科學(xué)教學(xué)中“逆向工程”教學(xué)模式的建構(gòu)

摘要 以工程師反向產(chǎn)品分析方法建構(gòu)適合學(xué)生的“玩→猜→拆→研→創(chuàng)”逆向工程教學(xué)模式，可以潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，并在適合學(xué)生年齡特點的逆向工程實踐中鼓勵學(xué)生積極參與工具和材料的使用、靈活掌握工程方法，持續(xù)保持工程品質(zhì)，提升學(xué)生工程素養(yǎng)。

關(guān)? 鍵? 詞 科學(xué)教學(xué) 逆向工程 工程素養(yǎng) 教學(xué)模式

引用格式 芮春花.科學(xué)教學(xué)中“逆向工程”教學(xué)模式的建構(gòu)[J].教學(xué)與管理，2022（20）：62-64.

《義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》（以下簡稱新課標(biāo)）強(qiáng)調(diào)，科學(xué)課程旨在培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，包括科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實踐、態(tài)度責(zé)任四個方面。其中，探究實踐主要指在了解和探索自然、獲得科學(xué)知識、解決科學(xué)問題，以及在技術(shù)與工程實踐過程中，形成的科學(xué)探究能力、技術(shù)與工程實踐能力和自主學(xué)習(xí)能力[1]。技術(shù)與工程實踐能力中特別強(qiáng)調(diào)了解技術(shù)與工程實踐的一般過程與方法。技術(shù)與工程部分的學(xué)習(xí)要基于學(xué)生已有知識經(jīng)驗和認(rèn)知水平，綜合利用學(xué)科核心概念和跨學(xué)科概念，通過跨學(xué)科綜合實踐，解決真實情境中的技術(shù)與工程問題，而且要關(guān)注技術(shù)與工程問題的規(guī)范性，讓學(xué)生養(yǎng)成通過“動手做”解決問題的習(xí)慣，培養(yǎng)學(xué)生的探究實踐能力。[2]常見技術(shù)與工程類型的課上教師常常強(qiáng)調(diào)針對實際需求明確問題，設(shè)計并制作一個產(chǎn)品。然而，在提出這個需求之前，教師常常忘記考慮學(xué)生是否具有工程實踐相關(guān)前經(jīng)驗，是否靈活掌握工程實踐過程與方法？是否熟悉工具和材料的使用，是否具備相應(yīng)工程實踐品質(zhì)？那么，如何在工程項目開始之前有效提升學(xué)生工程實踐能力，規(guī)范其工程與實踐方法，培養(yǎng)其工程實踐素養(yǎng)？筆者認(rèn)為學(xué)生分析一個較為復(fù)雜的真實產(chǎn)品的過程恰好彌補(bǔ)了這一空白，即逆向工程。

如果把傳統(tǒng)的按照“明確問題—前期研究—設(shè)計方案—制作模型—測試評估—展示交流”的產(chǎn)品形成過程稱為正向工程，那么“獲得產(chǎn)品—分析拆解—學(xué)習(xí)原理—改進(jìn)設(shè)計”的流程就可以稱為反向分析產(chǎn)品的過程，即逆向工程。

那么，如何將工程師的反向產(chǎn)品分析過程轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合提高學(xué)生工程素養(yǎng)的逆向工程學(xué)習(xí)流程，筆者結(jié)合課堂教學(xué)實踐，嘗試建構(gòu)適合學(xué)生的“玩→猜→拆→研→創(chuàng)”逆向工程教學(xué)模式（如圖1）。以下將以筆者設(shè)計的“八音盒”一課為例具體說明。

一、玩——在觀察與歸納中實現(xiàn)情境帶入

八音盒悠揚(yáng)的樂聲經(jīng)常勾起人們對美好往事的回憶，使人們墜入對時光歲月的追憶中。八音盒是一種深受學(xué)生喜愛的機(jī)械發(fā)音樂器，其工作原理蘊(yùn)含了學(xué)生熟知的關(guān)于聲音、傳動等方面的相關(guān)科學(xué)概念。

課的開始，教師搖動手搖八音盒，通過聽悠揚(yáng)且熟悉的八音盒樂曲，激發(fā)其探究興趣。此時，引出探究問題：與其他樂器相比，八音盒發(fā)出的聲音以及其發(fā)音的方式與其他樂器相比，有什么特點？課件中出現(xiàn)一些常見樂器的圖片，幫助學(xué)生回憶常見樂器的特點，學(xué)生自然而然將思維聚焦到八音盒獨特的特征與構(gòu)造上。帶著這一問題，學(xué)生兩人一組玩一個不透明的八音盒，在玩的過程中仔細(xì)觀察八音盒，獲得其外部信息，為猜測內(nèi)部構(gòu)造做好準(zhǔn)備。

處于小學(xué)階段的學(xué)生不喜歡枯燥無味的說教式被動學(xué)習(xí)，更喜歡通過生活化、學(xué)生化的方式展開主動學(xué)習(xí)。只有將學(xué)生帶入到真實的情境中，他們才會切身體會到學(xué)習(xí)的意義，每個學(xué)生都是一個個體，對問題都有自己個性化的解決方式，對工程產(chǎn)品也有自己的分析之道。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)觀認(rèn)為學(xué)習(xí)不僅是大腦在活動，也是大腦與身體、環(huán)境的聯(lián)合。所以在工程設(shè)計活動中教師要通過真實的任務(wù)或者產(chǎn)品刺激學(xué)生的感官，產(chǎn)生情感的共鳴，讓真實的工程任務(wù)或產(chǎn)品增加學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性，激發(fā)其探究的熱情。

在玩八音盒的過程中，學(xué)生已經(jīng)被帶入工程師的真實工作情境中，且這一真實情境對學(xué)生而言是富有意義的，因為這是他們切身想去了解的一件不熟悉且較為復(fù)雜的產(chǎn)品，他們需要綜合調(diào)動各種感官，仔細(xì)捕捉產(chǎn)品的外部特征，具身其中。這樣真實的情境能迅速激起學(xué)生的求知欲，促進(jìn)其深度思考。在真實的情境中明確一個對學(xué)生有意義的工程任務(wù)，且讓其浸潤其中，是提升學(xué)生工程素養(yǎng)的基礎(chǔ)。

二、猜——在思考與推測中發(fā)展工程思維

在觀察之后，師生、生生之間交流八音盒發(fā)音和發(fā)音方式上的特點。在交流的時候有些學(xué)生更關(guān)注發(fā)音的特點，如一個循環(huán)播放的、聲音清脆的樂曲片段;有些學(xué)生更關(guān)注發(fā)音方式上的特點，如金屬與金屬間的敲擊、多個簧片被彈撥等。教師在學(xué)生交流時充當(dāng)記錄員，有意識地將他們對這兩個問題的思考按外部信息和對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的推測兩個方面分類板書。

在“猜”這一環(huán)節(jié)，教師有意識地將學(xué)生的回答通過板書分類處理（從上而下板書學(xué)生觀察到的外部信息，從下往上板書學(xué)生猜測的內(nèi)部情況），讓學(xué)生明白他們的想法一部分來自于外部信息的捕捉，另一部分其實來自于根據(jù)外部信息對內(nèi)部結(jié)構(gòu)的推測。但是學(xué)生自己并沒有意識到他們已經(jīng)從觀察自發(fā)地走向了猜測，而板書是一種可視化的教學(xué)語言，教師可以通過板書的處理將學(xué)生的思維顯性化，讓學(xué)生的隱性思維變得顯性且有邏輯。

通過顯性化的思維過程，讓學(xué)生明白工程師在分析一件產(chǎn)品的時候也是從“外”到“內(nèi)”，由“靜”的狀態(tài)轉(zhuǎn)向“動”的機(jī)制。工程思維的形成是一個漫長的、需要逐步培養(yǎng)的過程。如果教師能適當(dāng)?shù)卦诠こ淘矸矫婊蛘咴趯W(xué)生表露出對問題的想法時給予他們一些指導(dǎo)和整理，那么將對他們的工程思維產(chǎn)生極大的促進(jìn)作用。

三、拆——在拆解與分析中鍛煉工程能力

學(xué)生交流自己的猜想與推測后，教師指著板書拋出問題：這些都是你們的想法，里面是不是這樣呢？怎么才能知道？學(xué)生回答——拆開看看。“拆”是逆向工程中重要的一步，與其灌輸式告訴學(xué)生如何去拆，不如一句“工程師也常常用拆的方法分析產(chǎn)品，那你為什么要拆？”讓學(xué)生明確自己拆的目的是為了將先前的推測與拆開之后的情況進(jìn)行對比，置身其中，沉浸于此項工程之中。

工程活動中的拆不是破壞，因為學(xué)生要拆自己手中的八音盒，所以他會思考如何拆，即有序細(xì)致、分門別類。有序細(xì)致是工程師的品質(zhì)，分門別類是逆向工程中分析零件結(jié)構(gòu)的重要方法。隨后，學(xué)生動手拆解八音盒，拆解的過程中學(xué)生由外及內(nèi)關(guān)注各零件間的結(jié)構(gòu)，并參與小組間的交流。

工程素養(yǎng)包括以工程與技術(shù)為本體的工程知識，更包括畫圖、工具使用等通識性技能的工程能力。工具是物化的技術(shù)，而只有在真實且具體的任務(wù)中，技術(shù)才能顯示出其特有的意義，八音盒的拆解與分析就是具體的任務(wù)。使用工具是學(xué)生對已有技術(shù)體驗與感知最為直接和有效的途徑[3]。教師應(yīng)根據(jù)不同年齡段學(xué)生實踐能力的特點，為其設(shè)計合適的有關(guān)工具使用的工程任務(wù)，讓學(xué)生在真實的工程任務(wù)中逐步掌握一定的技術(shù)知識，并鍛煉其使用工具的能力。教師只有給予學(xué)生充分的實踐機(jī)會，他們才能對習(xí)得的技術(shù)反復(fù)練習(xí)、靈活運用，從而提升工程能力。

四、研——在解析與探究中鐫刻工程方法

學(xué)生對八音盒內(nèi)部零件有了清晰的認(rèn)識，發(fā)現(xiàn)這樣小巧的空間內(nèi)部包括傳動部分和發(fā)聲部分后，他們急于表達(dá)，怎樣的表達(dá)更有利于學(xué)生從工程知識走向工程思維、工程方法，實現(xiàn)其工程素養(yǎng)的提升？這是需要教師思考的，于是本課設(shè)計了以下的工程活動。

布置任務(wù)：各部件之間是怎樣聯(lián)系起來一起工作的。用圖文結(jié)合的方式記錄、整理、表述自己的分析。一方面，用任務(wù)引領(lǐng)學(xué)生從關(guān)注“靜態(tài)”零件及組合走向?qū)Ω鞑考g“動態(tài)”運轉(zhuǎn)機(jī)制的分析，從而引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會綜合運用所學(xué)知識初步分析一個較為復(fù)雜的產(chǎn)品;另一方面，畫產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖是工程素養(yǎng)中不可缺少的一環(huán)，學(xué)生在畫圖的過程中或用不同角度的視圖（正視圖、俯視圖、右視圖等），或用分解圖，或用組裝圖表達(dá)各零件組合起來的樣子以及各部件之間是如何配合的。經(jīng)過畫圖這一靜態(tài)過程的沉淀，在接下來的借助圖紙的動態(tài)交流過程中，學(xué)生的思路更加清晰，表達(dá)的邏輯更加嚴(yán)密。在全班的交流解析中，學(xué)生對八音盒的工作原理有了整體的認(rèn)知。這其實是工程活動中的系統(tǒng)分析，即一種整體性思維方式，把認(rèn)識對象當(dāng)做系統(tǒng)來看待，在系統(tǒng)與要素、要素與要素、系統(tǒng)和環(huán)境的相互聯(lián)系、相互作用中分析問題、解決問題。

至此，學(xué)生的研究還不夠，教師在學(xué)生研究基礎(chǔ)上拋出兩個研究問題：八音盒發(fā)出的旋律能不能倒著播放？小小八音盒能發(fā)出不同的音調(diào)，形成一段旋律，是怎么實現(xiàn)的？在開放問題的引領(lǐng)下深入研究，學(xué)生關(guān)注到工程師在運用概念的同時還必須有精妙的設(shè)計，在問題的驅(qū)動下學(xué)生進(jìn)行細(xì)致的觀察與分析，找到復(fù)雜產(chǎn)品的核心設(shè)計。

如果用圖文結(jié)合的方式表達(dá)八音盒零件間的有效配合是解析內(nèi)部結(jié)構(gòu)的“淺研”，那么，對上述兩個問題的深入研究，就是探明核心技術(shù)的“深研”。由“淺”入“深”，既有利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)八音盒的核心技術(shù)，更是對逆向工程中重要分析方法的學(xué)習(xí)，即由整體到核心。

五、創(chuàng)——在設(shè)計與創(chuàng)新中拓寬學(xué)習(xí)維度

在學(xué)生拆解和研究之后，教師提出挑戰(zhàn)任務(wù)：設(shè)計并制作一個可以播放指定樂曲的八音盒。跟常見的STEM教學(xué)中工程設(shè)計階段的開放式任務(wù)不同，這是一個半開放式的挑戰(zhàn)任務(wù)。逆向工程的本質(zhì)是模仿創(chuàng)新，模仿創(chuàng)新有兩條路徑：一是掌握核心技術(shù)并應(yīng)用于他物;二是受到原產(chǎn)品的啟發(fā)，形成根本性創(chuàng)新設(shè)計。在完全創(chuàng)新之前這樣的仿創(chuàng)是必要的，既能夠讓學(xué)生保持持續(xù)研究的興趣，又能給學(xué)生提供創(chuàng)造的空間。學(xué)生完全掌握八音盒的核心技術(shù)后，創(chuàng)新對他們來說將不再是難事。

本課教學(xué)不僅是讓學(xué)生仿創(chuàng)八音盒，更重要的是借助八音盒的分析教會學(xué)生一種分析較為復(fù)雜產(chǎn)品的方法，希望學(xué)生可以運用這種方法分析生活中更多的物品，運用逆向工程思維找到工程產(chǎn)品的核心技術(shù)，完成產(chǎn)品的根本性創(chuàng)新，從而拓寬學(xué)習(xí)的寬度與廣度。

適合學(xué)生的逆向工程教學(xué)的根本目的是提升學(xué)生工程素養(yǎng)。如果說對八音盒的系統(tǒng)分析是明線，那“玩→猜→拆→研→創(chuàng)”這樣符合學(xué)生心理的逆向工程教學(xué)就是本課的暗線。雙線并進(jìn)既在對八音盒的系統(tǒng)分析中潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生的工程思維，又在適合學(xué)生年齡特點的逆向工程實踐中鼓勵學(xué)生積極參與工具和材料的使用，靈活掌握工程方法，提升學(xué)生的工程素養(yǎng)。

我們常常覺得一節(jié)課或者幾節(jié)課下來學(xué)生需要做出某個物品或者理解某個科學(xué)概念，但在這個過程中學(xué)生思維方面的獲得更重要。但是任何一個項目的實施都是需要時間的，對教師、對學(xué)生都是一個挑戰(zhàn)。“玩→猜→拆→研→創(chuàng)”這一逆向工程教學(xué)模式突破短周期工程設(shè)計的難點，為更多工程實踐課程的實施提供了可參考的模式，也為學(xué)生認(rèn)識復(fù)雜產(chǎn)品提供了一個較為成熟的方法。郝京華教授指出，我們對工程實踐課堂的研究與世界平齊，只要我們勇于對傳統(tǒng)課堂發(fā)起挑戰(zhàn)，那么工程實踐教育將不斷產(chǎn)生新的飛躍。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 胡衛(wèi)平.在探究實踐中培育科學(xué)素養(yǎng)——義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）解讀[J].基礎(chǔ)教育課程，2022（10）：39-45.

[3] 邵鋒星. 小學(xué)階段如何培養(yǎng)學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)與工程思維[J]. 人民教育，2021（Z3）：99-102.

*該文為南京市“十四五”重點規(guī)劃課題“小學(xué)教師研究型文化建設(shè)的實踐研究”（LZD/2021/03）、“主動聯(lián)結(jié)：兒童科學(xué)學(xué)習(xí)新范式的區(qū)域研究”（LZD/2021/68）的研究成果