指向工程思維培養的科學項目實踐活動

袁晉

摘要：在小學科學教學中，培養學生的工程思維是重要課題。在科學項目實踐活動中，通過鍛煉籌劃性思維、激發可行性思維、培植價值性思維、實現迭代性思維等路徑，能夠有效培養學生的工程思維。

關鍵詞：工程思維；籌劃性思維；可行性思維；價值性思維；迭代性思維

中圖分類號：G623.6 文獻標志碼：A 文章編號：1673-9094（2023）11-0078-03

《義務教育科學課程標準（2022年版》（以下簡稱《新課標》）強調實現從知識本位到素養本位的跨越，創新設置了13個學科核心概念，涵蓋了所有學生在義務教育階段應該掌握的科學課程的核心內容[1]。其中“技術、工程與社會”和“工程設計與物化”兩個學科核心概念迅速引起了一線科學教育工作者的廣泛關注，使得學生工程思維能力的培養成為熱門研究課題。工程思維是一種籌劃性、可行性、價值性、迭代性思維，其核心是能夠對一個項目或者領域存在的問題進行比較系統的分析，整體把握和規劃，權衡其利弊，并進行風險評估，提出較為系統的解決方案，力求拿出全面、綜合、科學的決策。

相關研究表明，為學生創造參加具有綜合性與跨學科性的工程實踐活動可以有效地促進其工程思維的發展，如何幫助學生找到一種適切的習得方式就變得尤為重要[2]。筆者在《新課標》中找到了答案：義務教育課程要變革育人方式，突出實踐，“突出課程內容結構化，探索主題、項目、任務等內容組織方式”，“探索大單元教學，積極開展主題化、項目式學習等綜合性教學活動”，指向“做中學”“用中學”“創中學”的課程與教學體系，倡導項目學習。

一、問題解決，鍛煉籌劃性思維

科學的核心是發現，工程的價值是實現。工程中的籌劃性思維是指解決現實問題時調動和使用各種思維方式，全方位、多層次和多角度對問題進行運籌和集成，達到解決工程問題目的的思維。所以，科學學科項目實踐活動必須是基于問題的學習，學生在明確問題，進行頭腦風暴時會產生多個可能的解決方案。

教師在設計學科項目實踐活動時，應為學生提供選擇自認為最好的解決方案的機會，并引導學生落實解決方案，促使學生在解決問題中不斷地修改和完善。在這樣的項目學習探究過程中，學生需要不斷地考慮方案是否可行，具體落實到每一個步驟是否可以實際操作。學生通過不斷的自我反思、自我審視，找出自身存在的問題，繼而自我調整，發現和解決遇到的困難和問題，鍛煉籌劃性思維。例如，在開展“空氣炮”這個學科項目實踐活動時，就要設計引導學生思考的問題：制作空氣炮可以選擇什么材料？如何制作空氣炮？究竟是什么因素制約和影響著空氣炮的射程？大部分學生會想當然地認為炮口大射程就遠。但事實真的是這樣嗎？炮身粗細和射程會不會也有聯系呢？有什么辦法可以使炮身更牢固些？怎樣測試炮程更科學？有層次的問題串設計，促使學生在一開始時可以有針對性地把這些問題進行系統搭建，從而形成問題框架，有效地助推學生順利完成下一階段的設計、制作與測試，讓學生在實踐中真切感受到可行性和可操作性的意義和價值，從而有效鍛煉籌劃性思維。

二、情境驅動，激發可行性思維

工程中的可行性思維是指在解決現實問題時，充分考慮需求的角色是否滿足、按照功能的邏輯思考是否能走通、遇到技術知識盲點是否能突破等。網上有一個關于折紙的論點：一張紙無論怎么對折，都不能超過9次，真的是這樣嗎？有些學生不相信。于是，就用A4紙親自動手折一折，結果只能折7次。還有些學生質疑是不是紙太小，于是更換了一張更長更薄的宣紙，結果也只是折了8次，第9次因為太厚折不下去了。其實，不相信的學生是一種基于學科邏輯的系統思維，是用科學原理和科學概念解決問題的思維活動。親自動手實踐的學生則是用證據說話，從問題的真實情境出發，考慮“現實性”“可行性”和“實現性”，這就是工程中的可行性思維。

教師在設計科學學科項目實踐活動時，必須從學生的生活經驗和認知特征出發，創設出一個具有驅動性的項目情景，從而有效激發學生的可行性思維。例如，在開展“佩奇的保溫杯”這個學科項目實踐活動時，教師創設驅動性項目情境：為佩奇設計制作一款簡易保溫杯，能滿足她夏天喝冰水的需求。學生通過實踐探究，發現不同的方式方法均可完成工程任務。但有的小組為達成保溫目的，選擇多種保溫材料疊加，杯子外壁越來越厚，甚至超過了杯子的容量；有的小組甚至沒有進行開蓋設計。這時，教師就要引導學生充分、綜合地考慮各種因素的“現實性”“實現性”“可行性”，以順利地完成工程任務，順利形成可行性思維。

三、真實任務，培植價值性思維

工程技術的關鍵是設計，工程是運用科學和技術進行設計、解決實際問題和制造產品的活動。工程思維是以價值為取向的一種思維，目的是滿足社會的需要、實現并創造更大的價值。工程思維和現實世界的核心相互關系是“設計性”和“實踐性”的完美統一，引導人們主動地創造現實、塑造現實、改變世界。

教師在設計學科項目實踐活動時，制定的任務目標要和現實生活、現實世界勾連起來，具有現實意義。這樣，學生在參與項目學習，完成目標任務的時候，才能獲得真實的生活體驗和社會性的成長。例如，在開展“滴灌器”學科項目實踐活動時，學生為了更好地種植養護好學?！爸修r場”中的蔬菜，自制了滴灌器，并迭代出幾代產品，投入農場使用。這時，教師就要抓住契機，設計能夠使學生走上舞臺展示自己的學習成果的項目學習任務。在展示中教師驚喜地發現，有的學生解決了土地板結的問題，有的學生解決了流速的問題，有的學生在設計上更加美觀，展現出學生在學習實踐過程中盡情地思考和創造，讓學生體悟到了創造價值的喜悅。這個項目的學習解決了學生現實生活中真真切切遇到的問題，在教師合理的設計、有意識的引導下，學生在活動中培植工程思維的價值取向。

四、改進產品，實現迭代性思維

工程設計是一個通過不斷構思設想、建立模型、反復測試、不斷迭代，最終解決現實問題的創新性過程。那迭代是什么呢？如果說創新是一個從無到有的過程，那么迭代就是一個從有到優的過程。

教師在設計學科項目實踐活動時，要引導學生體驗新值的產生、舊值的優化、新值與舊值之間的對比、舊值與新值之間的遞推，從而促使學生理解工程設計的實現要經歷由實踐到理論、再到理論和實踐相結合、繼而由理論向實際發展等轉變。例如，在開展“垃圾桶變形計”學科項目實踐活動時，學生在制作智能語音分類垃圾桶時，有的出現電路接觸不良的情況，有的會出現桶蓋打開不順暢的問題，有的會出現語音識別錯誤的問題……學生的研究沒有因為困難就此停止，而是興趣盎然地不斷試錯，深入思考后優化設計方案，不斷地在原始設計基礎上尋求新的方法解決暴露出來的問題。工程設計是一種非線性優化，對模型進行測試，往往要經歷無數次的失敗，所以測試不是工程設計的終點，而是又一個嶄新的起點。學生通過反復測試，反思總結失敗的原因，不斷地嘗試改進，不斷地迭代，不斷地追求卓越，完善自己的作品，走向成功，從而實現迭代性思維的培養。

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（2022年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2022：90.

[2]張華.讓學生創造著長大——2022年版義務教育課程方案和課程標準核心理念解析[M].北京：教育科學出版社，2022：157.

責任編輯：賈凌燕