交給學生一把工程思維的金鑰匙

史振華

〔摘? ? 要〕? 2022年版《義務教育科學課程標準》把“技術與工程”作為核心概念之一，旨在引導學生在具體的工程問題中，利用技術優勢解決實際問題，提升創新精神和實踐能力。小學科學教育愈加重視培養學生基于問題解決和工程設計等的科學素養，搭建“設計—制作”中工程思維的支架，需要從操作同理實驗、拆卸玩具結構、繪制圖示模型、分析實驗數據、設計思維導圖幾方面入手，最終促進學生科學思維能力的提升。

〔關鍵詞〕? 小學科學；工程思維；能力

〔中圖分類號〕? G424? ? ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕? A? ? ? ? 〔文章編號〕? 1674-6317? （2023）? 13-0004-03

生活是探究的起點。學生從出生到長大，在自己的生活中接觸了很多玩具和實物，在潛意識“玩”的過程中，利用感興趣的材料，開動自己的腦筋，在拼裝、搭建和觀察的過程中完成簡單的任務。因此，學生是天生的探究者和工程師，具有與生俱來的好奇心和解決問題的意識。作為科學教師，要利用學生善于實踐的特點，幫助他們在工程制作中解決實際問題，更好地認識周圍的世界。

2022年版《義務教育科學課程標準》重新定位了1～6年級科學課程的性質，主要體現在科學課程的基礎性、實踐性和綜合性上。課程內容新增了技術與工程領域，說明小學科學教育愈加重視培養學生基于問題解決和工程設計等的科學素養。我們將科學發現和技術發明以及工業發展結合在一起，就能激發學生的工程思維，發揮工程思維在科學教學中的重要作用。

工程思維，是在具體的工程任務情境中，產生問題需求，明確問題，進而圍繞這個問題進行方案設計、實施計劃、檢驗產品、改進完善，最后構建模型或開發出產品的一種思維方式。在小學科學教學中培養學生的工程思維，有利于學生利用已有的經驗和小組合作智慧進行意義建構，從多方面、多維度培養學生解決實際問題的策略，從而提升其創新精神和實踐能力，水到渠成地落實科學學科的核心素養培養要求。

一、操作同理實驗，獲得設計啟發

實驗原理是在大量觀察、實踐的基礎上，經過歸納、概括而得出的。在小學科學教學中，探究性實驗的原理是設計工程項目的基礎和原點。為此，作為科學教師，要在設計工程技術任務的同時，圍繞工程設計目標，根據核心概念所暗含的實驗原理進行剖析，設計符合學生認知發展規律的工程探究任務群。在改造、設計過程中明確工程中所蘊含的原理，進一步了解生活中的科學，培養學生解決問題的意識。在小學科學的技術與工程領域的學習中，工程的關鍵是設計，而設計離不開科學原理的支撐。2021年江蘇省評優課中《安全線的秘密》這一節課，充分詮釋了科學原理對工程技術的支撐作用。

（一）操作實驗，獲得原理

探究開始后，教師設計了一個實驗：從水平方向吹1片紙條；從2片紙條之間由上往下吹氣。學生通過實驗發現，兩片紙條并沒有如猜測的一般向兩邊分開，而是向中間合攏。實驗現象激起學生的探究欲望，但并沒有理解實驗現象中的原理。教師又演示了吹風機水平吹機翼模型的實驗，并讓兩位學生用風速計測量機翼上下的風速。實驗測得機翼上下的風速不同，上面流速快，下面流速慢，而機翼在不斷上升。此時教師出示伯努利原理：等高流動時，流速大，壓力就小。學生在實驗中觀察了伯努利現象，理解了伯努利原理。

（二）得到啟發，設計“產品”

學生根據伯努利原理得出啟發：火車快速行駛，火車邊上的空氣快速流動，形成壓力差，站臺上的乘客如果站得近就容易被“吸”進軌道。在這個原理指導下，學生用吹風機模擬氣流，不斷調試改進“乘客”的安全距離，最終找到模擬站臺的安全線位置。

二、拆卸玩具，搭建設計框架

玩具是學生生活的伙伴，在玩的同時能夠產生許多有意義的問題，正是這些問題的出現，驅動著學生不斷探索玩具中的奧秘，促進動手能力的提升。因此，玩具也是一種有意義的探究材料，要充分利用這些材料，引導學生發現問題、設計方案解決問題，開展深入探究。

（一）拆卸玩具，觀察結構

當學生在玩玩具過程中發現一系列有待解決的問題后，他們會潛意識地把玩具拆開，來了解玩具的構造，看看到底是怎么回事。同時在拆裝玩具的過程中，學生巧妙利用螺絲刀、起子等簡單機械，初步體驗了完成一個小項目的快樂。因此，拆解玩具的行為本身就是學生主動建構知識體系的過程。省評優課中《八音盒》這節課的教師就是讓學生通過拆卸、探究玩具，獲得技術技能。學生玩八音盒，觀察八音盒發聲特點，猜測內部結構，然后拆卸八音盒，觀察內部結構，認識八音盒各部件名稱。這樣就幫助學生利用產品原型建構新的經驗，有利于以后產品設計的改進工作，豐富學生探究的信息，學習向深度發展。

（二）研究原理，設計框架

在拆卸玩具的環節中，教師指導學生零部件擺放要“有序細致、分門別類”，以培養其嚴謹細致的科學態度。然后根據各零部件的形狀結構研究它們的功能，利用小組頭腦風暴法討論發現八音盒發出不同音調的原理。而原理是改造模型的“標準”，學生要按照這個“標準”進行分析，規劃自己的項目活動，如設計目標、改進方法等，促進學生有目的地探究。這樣通過“玩—猜—拆—研”，學生“像工程師一樣”，獲得了知識和技能，提升了科學素養。如果有充分的材料，課后做一個類似八音盒的玩具，學生也肯定樂意接受。

三、繪制圖示模型，架構設計思路

學生在工程項目設計過程中，最先用到的思維方式便是模型建構，而模型建構也是科學思維的一種重要形式。學生在設計過程中，大多會利用圖文來表達自己或小組的思維過程，這實際上就是一種思維模型建構：依據圖文設計，制作模型、修改模型，形成解決問題的思路。如教學《像工程師那樣——制作空氣凈化器》這一節課中，教師在學生明確問題“做一個空氣凈化器”之后，巧用圖示模型為學生設計思維搭建支架，展示空氣凈化器模型的主要結構：外殼、進風口、出風口。學生觀察模型結構圖后，就對自己手中的圖紙有了一個全新的了解，促進模型的有效建構，為后面制作凈化器架構了工程思維，降低了設計難度，找到探究的最近發展區，為設計提供了鋪墊。繪制圖文是一個展示學生思維的過程，而修改圖紙則是思維提升的過程。教師要根據學生的認知發展特點，幫助其利用已有的經驗和獲得的信息，圍繞工程目標進行設計，建構模型，促進科學思維能力的提升。

四、分析實驗數據，改進設計思維

科學的本質在于尋找實證，在引導學生進行實證性研究的過程中，各種數據便是工程設計的支撐點。在工程項目實踐過程中所測試出來的數據，能幫助學生分析、比較，從而發現規律，并通過對規律的研究進一步修改產品，實現各種實用的目的，如提高產量、降低消耗、提高產品性能或者質量等。

（一）對比數據，改進產品

收集數據、對比數據是工程設計過程中的重要環節，它能為學生工程項目的設計評價提供參考依據，有利于改進產品。如《制作汽水》這一節課，教師收集了各小組制作汽水原料小蘇打和檸檬汁的數量，以及兩者混合后的pH酸堿度。讓學生歸納分析數據，發現問題：檸檬汁多的pH酸堿度小，小蘇打多的pH酸堿度大。在此基礎上和雪碧的pH酸堿度（3.3）相比，進一步改進汽水的調配比例，改善自制汽水的口味，實現提高產品質量的目的。對比數據的首要任務就是引導學生觀察數據，發現數據間的規律，通過發現規律，促進思維發展。

（二）分析數據，優化作品

數據分析本身就是一項在業務和數據之間搭建橋梁的工作。收集分析數據，可以促進學生工程思維的進一步提升，促進學生工程技術實踐力的提高。《像工程師那樣——制作空氣凈化器》這節課，教師引導學生測量收集各種濾材的凈化效果數據，然后形成柱狀圖，分析柱狀圖數據，找到過濾效果最佳的濾材。然后啟發學生從經濟成本出發進行考慮，從而進一步改進作品，制作一款效果好、成本低的凈化器。

五、設計思維導圖，教給思維方法

為幫助學生梳理評價工程設計過程，教師往往啟發學生利用思維導圖來展示小組的設計過程。在思維導圖中，既有工程核心概念的呈現，又有相關的層級概念表現，有利于學生從整體上思考解決問題的策略。教學中，學生可以利用思維導圖知道材料的組成，材料的功能、應用。思維導圖通過知識的層層展開，形成一個關于該課程的整體知識體系框架，能夠形象地展現大腦的發散性思維，從而實現對課程的全局把握，再結合實際進行專題訓練，很容易形成一個關于選材、加工、使用的綜合思維方法。筆者觀看過一節STEM課程《鐵皮青蛙跳起來的秘密》，學生經歷了“玩—猜—拆—研”的環節。學生拆下鐵皮青蛙各零部件、分門別類擺放好之后，教師指導學生畫思維導圖，將各零部件的名稱、作用、拓展在思維導圖中展示出來，綜合思維方法，使工程理念不僅僅局限于課堂，而且拓展到生活的各方面。

擁有好的思維是學生成長成才的關鍵。現代教育背景下，愈來愈強調培養學生的工程思維能力。小學教學看似很細微的工作，實則承載著學生思維成長的重任。只有很好地把握小學教學這一時機，工程思維這塊基石才能更好地推動學生成長成才。工程思維能力的形成是一個循序漸進、螺旋遞進的過程，教師要啟迪學生運用工程思維，構架工程思維的橋梁，交給學生一把工程思維的金鑰匙，讓他們去開啟工程實踐的大門。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準[M].北京：北京師范大學出版社.2022.