基于項目化迭代設計的小學科學工程思維培養(yǎng)策略探究

朱依晴

（浙江省杭州錢塘新區(qū)義蓬第一小學 浙江杭州 311225）

工程思維是人們在社會實踐活動中所具備的基本思維意識，有著科學性、邏輯性和創(chuàng)造性等特征。[1]在新課改背景下，培養(yǎng)小學生工程思維是小學科學教學中的重要目標。但是，受到傳統(tǒng)教學模式的影響，小學科學教學中教師一直都忽視了對學生工程思維的培養(yǎng)，既不利于學生探究問題、解決問題能力的提升，又不利于推動小學科學課程的發(fā)展。“迭代思維”是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展下的產(chǎn)物，它的出現(xiàn)也為教育注入了新的活力。基于此，下面將對基于項目化迭代設計的小學科學工程思維培養(yǎng)進行分析與探究。

一、相關(guān)概念闡述

（一）迭代設計

迭代是指基于循環(huán)反饋過程的活動，其主要目的是通過不斷地嘗試與完善來逐步逼近想要達到的目標與結(jié)果。[2]迭代設計則是指先建立一個近似模型，然后收集新的參數(shù)，繼續(xù)實現(xiàn)一個更近似的模型的過程。在數(shù)學領(lǐng)域中，迭代就是一個函數(shù)模型，在程序設計中，迭代就是一種算法，在軟件開發(fā)中，它就是常見的模型。目前，迭代設計已經(jīng)開始融到了學科教學中，并給予了其更加豐富的含義。

（二）項目化

現(xiàn)代教學中如何采用有效的教學途徑來提升學習質(zhì)量一直都是教育界所關(guān)注的問題。項目是教學法是現(xiàn)代教學中的重要手段，特別是在互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的背景下，項目教學法更是發(fā)揮這高效的作用。在小學科學課程教學中可以發(fā)現(xiàn)，科學技術(shù)的發(fā)展速度較快，基本上無法保證課本的內(nèi)容完全能夠跟上時代，解決這一問題的方法就是采用項目教學，讓學生通過“做中學”來完成教學目標，達到科學、技術(shù)、工程、數(shù)學多方面發(fā)展的STEAM教學要求。項目化教學法在近些年來也逐漸成為我國國內(nèi)教育者研究的熱門對象。

（三）工程思維

人們的思維活動通常都對應著實踐活動，與工程實踐活動相對應的就是工程思維。工程思維的設計性與實踐性決定了其在現(xiàn)實世界中的應用，推動了人們的創(chuàng)造活動。工程思維具有科學性、邏輯性與藝術(shù)性統(tǒng)一以及容錯性的特征。在本課題研究過程中，將工程思維看作是解決問題過程中的一種思維方式，這個需要解決的問題就被稱作為“工程”。學生分工不同，他們在工程中所扮演的角色就不同，包括了工程決策者、工程設計師以及工程實施者等等。

二、基于項目化迭代設計的小學科學工程思維培養(yǎng)模型設計

（一）整合性

STEAM教學理念強調(diào)了學科之間的整合，在項目化迭代設計的小學科學課程教學中，教師同樣也要為科學課程以及其他學科課程搭建出一個橋梁，根據(jù)項目開展要求來創(chuàng)設出具體的知識情境，實現(xiàn)科學探究與工程設計并行的要求。同時，工程思維具有科學性、邏輯性與藝術(shù)性的特征，在解決工程問題的過程中本身就會涉及到不同類型的學科問題，包括科學、技術(shù)工程和數(shù)學等等。[3]因此，基于項目戶迭代設計的小學科學活動設計過程中，教師必須要關(guān)注項目中各學科的整合性，融合科學、技術(shù)、工程和數(shù)學相關(guān)領(lǐng)域的知識。也只有如此，才能夠讓項目實施過程中為學生提供最真實的情感體驗，感受知識融合的意義，從而真正形成高階思維技能——工程思維。

（二）連續(xù)性

在STEAM教學理論指導下的課堂教學是一個不斷成熟與完善的過程，它改變了傳統(tǒng)教學中以教師為中心的教學模式，強調(diào)了學生在學習過程中的主體作用，用循序漸進的方法來培養(yǎng)學生的高階思維，即解決問題的能力。在項目化迭代思維的小學科學教學中，培養(yǎng)學生工程思維更不是一個簡單的事情，是一個完整的工程活動必然會經(jīng)過反復的迭代。所以，在項目化教學活動中，教師必須要在STEAM理念的指導下，關(guān)注模型的適用性，合理考慮各種教學因素，確保小學階段工程思維培養(yǎng)的連續(xù)性。

三、活動的基本環(huán)節(jié)設計

培養(yǎng)學生的工程思維并非是要進行工程教育，同時針對的對象是小學生，他們的認知能力和認知水平有著局限性，所以項目的內(nèi)容不能過于復雜，某些工程領(lǐng)域的活動不能完全按照標準來進行。一般來說，基于項目化迭代設計的小學科學工程思維培養(yǎng)過程主要可以分為四個環(huán)節(jié)，包括工程決策、工程設計、工程實施以及工程成果展示。

（一）工程決策階段

工程決策階段包括兩項主要活動，首先是要進行工程活動的整體設計和安排，其次是要制定和選擇實施方案。在小學科學的項目教學中，就是指通過對活動開展的環(huán)境、安排以及可行性分析來制定出合適的方案，具體來說可以分為三步：首先，根據(jù)科學課程的教學內(nèi)容來明確項目開展的目標，之后收集相應的資料，制定出多個項目開展的備選方案，最后對備選方案進行篩選。當然，這三個步驟并非有著嚴格的先后順序，它們之間可能會出現(xiàn)多次反復，直到得到最佳的方案。影響工程決策的因素十分廣泛，包括實踐、外界環(huán)境和決策者等等，這就要求決策人員必須要做到具體問題具體分析，避免死板的思考方式。

工程決策階段雖然只是項目的設計階段，但是將會對整個工程活動起到關(guān)鍵的影響。在迭代設計中，更是要對每一個決策和設計要進行反復地、周密地思考，權(quán)衡所有的條件因素，確保設計的可行性，保證工程活動的順利開展。

（二）工程設計與再設計階段

工程設計是對工程決策階段所制定出的方案進行細化的環(huán)節(jié)，體現(xiàn)了工程決策階段的工程理念，包括對工程任務、效果、環(huán)境和實施步驟的全面規(guī)劃。[4]工程設計在整個工程開展過程中起到了承上啟下的作用，是集智慧與技術(shù)為一體的體現(xiàn)。在小學科學教學中，做好工程設計是實現(xiàn)STEAM教學要求的關(guān)鍵路徑。在項目化迭代設計中，工程設計階段實際上就是解決問題的思考過程，其關(guān)鍵就是要根據(jù)問題擬定解決的方案，設計具體步驟，再進行不斷調(diào)整與分析。具體到小學科學教學中，學生首先要根據(jù)工程決策中所制定的方案來進行工程各個細節(jié)的設計，做好每個環(huán)節(jié)的開展策略，明確步驟操作。之后再通過小組共同探究的方式來分析設計中的不足之處，并對其進行修改和完善，完成再設計要求。

（三）工程實施與完善階段

工程實施階段就是將工程方案以及工程設計中抽象理念轉(zhuǎn)變?yōu)閷嵺`的過程，在基于項目化迭代設計的小學科學教學中，工程實施階段應該包括工程實施、工程展示與評估和工程更新與改造三個環(huán)節(jié)。工程實施階段是對工程決策以及工程設計兩個階段的理論研究成果進行實踐檢驗的過程，其主要目的是對之前的設計進行分析，解決其中存在的沖突。工程展示與評估是在完成基本的模型之后，對成果進行展示，分析工程決策的正確以及合理性，檢驗工程實施是否可靠。工程的更新與改造是根據(jù)工程展示與評估階段的一種對決策進行修改和優(yōu)化的過程，以此不斷調(diào)整工程建造過程，滿足迭代要求。

在小學科學的項目教學中，此階段才真正進入到了培養(yǎng)學生工程思維的實踐階段，它能夠讓學生在不斷地嘗試與調(diào)整過程中讓自己的思維從模糊到清晰，從宏觀到具體，形成工程思維。

（四）工程成果展示階段

工程成果就是工程思維在工程中的具體落實與表現(xiàn)，工程成果的展示階段就是為工程的參與者提供了分享工程成果的機會，也是對整個工程實施過程的硅谷與思考。在工程成果展示階段，工程的參與者和實施者已經(jīng)經(jīng)歷了整個工程開展過程，實現(xiàn)了知識的積累要求，對這一過程的回顧可以起到對知識的梳理與強調(diào)作用。

四、基于項目化迭代設計的小學科學工程思維培養(yǎng)案例

下面將以四年級科學課中的“設計制作車”這一活動問題，具體分析基于項目化迭代設計的小學科學教學中培養(yǎng)學生工程思維的方法。

對于四年級的學生來說，他們已經(jīng)具備了一定的認知能力、動手能力、交流能了和創(chuàng)新能力，他們能夠完成一定的教學操作要求，設計制作小賽車是五年級科學中的一節(jié)課，其主要目的是要讓學生了解工程科學的原理，運用科學探究方法來解決簡單的日常生活問題，其難度不大，但可以幫助學生熟悉、了解工程設計的過程，為之后的工程活動開展奠定良好的基礎。具體實施情況如下：

（一）工程決策階段

首先，教師要以引導學生對日常生活中常見的小車進行分析，了解小車的主要構(gòu)造，分析在本次工程活動中學生需要制作的小車的組件——車輪、車身、發(fā)動機，明確在制作過程中必須要注意的問題：搭建車身結(jié)構(gòu)、保證車輛的平穩(wěn)前進、增加小車的行駛路程。之后，各小組領(lǐng)取工程記錄單，通過填寫記錄單中的內(nèi)容來完成工程的決策。本節(jié)課中筆者所設計的工程記錄單內(nèi)容如下：

在該階段中，如果教師發(fā)現(xiàn)有小組出現(xiàn)了不知道如何下手的情況，就必須要及時了解他們出現(xiàn)的問題和原因，從學生角度出發(fā)，循序漸進地進行引導，幫助各小組都能夠按時完成工程記錄單的填寫。

（二）工程設計與再設計階段

在工程設計階段，教師要先帶領(lǐng)學生對小車設計和程序設計進行分析，讓各小組的學生先對小車進行簡單的設計，然后再通過查閱資料、尋求教師幫助以及頭腦風暴等形式來對設計進行迭代。需要注意的是，由于四年級的學生思維方面并不是十分成熟，他們的想法可能會天馬行空，所以教師必須要做好引導，確保工作的效率。之后，各小組成員根據(jù)自己的設想完成結(jié)構(gòu)設計圖，明確在小賽車制作過程中所需要使用的材料，為之后的工程實施打下基礎。

（三）工程實施與完善階段

在工程實施階段開始之后，準備充足的學生便可以在工程決策者的帶領(lǐng)下開展工程項目，進行小車的搭建。筆者在教學中發(fā)現(xiàn)，部分小組小車搭建的速度很快，在短短的十九分鐘之后就開始進行了賽車的測試，但是卻發(fā)現(xiàn)了“小車原地轉(zhuǎn)圈”的問題。在筆者與學生通過共同的觀察和分析之后，造成這種情況的原因是兩個輪子不平衡，左輪承受的重力要明顯大于右輪，所有出現(xiàn)了原地轉(zhuǎn)圈的情況。還有些小組出現(xiàn)了賽車動力不足、輪子打滑、零件散落等問題，這些小組的程序設計者也很快進行了調(diào)整，改進了程序的設計，解決了這些問題。

之后，各小組對自己的項目成果進行了展示與交流，并根據(jù)其他小組的建議開展工程再設計。在這個環(huán)節(jié)中，各小組之間的工作效率有了明顯的提升，他們的工作開展更加具有針對性，能夠在現(xiàn)有的基礎上進行了結(jié)構(gòu)和程序的優(yōu)化，提升工程質(zhì)量。

（四）成果展示與總結(jié)階段

在各小組完成再設計之后，教師要組織學生進行最后的成果展示，由小組代表闡述工程設計與實施過程中的想法，并聽取教師與其他學生所提出的改進方案。在分享完畢之后，教師要帶領(lǐng)學生回顧整個制作過程，幫助學生完成自我評價和作品評價，吸取整個活動中的經(jīng)驗。

五、結(jié)束語

基于項目化迭代設計的小學科學工程教學目前還是一個并不完善的教學模式，在該模式中培養(yǎng)學生工程思維的策略更需要教師進行思考與分析。在工程項目的開展過程中，教師的探索和研究、學生的自主創(chuàng)新都是需要關(guān)注的問題。只有不斷提升學生的專業(yè)素養(yǎng)，讓學生成為工程項目開展過程中的中心，保證他們的思維可以不斷完善與發(fā)展，才能夠為社會培養(yǎng)出更多具有工程思維的創(chuàng)造人才。