不可或缺的重要環(huán)節(jié)。

目前，我們對工程思維的研究才剛剛起步，對工程思維的地位和作用重視程度還不夠，阻礙了對學(xué)生工程思維的培養(yǎng)。但只要我們堅持不懈地努力，在探索中努力，在努力中前行，終將會迎來小學(xué)科學(xué)工程教育的春天。

[責(zé)任編輯：陳國慶]