小學科學教學中學生工程思維能力的培養

嚴國紅

隨著科學、技術、工程與數學的整合教育，在當下的科學教育中培養小學生的工程思維至關重要。因此，本文簡要闡述了工程思維的內涵及特征，分析了小學科學教學中培養學生工程思維能力的價值，并提出了培養小學生工程思維能力的新思路與新策略。

近年來，伴隨著社會各界對科學教育質量要求的不斷提升，美國國家研究協會出臺了《K—12年級科學教育框架》，該框架圍繞“科學和工程實踐、跨學科的概念、學科核心觀念”的維度組織，著重體現了注重實踐并讓學生在較少內容上實現真正學習的思想。該框架將工程教育納入到了K-12年級的科學教育中，將之前《國家科學教育標準》中的“基于探究學習”模型更加具體化，為如何進行科學探究指明了實現途徑，使抽象的理論找到了實踐的落腳點，提高了教學的可操作性。然而，在大多數人眼里只有在理工科大學里才出現的工程問題，能否在小學的課堂里研究呢？小學生能否培養工程思維呢？這是大多數人所質疑的。事實上，隨著STEM教育的整合，各學科之間的聯系越來越緊密，小學學習階段的科學與工程教育之間又有交集。因此，工程思維在小學科學教學中對提高學生的工程實踐能力，以及培養學生綜合素質方面起著重要的作用。

一、工程思維的內涵及特征

工程思維是指按照某一特定的目標，遵循一定的規范或標準進行設計，然后進行生產或建設，直至最后制造出產品供應社會或建成設施投入運營。工程思維有如下特征：

首先，工程思維具有現實性。工程思維是以籌劃的可行性為宗旨，面臨的是潛在可能性與現實可行性的轉化契機，尋求工程理想與工程實際兩者間矛盾的解決。它能將客體對象變得跟主體價值需要相符合，它之所以具有現實性，在于它根植于主體的價值意圖，工程思維的可實現性特征表明工程建構比其他活動更能考驗人才的真才實學。

其次，工程思維具有創新性。與創新思維相比，工程思維的創造性如同放風箏者手中的線，它更具有方向性、目標性，強調的是標準化與操作性；而創新思維如同沒有線的風箏，它更具有跳躍性、求異性，強調的是想象力的發展。

再次，工程思維具有綜合性。工程思維是一種復雜的系統性思維，它不同于理性思維，理性思維注重事實，強調證據。在工程活動中既要考慮所要建造或建構的對象和目標，又必須把整個活動本身與周圍的自然、社會、經濟系統聯系起來，把工程系統放到這個大系統的背景之中。工程思維是“應該——如何做”的思維活動，是對實踐的理性認識，是一種復雜層次的實體型思維。為此，工程思維除了具備科學思維和技術思維的一些基本特點之外，還要具備這種綜合判斷和選擇的能力。

二、小學科學教學中培養學生工程思維能力的價值

目前，我國的科學教育在小學課程中一直處于副課地位，而歐美國家領先于我們幾十年，隨著美國新一代《K-12年級科學教育框架》的出臺，使得我國的科學教育也面臨著一場巨大的困難與挑戰。

當下，我們的科學教材中大多數的實驗為驗證性實驗，雖然能夠鞏固所學的理論，但在調動學生學習的主動性，培養學生的思維能力方面則較差，更缺乏自主探究能力與工程思維能力的培養。實際的科學課堂教學中，不是為了理論而理論就是為了操作而操作，使得科學與技術之間的關系也日益淺薄，乃至整體的無意識。

然而，工程恰恰架起了科學發現、技術發明與產業發展的橋梁，為我們的實際教學探尋了新的思路。如“小小建筑師”是“做中學”科學教育改革實驗項目，它是一個科學與技術交織在一起的案例，結構的穩固性中既有科學原理，又蘊含著工程設計和操作技術，讓學生自主搭建積木或自主設計實驗是培養學生的科學推理能力和科學建模能力的重要形式，也是培養學生工程思維和技術應用的新方式。在此基礎上，教師可以將工程案例的教學融入實際教學中，并將探究性和實踐性相結合的實驗引入當下的科學教學中，或將師徒制或兵教兵的模式引入到教學中，或者與校外建立合作關系，讓學生在實際參與和體驗中進行探究性的學習。

工程思維關注的是共性，思維過程區分為無意識、潛意識和有意識，在實際的問題與決策中，要嘗試使用最合適的方法和工具進行模型設計與工程實踐，力求最優化原則，是“應該做——如何做”的思維活動，是對實踐的理性認識，是一種復雜層次的實體型思維。為此，工程思維除了具備科學思維和技術思維的一些基本特點之外，還要具備這種綜合判斷和選擇的能力。

因此，我們不僅要重視科技教育，更應重視工程教育，并將科學、技術、工程與數學相融合的新模式應用到我國的科學教育中，進而培養學生的工程思維能力，培養全面發展與更具人性的人。

三、小學科學教學中培養學生工程思維能力的策略

2012年美國發布了國家教育進展評估（Nationa lAssessmentof EducationalProgress，NAEP）的《2014年國家教育進展評估的技術和工程素養框架》報告，該報告是對科學、技術、工程與數學的整合，對科學教育從“探究——實踐”的轉變有著現實的指導意義，這也是科學教師從工程思維的角度去考慮科學教學時不可或缺的參考。例如，科學問題源于對自然現象的解釋，如“為什么燈泡會發光？”工程學則源于需要解決的問題，如“怎樣將能發光的燈泡應用到房子里？”這兩個生活中最簡單的問題，其目的就是如何將科學與工程問題有效結合在一起。如何將科學與工程有效結合，如何將學生零碎的知識與機械過程變成一個具有實踐意義的相互聯系的過程，其切入點只能從培養學生的工程思維著手，因此，科學教學中培養學生工程思維能力應該從以下幾個方面進行教學：

1.基于課堂教學，重視對知識的應用能力

傳統教學是一本書一支粉筆的教學，是一種填鴨式的教學模式，不注重學生對知識的掌握與應用。而工程思維是以系統工程知識為基礎，為了提高學生的思維效率，就必須加強工程知識的系統學習，如《2014年國家教育進展評估的技術和工程素養框架》指出四年級的學生就應該開始簡單但系統性的設計，嘗試回答“科技是怎樣被用于創造材料的”問題，能運用系統方法對簡單問題設計解決方法，并構建一個簡單的模型來測定是否滿足問題的要求等。因此，在實際的教學過程中應給學生提供應用知識的機會，如在教師的指導下學生進行高效的討論與交流，讓學生嘗試自己設計或組織教學，讓學生體驗自主設計的教學活動，進而培養學生的設計能力，以及工程思維下的應用能力。

2.創設實驗情景，注重對探究的創新能力

科學是建立在實驗基礎上的，而實驗的核心是探究，可以往的探究是在現成答案的情況下進行的演示活動。在基礎實驗教學中，教師要給學生創設良好的實驗情景，能讓學生在自發的情景下，進行一般性的自主探究。如學生通過LedongScratch互動教學平臺等工具，讓學生自主搭建數字化實驗系統，將實驗探究工具的開發作為探究實驗的重要組成成分，同時也是體現工程思維與技術應用的一種新的方式。同時，在實驗教學中還應該重視學生設計能力，因為設計即探究，讓學生在設計實驗中理解科學與工程的關系，進而提高學生學習科學的探究興趣，以及工程思維下的創新能力。

3.構造實物模型，加強學生的工程實踐能力

美國《K-12年級科學教育框架》用“科學和工程實踐”替代“科學探究”，體現了參與科學研究和工程設計不僅需要技能，更需要對相關知識的理解與運用。實物模型是依靠物質的基本形態所做的模仿，是一種已有的零件實物或樣件。在小學科學教學中完全有必要開設實物模型構造的教育，如通過泥塑、雕塑可以培養學生的感知能力與動手能力，通過搭建房子可以培養學生的整體性思維能力，提高對實體性的理性認識。

總之，工程思維能力的形成是一個循序漸進的過程，應逐步強化與提高。在科學教學中為培養學生的工程意識，引導他們注重工程實際、明確學習目的，形成工程思維，我們可以按照從“工程中提出問題——講解有關理論——聯系工程應用”這樣的認識規律組織教學，優化課程結構，并將理論教學與實踐環節相結合，進而達到培養學生工程實踐能力的目的。

【作者單位：南京師范大學 江蘇】