【摘"" 要】工程思維是人們在解決真實工程問題的過程中逐漸形成的一種具有前瞻性、統(tǒng)籌性的思維習(xí)慣，指導(dǎo)人們共性地解決工程問題。小學(xué)科學(xué)教學(xué)旨在引領(lǐng)學(xué)生“像工程師一樣思考”，初步培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。在具體的教學(xué)中，教師應(yīng)通過“設(shè)計生活情境，引出工程問題；設(shè)計探究活動，滲透科學(xué)原理；提供結(jié)構(gòu)化支架，助力問題解決；反思改進不足，優(yōu)化產(chǎn)品迭代；拓展延伸課堂，實現(xiàn)創(chuàng)新運用”等策略，讓學(xué)生體驗解決問題的過程，獲得工程思維的發(fā)展。

【關(guān)鍵詞】小學(xué)科學(xué)；工程思維；核心素養(yǎng)；教學(xué)策略

思維層面的方法不同于認知層面的知識，指的是某個行業(yè)在長久發(fā)展過程中自發(fā)形成的特定的解決問題的行動范式，即以何種思考路徑，按照哪些特定步驟共性地解決問題。［1］《義務(wù)教育科學(xué)課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課程標準》）指出，人類在與自然界打交道的過程中，為了適應(yīng)自然、改善生產(chǎn)條件而產(chǎn)生了技術(shù)。人類對已有的物質(zhì)材料和生活環(huán)境加以系統(tǒng)的開發(fā)、生產(chǎn)、加工、建造，以滿足人們的需求，就產(chǎn)生了工程。早期的技術(shù)、工程和科學(xué)相對比較獨立，而現(xiàn)代技術(shù)、工程和科學(xué)相互影響與相互促進，越來越密不可分，共同推進了社會的進步。［2］ 工程思維是人們在解決真實工程問題的過程中逐漸形成的一種具有前瞻性、統(tǒng)籌性的思維習(xí)慣，指導(dǎo)人們共性地解決工程問題。小學(xué)科學(xué)教學(xué)旨在引領(lǐng)學(xué)生“像工程師一樣思考”，初步培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。

工具是人們工作時所需用的器具，為人們的生產(chǎn)生活提供了便利。它的發(fā)明和創(chuàng)造過程蘊含著豐富的科學(xué)原理和工程思維，是不同結(jié)構(gòu)系統(tǒng)組合的技術(shù)產(chǎn)物，體現(xiàn)著科學(xué)發(fā)明史的迭代。測量工具是工具的一種。開展與測量工具相關(guān)的教學(xué)，有利于學(xué)生理解測量儀器標準化的重要性、科學(xué)原理的統(tǒng)一性、物化產(chǎn)品的多樣性，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維和問題解決能力，促進學(xué)生科學(xué)核心素養(yǎng)的發(fā)展。在傳統(tǒng)的測量工具教學(xué)中，教師通常是讓學(xué)生先認識測量工具的各部分結(jié)構(gòu)，再學(xué)習(xí)使用方法，導(dǎo)致學(xué)生不了解測量工具的設(shè)計原理、各部分結(jié)構(gòu)的作用，只會機械地操練，甚至在操練后仍不會規(guī)范使用工具。一些教師嘗試從項目化學(xué)習(xí)的角度著手，帶領(lǐng)學(xué)生動手設(shè)計制作測量工具，但由于沒有原理的支撐和實驗材料的支持，學(xué)生設(shè)計的工具無法解決實際問題。如何解決這些問題值得教師思考。

以教科版《科學(xué)》四年級上冊第三單元第4課《彈簧測力計》為例，教師帶領(lǐng)學(xué)生經(jīng)歷“產(chǎn)生問題—發(fā)現(xiàn)原理—解決問題—優(yōu)化迭代—創(chuàng)新運用”的過程，培養(yǎng)學(xué)生的工程思維。學(xué)生深入體會一項科技發(fā)明的生產(chǎn)與改進過程，分析標準化儀器的設(shè)計環(huán)節(jié)，體驗工程師解決問題的思維和方法，獲得工程思維的發(fā)展。

一、設(shè)計生活情境，引出工程問題

工程問題源于人們在生活中遇到的困境。教學(xué)伊始，教師創(chuàng)設(shè)貼近學(xué)生生活的情境，引出各類問題，促使學(xué)生調(diào)取有關(guān)知識，開啟工程問題的探索。本課教學(xué)中，教師設(shè)計了問題鏈，如圖1所示。

教學(xué)中，教師把生活問題和課堂聯(lián)系起來，讓課堂知識變得生動具體。教師引導(dǎo)學(xué)生從經(jīng)驗出發(fā)，將生活中的問題轉(zhuǎn)化為科學(xué)領(lǐng)域中的工程問題，讓學(xué)生明白技術(shù)與工程產(chǎn)生于人類的生活需求。

二、設(shè)計探究活動，滲透科學(xué)原理

科學(xué)原理是人們理解世界的基石，隱藏在客觀現(xiàn)象的背后。學(xué)生參與科學(xué)探究活動的過程也是了解測量工具多樣性與科學(xué)原理一致性的過程。教師要引領(lǐng)學(xué)生制訂計劃，搜集、分析證據(jù)并得出科學(xué)原理，而后進行評價反思。學(xué)生全程參與探究過程，逐漸得出科學(xué)結(jié)論，建構(gòu)自身的知識和認知體系。［3］

彈簧測力計的工作原理是“彈簧發(fā)生彈性形變時，彈力的大小跟彈簧伸長（或縮短）的長度成正比”。課堂上，教師引導(dǎo)學(xué)生制訂探究計劃，讓學(xué)生利用具有標準重量的鉤碼進行實驗。探究時，教師將實驗材料有步驟地呈現(xiàn)給學(xué)生，讓學(xué)生依次增加鉤碼數(shù)量（如圖2），并在實驗記錄單上記錄數(shù)據(jù)。對比小組數(shù)據(jù)的折線圖與標準數(shù)據(jù)的折線圖（如圖3）后，學(xué)生發(fā)現(xiàn)實驗存在誤差。教師鼓勵他們以此為契機，反思實驗操作的規(guī)范性，在后續(xù)的實驗中提高操作的準確性。教學(xué)中，教師要讓學(xué)生根據(jù)各個小組得到的一致性實驗結(jié)論，得出統(tǒng)一認識。［4］

三、提供結(jié)構(gòu)化支架，助力問題解決

工程思維的核心是解決實際問題。教學(xué)支架能夠引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注問題的各個方面，從整體出發(fā)，抓住問題的關(guān)鍵細節(jié)。在教學(xué)支架的幫助下，學(xué)生通過獨立探索和協(xié)作學(xué)習(xí)，鍛煉問題解決能力，形成系統(tǒng)思維。

（一）搭建引導(dǎo)性支架，促進思維進階

彈簧測力計的設(shè)計是一個系統(tǒng)、復(fù)雜的實踐性過程。為了降低學(xué)習(xí)難度，教師遵循由易到難、循序漸進的進階原則搭建了引導(dǎo)性支架。這種學(xué)習(xí)支架可以幫助學(xué)生展開自主學(xué)習(xí)，建立學(xué)習(xí)自信心，獲得學(xué)習(xí)成就感。本課中，教師拆開彈簧測力計，將彈簧掛在鐵架臺上，用卡紙標記彈簧下端的起始位置（即0刻度），讓學(xué)生利用彈簧比較兩個大小不同的蘋果之間的重量差異。為了便于測量，學(xué)生提出將彈簧拿下來，但由于彈簧掛在鐵架臺上，測量伸長長度的起點（0刻度）固定在鐵架臺上。當(dāng)學(xué)生把彈簧拿下來測量時，發(fā)現(xiàn)0刻度還固定在鐵架臺上，無法測量彈簧的伸長量。對此，教師提出將0刻度固定在彈簧上的方法，并出示彈簧測力計的刻度和安裝方法（如圖4），使學(xué)生知道彈簧測力計上刻度的功能和0刻度的作用。接著，教師繼續(xù)出示新的實驗材料——較輕的臂章和較重的可樂。學(xué)生發(fā)現(xiàn)太輕或太重的物品都無法用現(xiàn)有的彈簧測力計進行測量，進而提出設(shè)計其他量程的彈簧測力計的想法。

整節(jié)課中，教師呈現(xiàn)了由易到難、由簡到繁的實驗材料，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)歷從“能測量到能便利測量”、從“測量一個物體到測量多個物體”的進階過程。學(xué)生在逐步解決問題的過程中實現(xiàn)了工程思維的發(fā)展。

（二）優(yōu)化提示性支架，助力原理提煉

科學(xué)原理是在邏輯推理和實驗驗證的基礎(chǔ)上得出的，為科學(xué)學(xué)習(xí)提供了理論基礎(chǔ)。在教學(xué)過程中，教師可設(shè)計提示性學(xué)習(xí)支架，采用提示性內(nèi)容啟發(fā)學(xué)生思考。傳統(tǒng)教學(xué)中，彈簧伸長長度需要用現(xiàn)有長度減去原來長度得出。本課教學(xué)中，教師設(shè)計了實驗記錄單（如表1），要求學(xué)生從0刻度位置開始，直接記錄彈簧伸長長度。這樣的實驗記錄單減少了計算過程，縮短了實驗時間，符合學(xué)生的認知水平，便于學(xué)生分析數(shù)據(jù)，得出科學(xué)原理。

四、反思改進不足，優(yōu)化產(chǎn)品迭代

反思是推動創(chuàng)新和持續(xù)發(fā)展的重要手段，在科學(xué)學(xué)習(xí)中具有重要作用。通過反思，工程師可以識別工程設(shè)計中存在的問題并及時糾正，并在總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)的基礎(chǔ)上提升工程的整體質(zhì)量。在教學(xué)過程中，一方面，教師應(yīng)該及時捕捉課堂生成，引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)成功經(jīng)驗，反思不足之處，實現(xiàn)產(chǎn)品的迭代升級。另一方面，教師要設(shè)計開放性問題，引領(lǐng)學(xué)生思考，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)造性思維。

（一）立足問題解決程度，優(yōu)化解決方案

教學(xué)中，教師時刻關(guān)注學(xué)生解決工程問題的程度，帶領(lǐng)學(xué)生反思實施方案的合理性、可行性。教師提醒學(xué)生時刻關(guān)注“大蘋果比小蘋果重多少”這一問題。學(xué)生發(fā)現(xiàn)，利用彈簧可以比較重力的大小，但無法精確測量重力的差異。于是學(xué)生嘗試優(yōu)化方案，探究彈簧伸長長度和重力之間的關(guān)系。此時學(xué)生已經(jīng)解決了大小不同的蘋果的重力差異問題，想繼續(xù)探究“如何便捷地比較大蘋果比小蘋果重多少”這一問題。于是進一步提出了制作彈簧測力計的設(shè)想。

（二）捕捉課堂生成，引導(dǎo)產(chǎn)品迭代

課堂是一個動態(tài)的過程，每個學(xué)生都是獨立的個體，教師在教學(xué)過程中要及時關(guān)注學(xué)生的動態(tài)，捕捉課堂生成。本課中，增加彈簧測力計的讀數(shù)、理解0刻度的作用、設(shè)計更大量程的彈簧測力計……這些內(nèi)容都是學(xué)生的課堂生成。教師有效地引導(dǎo)學(xué)生反思，促進產(chǎn)品的改進和迭代升級。學(xué)生嘗試將學(xué)習(xí)內(nèi)容與生產(chǎn)實踐相結(jié)合，不斷思考、改進彈簧測力計，其發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力都獲得了較大的提升。

五、拓展延伸課堂，實現(xiàn)創(chuàng)新運用

創(chuàng)新設(shè)計可以提高產(chǎn)品的合理性，使產(chǎn)品更符合用戶需求，具有更好的性能和更長的使用壽命。教學(xué)中，教師可以扮演客戶的角色，提出產(chǎn)品需求，引導(dǎo)學(xué)生明確工程問題，嘗試用工程思維解決問題。

（一）設(shè)計彈簧測力計，解決生活問題

在課堂拓展環(huán)節(jié)，教師進一步提出問題：如何測量書包重量？請設(shè)計一款可以為書包稱重的彈簧測力計。學(xué)生嘗試利用彈簧測力計的基本原理解決這一工程問題，關(guān)注彈簧測力計適用的便捷性，實現(xiàn)多樣化的功能，滿足多元化的需求，實現(xiàn)了彈簧測力計的創(chuàng)新設(shè)計。學(xué)生從常規(guī)的概念學(xué)習(xí)延伸到工程設(shè)計與物化的層面，體會到工程設(shè)計能夠提升生活品質(zhì)。

（二）設(shè)計其他測量工具，滿足生活需求

教師可以提出更多的工程問題，如：如何測量自己的體重？如何測量一根頭發(fā)的重量？野外工作的地質(zhì)學(xué)家如何測量礦石的體積、重量、硬度？在啟發(fā)性問題的引領(lǐng)下，學(xué)生嘗試設(shè)計更多的測量工具，如大量程的彈簧測力計、高精度的彈簧測力計。或整合多個科學(xué)原理，設(shè)計制作能夠測量長度、體積、重量等多個要素的工具?？梢姡瑢W(xué)生已經(jīng)學(xué)會利用工程思維解決更多的生活問題，或能自己提出工程問題，在實踐中加以解決。

工程思維對學(xué)生的發(fā)展具有極其重要的作用。教學(xué)中，教師應(yīng)充分使用真實的科學(xué)問題培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，激發(fā)學(xué)生主動探索的欲望，提升學(xué)生發(fā)現(xiàn)、分析和解決問題的能力。在這樣的學(xué)習(xí)中，學(xué)生將獲得豐富的學(xué)習(xí)體驗，形成深刻的學(xué)習(xí)感悟，進而實現(xiàn)綜合能力的發(fā)展。

參考文獻：

［1］郭永春.新工科課程體系中的工程設(shè)計思維［J］.高等工程教育研究， 2021， 69（1）：39-43，55.

［2］中華人民共和國教育部.義務(wù)教育科學(xué)課程標準（2022年版）［M］.北京：北京師范大學(xué)出版社，2022：90.

［3］孟今紅，石新妹.科學(xué)探究在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的運用［J］.北京教育學(xué)院學(xué)報（自然科學(xué)版），2015，10（4）：60-64.

［4］葉寶生.小學(xué)科學(xué)教學(xué)觀察實驗設(shè)計的依據(jù)和方法［J］.課程·教材·教法，2013，33（12）：68-72.

（杭州師范大學(xué)東城小學(xué)）