工程教育實踐中勿忘科學與數學

吳秋琳

在當前知識不斷爆炸的信息革命時代，“知識主導型”的目標被以個人發展和終身學習為主體的核心素養取代，學科間更是呈現融合之勢。美國國家研究理事會于2011年正式發布的《K-12科學教育的框架：實踐，跨學科概念與核心概念》反映出科學內在關聯的本質。以數學為基礎，探索科學的規律，到技術與藝術結合應用到工程實踐，整個過程，呈現螺旋式上升。而我國2017版新科學課程標準也首次融入工程學教育內容。

一、工程教育中的技術實踐與思維發展

雖然在工程實踐中，要求利用技術手段激發和簡化學生的創新過程，并通過技術表現多樣化成果，但現在卻變成了機器人、3D打印機、機床加工、程序開發等比賽而進行的工程實踐，使學生偏重了技術而忽略了其背后的科學原理及數學基礎。

在教師轉變觀念給學生更多自主探究的空間與時間的同時，我們要清楚地意識到學生探究不等于教師當上了“甩手掌柜”，要讓學生明白為什么要探究、怎樣探究，幫助學生在自己的大腦中建構出探索世界的認知，真正學習到科學家探究世界的方法。從而不斷明晰孩子們自己大腦中認知領域的邊界，擴大認知領域；學習到像工程師一樣按照特定的目標進行設計，然后遵循一定的規律或標準進行實踐，在實踐的基礎上不斷反思修正，直至最后制造出產品的思維方式。

二、單元任務驅動方式整合工程實踐

如六年級上冊教科版“形狀與結構”單元，其核心概念是“物體具有可見的形狀和結構，不同的形狀和結構，承受力的效果不同，在人們的生產生活中發揮著不同的作用”。所以可把該單元基于任務驅動方式整合成：第1課，運用圖表和數據進行分析得出結論。第2至3課，搜集橋梁的信息，觀察比較，制作簡單的科學模型進行實驗，經歷和認識“發現問題——實驗研究——發現問題，繼續研究——得出結論”這樣的探究過程。第4至8課，建造我們的橋，經歷更為自主開放的探究、設計、交流表達過程，著力培養合作學習，自主探究的能力。

對抵抗彎曲的能力進行研究是設計的基礎，而在后面的課中，學生利用可以各種簡單的材料進行設計與制作一座有環境限定橋，通過開放式探究活動讓學生大膽設計、動手嘗試，不斷理解影響的承重能力與橋結構有關。學生在制作活動遇到了方法困難時也從中體會到工程與技術的重要性，并體會到美術在設計中的重要性。

三、在工程教育中融合科學與數學

科學是對已有的客觀世界的觀察和解釋，數學是研究空間形式和數量關系的科學，在某種角度來說是一種形式科學。數學是科學的基礎，為科學解釋世界觀提供充分的支持和指導；科學的現象不斷為數學提出新的研究課題。在真實世界中科學和數學是具有自然且深具邏輯性聯系的，通過讓學生能自然地在解決問題情境中靈活運用自身的數學知識幫助解題，兩者互相促進和滲透共同為認識客觀世界提供有力的支持。

科學實踐中對觀察、測量、調查、統計等經常需要進行定量研究，數據則是定量研究的主要證據。只有學生能對數據進行全面、深入地分析，才能讓學生自己得出正確的結論。而同樣的，數學課標里對小學階段統計的要求是發展學生的統計觀念。而統計觀念是指：認識統計的作用，能從統計的角度去思考與數據相關的問題；能通過收集、描述、分析數據的過程，做出決策；能對數據的來源、收集和描述的方法、分析的結論進行合理的質疑。

如上文中的“形狀與結構”單元，學生要通過自主設計實驗，對紙的抵抗彎曲的能力進行研究，這節課實驗后數據的分析是一個重點。寬度越寬抵抗彎曲的能力越強，厚度越厚抵抗彎曲的能力越強，學生是比較清楚的，但由于受年齡影響，通常認知關注細節而非整體現象，只注意到個別的數字而沒有把兩組數據進行對比思考。所以“當寬度成倍增加，厚度呈幾何級增加”該結論的得出成為該課的難點。所以我咨詢了我校的數學老師，發現學生在四年級已經開始學習折線圖，五年級已經掌握復式折線圖并會根據圖形分析。當課堂上教師幫助學生把實驗中的數據進行整理，把兩組數據整理成復式統計圖，引導學對折線的形態以及兩條折線的位置關系，對兩組數據進行比較、分析，最后的結論就水到渠成了。

責任編輯 韋英哲endprint