以“小小工程師”為載體培育學(xué)生工程思維

楊望祥

〔摘? ? 要〕? 筆者在教學(xué)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生工程思維發(fā)展很容易被忽視。本文以“小小工程師”單元教學(xué)為載體，對(duì)學(xué)生的科學(xué)工程思維能力狀況進(jìn)行了調(diào)查，分析存在的問題及原因，并基于此改進(jìn)教學(xué)。

〔關(guān)鍵詞〕? 小學(xué)科學(xué)；工程思維；工程

〔中圖分類號(hào)〕? G424? ? ? ? ? ? ? ? 〔文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼〕? A? ? ? ? ?〔文章編號(hào)〕? 1674-6317? ? （2024）? 16? ? 034-036

一、現(xiàn)狀思考

小學(xué)科學(xué)核心素養(yǎng)之一是科學(xué)思維，而技術(shù)與工程課中涉及較多的就是工程思維，工程思維主要包括決策思維、設(shè)計(jì)思維、實(shí)踐思維和迭代思維。我們以教科版六下“小小工程師”單元為載體，對(duì)工程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行思維調(diào)查，初步了解了學(xué)生工程思維的現(xiàn)狀及導(dǎo)致問題的原因。

（一）工程決策階段決策云里霧里

按照常規(guī)來說，學(xué)生對(duì)于工程需求應(yīng)該比較明確，但我們?cè)谡{(diào)查研究中發(fā)現(xiàn)，各個(gè)小組工程需求不明確。究其原因，主要是學(xué)生對(duì)于塔臺(tái)的設(shè)計(jì)和搭建要求不是很明確，工程的情境沒有創(chuàng)設(shè)好，導(dǎo)致部分小組決策思維缺乏。

（二）工程設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)層次不高

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，學(xué)生工程設(shè)計(jì)思維的細(xì)致性和創(chuàng)新性有待提高。這主要是師生在平時(shí)課堂上養(yǎng)成了重視實(shí)驗(yàn)探究，忽視探究方案的設(shè)計(jì)。平時(shí)探究方案設(shè)計(jì)往往是教師一手包辦，即使學(xué)生參與方案設(shè)計(jì)，也只是活動(dòng)前師生之間的個(gè)別互動(dòng)。而工程的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)，因此設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要格外引起重視。

（三）工程實(shí)踐階段實(shí)踐效率低下

不少學(xué)生搭建工程模型沒有按照設(shè)計(jì)圖搭建，而是搭到哪里算哪里。由于平時(shí)的課堂受時(shí)間因素限制，更多的是定性評(píng)價(jià)，缺乏定量評(píng)價(jià)。如果只是教師的定性評(píng)價(jià)，學(xué)生的積極性難以提高，因而缺乏目標(biāo)導(dǎo)向。

（四）工程優(yōu)化階段迭代形同虛設(shè)

不少小組在優(yōu)化階段各項(xiàng)評(píng)估指標(biāo)并沒有得到整體提升，只是某項(xiàng)指標(biāo)得以提升。這主要是評(píng)估時(shí)沒有進(jìn)行問題的梳理記錄，因此工程的迭代優(yōu)化環(huán)節(jié)往往是一帶而過。其實(shí)，迭代優(yōu)化環(huán)節(jié)非常關(guān)鍵，能鍛煉學(xué)生的高階能力，如問題解決能力。因此，工程的迭代優(yōu)化環(huán)節(jié)不容小覷。

二、改進(jìn)探索：發(fā)展學(xué)生工程思維的科學(xué)教學(xué)改進(jìn)研究

本文從教學(xué)實(shí)踐出發(fā)，根據(jù)存在的問題及其原因，有針對(duì)性地改進(jìn)教師的教學(xué)，旨在發(fā)展學(xué)生的工程思維。

（一）注重創(chuàng)設(shè)工程情境，培養(yǎng)工程決策思維

有時(shí)技術(shù)與工程課看似熱熱鬧鬧，實(shí)則脫離學(xué)生的生活情境，是為了做工程而做工程，學(xué)生并不了解工程的需求。這主要是忽視了對(duì)學(xué)生工程決策思維的培養(yǎng)，因此工程決策階段我們實(shí)施了以下改進(jìn)策略。

1.營造真實(shí)情境，工程更接地氣

筆者在執(zhí)教“小小工程師”單元時(shí)，我發(fā)現(xiàn)塔臺(tái)工程的情境不夠真實(shí)，學(xué)生一開始就懵懵懂懂的，不知道工程任務(wù)到底是什么。因?yàn)楸締卧谌n情境是學(xué)校要求在操場(chǎng)上搭一座塔臺(tái)，以供足球教練站在塔臺(tái)上指揮隊(duì)員訓(xùn)練。到第四課，工程情境變成制作一個(gè)高60cm的塔臺(tái)，塔臺(tái)需具備一定的承重、抗風(fēng)、抗震能力。因此我們需要給學(xué)生提供真實(shí)情境，明確工程的需求，以及真實(shí)的制約條件和限制條件，否則學(xué)生也會(huì)云里霧里。

2.引導(dǎo)尋找原型，促成正向遷移

學(xué)生豐富多彩的生活就是科學(xué)學(xué)習(xí)的源頭，從生活中尋找原型，有利于學(xué)生發(fā)現(xiàn)和提出科學(xué)問題，并嘗試?yán)每茖W(xué)方法和科學(xué)思維解決問題。如引導(dǎo)學(xué)生觀察埃菲爾鐵塔和普通鐵塔，對(duì)于后續(xù)進(jìn)行的設(shè)計(jì)塔臺(tái)、構(gòu)建塔臺(tái)以及改進(jìn)塔臺(tái)活動(dòng)都有著正向遷移作用。

3.給予充足時(shí)間，做實(shí)工程決策

如果缺乏工程決策時(shí)間，工程決策思維就得不到良好的鍛煉。在決策階段，學(xué)生需要查閱工程相關(guān)資料、了解后續(xù)工程相關(guān)工具和技能、制訂工程活動(dòng)方案、預(yù)設(shè)小組成員分工等。因此需要給予學(xué)生充足的時(shí)間，做實(shí)工程決策。

（二）重視工程設(shè)計(jì)圖紙，培養(yǎng)工程設(shè)計(jì)思維

工程方案設(shè)計(jì)需要學(xué)生像工程師一樣思考，了解自己所研究工程的特點(diǎn)。對(duì)于設(shè)計(jì)方案，教師要以開放的方式進(jìn)行引導(dǎo)，各種設(shè)計(jì)都應(yīng)該有它們發(fā)揮的余地。

1.引導(dǎo)注明尺寸參數(shù)，增強(qiáng)工程操作性

學(xué)生利用文字繪圖或?qū)嵨锏韧暾磉_(dá)自己的構(gòu)想，設(shè)計(jì)圖、文字等應(yīng)清晰體現(xiàn)要點(diǎn)、標(biāo)注必要參數(shù)。這樣，其他小組同學(xué)看了，就能讀懂設(shè)計(jì)圖，看到設(shè)計(jì)圖猶如見到產(chǎn)品說明書。在教學(xué)活動(dòng)中，學(xué)生在設(shè)計(jì)圖中都標(biāo)注了尺寸，還畫了一些細(xì)節(jié)圖和側(cè)面圖。因此，哪怕是其他小組同學(xué)，也能按照他們的設(shè)計(jì)圖進(jìn)行模型搭建，這樣就大大增強(qiáng)了學(xué)生的識(shí)圖能力，同時(shí)鍛煉了學(xué)生在設(shè)計(jì)階段的工程設(shè)計(jì)思維（如圖1）。

2.強(qiáng)化安全意識(shí)，確保工程安全性

任何一項(xiàng)工程的建造，都需要具備一定的安全性能，因?yàn)樗硪豁?xiàng)工程，無論是對(duì)環(huán)境還是對(duì)周圍的人們不能產(chǎn)生任何負(fù)面作用。比如，在使用粘接材料搭建塔臺(tái)時(shí)，不能用刺激性氣味較強(qiáng)的膠水。在構(gòu)建工程過程中，要盡量使用環(huán)保或者可回收材料，而不要大量使用一次性材料。塔臺(tái)穩(wěn)定性或抗風(fēng)能力要強(qiáng)，因?yàn)檫@些指標(biāo)指向工程的安全性。

3.指引設(shè)計(jì)新穎獨(dú)特，關(guān)注工程創(chuàng)新性

學(xué)生提出的設(shè)計(jì)方案越新穎，越反映學(xué)生具備工程設(shè)計(jì)思維。?創(chuàng)造性思維是科學(xué)思維的核心要素之一，需要在平時(shí)加以鍛煉。設(shè)計(jì)塔臺(tái)時(shí)，為保障教練的人身安全，學(xué)生設(shè)計(jì)了可拆卸的梯子圍欄，還設(shè)計(jì)了雨傘。這說明學(xué)生真正地投入了工程設(shè)計(jì)中，學(xué)生的設(shè)計(jì)思維也得到了一定發(fā)展。

（三）細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)循環(huán)實(shí)踐，培養(yǎng)工程實(shí)踐思維

在教學(xué)實(shí)踐中我發(fā)現(xiàn)，有的小組未按圖紙進(jìn)行施工，有的小組工程制作的穩(wěn)定性、美觀性和牢固性都有待提高，對(duì)此我們可從以下三方面改進(jìn)。

1.細(xì)化評(píng)估量化標(biāo)準(zhǔn)，前置目標(biāo)導(dǎo)向監(jiān)督

有的小組未按圖紙進(jìn)行施工，或許是評(píng)價(jià)比較籠統(tǒng)，只說明要按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行搭建施工，沒有具體的定量評(píng)價(jià)和參考標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于上述情形，我們還需要改進(jìn)量化標(biāo)準(zhǔn)，使評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)更加細(xì)致。要把評(píng)價(jià)置于學(xué)生工程實(shí)踐之前，標(biāo)準(zhǔn)由學(xué)生共同商量制定。這樣的細(xì)化標(biāo)準(zhǔn)，會(huì)起到導(dǎo)向督促作用，督促學(xué)生在工程實(shí)踐時(shí)需要按照設(shè)計(jì)圖完成工程制作。

2.引導(dǎo)鼓勵(lì)循環(huán)實(shí)踐，不斷提升實(shí)踐水平

工程實(shí)踐是一項(xiàng)長(zhǎng)周期的學(xué)習(xí)體驗(yàn)活動(dòng)，并不能一蹴而就，學(xué)生屢次失敗是司空見慣的事情。我們應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行循環(huán)實(shí)踐，在此過程中學(xué)生不僅能解決本項(xiàng)工程的難題，還能在循環(huán)實(shí)踐中領(lǐng)悟解決某一類問題的方法。例如，有小組在構(gòu)建塔臺(tái)時(shí)，經(jīng)過循環(huán)實(shí)踐，反復(fù)嘗試，發(fā)現(xiàn)不能按一個(gè)方向繞著粘接，需要交替繞，這樣不僅粘接牢固，還能增加塔臺(tái)的牢固性和美觀性。

3.合理商定實(shí)踐進(jìn)度，避免拖沓延長(zhǎng)工期

在教學(xué)實(shí)踐中我們發(fā)現(xiàn)，有的小組團(tuán)隊(duì)成員分工合理，合作效率較高，一般課堂三節(jié)課就完成了工程搭建，完成的質(zhì)量也較高。而有的小組，團(tuán)隊(duì)分工不合理，組員合作效率不高。究其原因，是缺乏時(shí)間成本思維，這也是工程實(shí)踐思維的一部分。有了時(shí)間成本思維，學(xué)生就能體會(huì)到工期的重要性。因此，我們?cè)诮虒W(xué)實(shí)踐中，就應(yīng)該明確工程工期，合理商定實(shí)踐進(jìn)度。

（四）重視工程改進(jìn)優(yōu)化，培養(yǎng)工程迭代思維

技術(shù)與工程課中，對(duì)于工程成果進(jìn)行評(píng)估和改進(jìn)優(yōu)化是不可或缺的。在測(cè)評(píng)之后，學(xué)生將工程成果暴露出來的問題進(jìn)行記錄梳理，并聚焦到工程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)和工程材料工具，在改進(jìn)優(yōu)化中鍛煉迭代思維。

1.鼓勵(lì)引導(dǎo)問題梳理，目標(biāo)指向問題解決

針對(duì)前期工程實(shí)踐、工程評(píng)估中出現(xiàn)的問題，該如何有效應(yīng)對(duì)和解決，我們需要引導(dǎo)學(xué)生及時(shí)梳理工程成品出現(xiàn)的問題，并讓學(xué)生思考相應(yīng)的解決方案。對(duì)于自身工程出現(xiàn)的問題，學(xué)生會(huì)積極采取方案予以解決。學(xué)生在經(jīng)歷工程檢測(cè)展示后，通過自評(píng)和互評(píng)發(fā)現(xiàn)問題，從而進(jìn)行問題梳理，在目標(biāo)指向下解決問題。

2.設(shè)計(jì)圖紙對(duì)比呈現(xiàn)，便于進(jìn)行縱向比較

在教學(xué)中我們發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品的迭代優(yōu)化并不是短時(shí)間能夠完成的，這就需要對(duì)比。設(shè)計(jì)圖對(duì)比可以見證學(xué)生思維變化的痕跡，也可以見證思維的迭代優(yōu)化。例如，學(xué)生在進(jìn)行塔臺(tái)測(cè)試后，發(fā)現(xiàn)塔臺(tái)有待改進(jìn)，于是在原來塔臺(tái)的外側(cè)又搭建了一定的結(jié)構(gòu)，以此增強(qiáng)塔臺(tái)各方面的性能。同時(shí)塔臺(tái)頂部也進(jìn)行了加工優(yōu)化，增加了網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)提升性能（見圖2）。

3.甄選工程材料工具，提高工程技術(shù)

教學(xué)實(shí)踐表明，不僅可以通過改進(jìn)設(shè)計(jì)圖來解決各方面存在的問題，其實(shí)也可以甄選工程材料和工具。現(xiàn)在的學(xué)生動(dòng)手能力的確有待加強(qiáng)，甄選材料工具可以提升他們的工程技術(shù)水平。如在搭建塔臺(tái)時(shí)，為了提升工程的美觀性和牢固性，采用了彩色吸管材料，利用熱熔膠槍進(jìn)行粘接，提升了塔臺(tái)一些性能指標(biāo)。

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