從用“尺子”到發明“尺子”

戴樂韻

隨著STEM教育的融入，各學科之間的聯系越發緊密，小學學習階段的科學與工程教育之間的交集加深，將科學、技術、工程、數學的整合提升到科學教學的重要層面，對科學教育從探究到實踐的轉變有著現實的指導意義。工程實踐能力和工程思維能力是未來人才的必備科學核心素養之一，需要從低年段學生抓起。

工程思維是對實踐的理性認識，是一種復雜層次的實體型思維，是指向解決問題的思維。一年級科學課滲透學生的工程思維教育是讓學生在學習活動中經歷從新手到專家的認知思維發展過程，通過圖式的“增生—調整—重建—遷移”，滲透“解決問題”的思維教育，讓學生學會怎么做，學會形成一個相關知識的圖式，并善于運用已有圖式解決實際問題。下面，以一年級上冊《比較與測量》單元為例，簡述滲透工程思維的教學策略。

學習使用“尺子”——認知圖式增生，導向工程思維的價值

工程活動強調問題導向原則，其目的及目標群通常是明確的，有很強的針對性，同時強調情境分析法的重要輔助作用。基于此，教師為學生創設一個有意義的學習情境，明確一個值得投入的學習主題，是工程設計式學習模式的基礎。在這一階段，學生通過發現問題可以了解任務、明確問題，為后續的研究做準備。引發問題環節，為學生滲透工程思維的價值導向至關重要。工程思維的靈魂和核心從更大程度、更深層次上看是價值理性思維。培養學生的工程思維，實際上是在培養他們以價值目標為導向和以價值目的為靈魂的思維。

在滲透工程思維的教學活動中，既要考慮建構的對象和目標，還要將整個活動與周圍的資源以及自然、社會、經濟系統聯系起來。這些背景、動作、信息等認知結構，通過具體化的學習活動在學生認知思維中形成圖式的增生。圖式的增生可以表征為靜態的陳述性知識，也可以表征為動態的程序性知識。

案例片段一：《用手來測量》

師：剛剛我們玩的手指游戲一點都難不倒你們，老師要加大難度了，想不想試一試？

生：想！

師：聽口令！快速伸出你的中指！

（學生伸出中指。）

師：很好，真整齊！再伸出你的大拇指！

（學生伸出拇指。）

師：保持住，不要動哦！你知道現在這個手勢表示什么嗎？

生：像手槍。

生：是7。

師：你們真有想象力。科學上，我們叫它一拃。跟老師讀一次，一拃。

生：一拃！

師：一拃是哪個手指和哪個手指之間的距離呢？

生：大拇指和中指。

師：大拇指和中指之間最長的距離叫一拃，所以一定要撐開才行。撐不開的可以放開無名指和小指。

師：一拃就像一把小尺子，可以幫助我們量身邊的物體。你有一拃嗎？讓我看看你的一拃。

（學生舉起一拃，教師巡視，糾正個別錯誤動作。）

師：下面同桌兩個人一組來玩一個游戲。我喊一拃，1號同學要快速把拇指和中指壓在桌上量出一拃，2號同學做小老師監督，如果他量得又對又好，請馬上舉手告訴老師！如果不對，請你馬上幫他糾正。

師：1號同學一拃！

（學生在桌上量出一拃，2號同學紛紛舉手。）

師：1號同學再來一拃！

（學生在桌上量出一拃，2號同學紛紛舉手，比上一次更快了。）

師：現在交換，2號同學在桌上量出一拃，1號同學做小老師監督，對了舉手，錯了糾正。2號同學準備，一拃！

本課的學習是讓學生嘗試學會使用“一拃”這把尺子去測量周圍的物體。案例中，一拃便是學生的“尺子”，學生在活動中習得使用“尺子”的方法，用來測量課桌的高度，獲得了測量工具“一拃”的圖式，解決周圍物體長度測量的問題。“一拃”就是一個表征記憶中儲存的一般概念的數據結構，是一個知識包，是程序性知識具體化的過程。教師通過游戲化的活動強化程序性知識，使學生增生“一拃”這個圖式。又如《起點和終點》一課，教師通過青蛙的動畫視頻，引出青蛙跳遠比賽的問題情境，明確學習任務，從而激發學生工程思維的參與，聚焦討論尋求辦法解決如何公平比較和測量的問題，從而獲得增生的圖式——“起點”和“終點”。學習過程中，工程思維的價值導向在于首先讓學生學會怎么做，再讓他們學以致用，嘗試使用所增生的圖式（比如一拃、起點、終點等指標）去解決實際的測量問題。圖示的增生伴隨著概括和抽象能力的發展，激活了工程思維。

理解“尺子”原理——認知圖式調整，激發工程思維的優化

工程思維關注的是共性，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。以解決問題為目標的優化論證學習活動可以引發學生對已有圖式的修正及新圖式的獲得。當已有增生圖式經發展而變得與現有經驗更一致時，就出現了對概念和原理的重新調整。當學生發現掌握的方法在實際運用中出現矛盾或缺點，需要改進時，會對原認知進行調整和修正。本單元從非標準單位到標準單位的學習，逐步理解“尺子”的正確使用原理是一個不斷調整、修正的學習過程，調整過程即為工程思維中的優化論證。

案例片段二：《用不同的物體來測量》

師：如何做好實驗，小組開始討論。

（黑板提示：1.你們小組測量結果相同嗎？2.如果不同是什么原因引起的？之后學生測量，把紙條測量的結果匯報給老師，8個小組結果相同：用小棒測量第一個紙條時，都是5個多一點，記作5+;用小立方體測量第二個紙條時，都是13個多一點，記作13+。）

師：用小棒測量都是5+，用小立方體測量都是13+。你認為哪個紙條更長一點？

生：用小立方體測量的紙條。

師：為什么？

生：用小立方體測量的結果比小棒多了一些。

生：我也覺得用小立方體測量的紙條長。

生：因為小棒比小立方體“走得”少一些。

師：我們來看一看，到底誰的長（實物投影比較）。用不同物體來測量，結果能比較嗎？

生：不能。

師：結果不便于比較。為了方便比較，我們得選擇相同的物體來測量對不對？不然你測量你的，我測量我的，不能比較，因此我們要選擇同一個物體來測量進行比較。小棒和小立方體，你們更喜歡用哪個來測量？

生：小棒，測量很快，但是太細。

生：小立方體。

師：為什么？

生：它不像小棒會滾動。

案例片段三：《用相同的物體來測量》

師：小立方體不會滾，一個一個地測量太麻煩了，你們有沒有辦法測得更快點？

生：把它們拼起來。

師：老師把10個拼起來，那這個測一次就是多少？

生：10個。

師：我們來測一測一張白紙，請你來演示。

（學生演示10個10個地測量，結果發現，兩排10個立方體還有多出來的部分，多余的部分用1個立方體測量后再記錄下來。）

生：23+。

師：（再擺出兩排10個立方體連起來）誰能快速測出書本是多少個立方體？

生：25+。

案例片段二通過不同物體的測量結果出現的矛盾，引發優化方案的對比和討論，發現利用小方塊的測量方法更加便利。案例片段三中教師進一步激發學生思考用一個方塊測量的局限，如何提高測量的效率，由此學生想到從一到十進制的測量方法，當新知識符合原有圖式時，被直接納入同化;當原有圖式無法適應新知識時，個體對原有圖式進行調整改造、補充和修正，形成新的圖式，這便是工程思維的優化。學會論證被認作是促進思考、建構新理解的核心過程。學生在合作探究的過程中通過測試和評估，激發優化方案論證，對原本的方案和決策進行改進、優化，調整原來的認知概念或者原理，促進工程思維的辯證發展。

工程解決方案需要經歷辯論的過程，這一過程包括對于潛在隱患的多因素分析，或成本、美學、功能分析等。最佳設計的產生也需要經歷相似的批判和論證過程。理解錯誤觀點的錯誤之處、設計缺陷的原因與懂得正確的觀點為什么正確和設計成功的原因一樣重要。如《做一個測量紙帶》一課中，教師拿出兩個杯子讓學生用小方塊測量，問學生如何測量小杯子一圈的長度和大杯子一圈的長度，用小方塊能測嗎？學生意識到實際測量用小方塊無法彎曲的困難，從而思考其他測量方法。教師提示：給你紙條能測嗎？學生恍然大悟——可以繞起來。利用已有的圖式方法無法解決現有的問題，需要對原來的圖式進行調整，從而激發學生的工程辯證優化思維;同時明確本課的學習任務目標，體會做一個測量紙帶的實踐意義，滲透工程思維的價值導向和優化原則。

設計制作“尺子”——認知圖式重建，搭建工程思維的框架

圖式的不斷重建，是工程思維不斷獲得新發展的生長點。工程思維的發展就是一個不斷選擇圖式、靈活運用圖式和構建圖式的過程。工程思維作為一種“設計”并構建新的存在物的思維，必然內在地包含著遵循事物因果聯系與規律的科學思維方式以及遵循方法手段操作流程與規范的技術思維方式。一般高年段的工程活動以項目式學習為支架，在經歷“設計—改進—再設計—再改進”的過程中，通過設計圖或方案制作模型。基于一年級學生的學習水平，往往偏向圖式的改進為模型的基礎建構方式。工程思維的發展貫穿整個構建和造物的過程中，需要通過一系列結構化的活動促進認知圖式的重建，最終幫助學生在螺旋向上的思維提升過程中，搭建工程思維模型的立體框架。

如《做一個測量紙帶》教學活動，蘊含整個單元的技能和方法的綜合應用，制作的過程比較簡單，重點以科學合理的方式標注尺子的刻度，實際上卻如燕子銜泥般搭建了學生工程思維的立體模型，讓學生經歷整個單元的學習并逐步領會工程技術的發展。只有理解了尺子設計的歷程和意義，才能制作出尺子的雛形。在《比較測量紙帶與尺子》一課的教學中，教師出示測量紙帶，問學生測量時可能需要用到哪些特點，學生說出數字、方框、間隔一樣長等等。在掌握了這些必備要素的學習基礎上，然后通過視頻指導，學生嘗試測量。測量結束后，教師將兩種不同紙帶測量的結果展示在黑板上進行比較，引發結果多樣性的討論。進而出示標準的尺子，讓學生進行測量，對比測量結果讓學生進一步認識尺子是根據統一標準制定的，這樣更加精確，更加標準（如上圖）。一系列結構化的設計，逐層遞進，幫助學生構建尺子形成和逐漸標準化發展的立體模型。這個思維模型的產生是積極主動的，學生理解了尺子的使用原理，經歷產生、發展、改進、完善的歷程，體驗工程活動的學習是一個不斷去發現問題、解決問題的過程。

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。通過從非標準單位逐漸到標準單位的調整過程，不斷在類比學習中，調整圖式適應新的情境，調整新的技能方法、思維方式適應新的解決問題的情境，進而創造了一個新的圖式，形成圖式的重建過程，工程思維的滲透發展在經驗的反復一致中修正、更新、總結、清晰，最終形成立體框架模型。圖式的重建，讓知識系統化、序列化、結構化，從而搭建工程思維穩定、有序、理性的認知框架。

提取“尺子”模式——認知圖式遷移，架構工程思維的體系

認識并使用工具是技術類課型的基礎教學內容，學生的工程素養和工程思維從一年級便已經開始培養。縱觀《比較與測量》整個單元，蘊藏著一條暗線，就是尺子的發展歷程。學生可能已經接觸使用過尺子，卻并不知道尺子是怎樣產生和發展出來的。本單元的學習，旨在希望通過一系列感知活動讓學生對測量工具的發展歷程上升到一個理性的認識，建立尺子發展的模型。整個單元的工程思維目標發展體系大致見右表，分析每課的內部邏輯架構，在每課教學中通過指向明確的學習任務，建立聯系，搭建思維發展的橋梁，逐步滲透工程思維的教學。

通過整個單元的學習活動，學生具備了更多的科學知識和工程思維，從一個測量“新手”變成一個測量“專家”，從逐步學會使用“尺子”到發明“尺子”，從而建立測量的系列圖式，建立“尺子”發展的思維模型。思維模型的建立為日后工程推理、預測、決策、應用等研究奠定了基礎。當學生習得的這些概念方法或觀念被儲存于認知記憶中，圖式變得自動化，在今后解決測量問題中，已有的自動化的圖示或思維模型就會被激活，可以將這些工程技能方法、工程思維模式提取并加以使用。從某種意義上說，他們解決問題的方式就是識別出以前經歷過的模式，并將這些模式與當前問題的相應方面進行匹配，用于解決更復雜的技術工程問題，將原有知識遷移到新問題情境中。理解了尺子的發展模型，打下了“應該如何做”的解決問題的工程思維基礎，對于中、高年段學生思維的發展（比如測力計的使用原理、計時工具的發展等）奠定了良好的認知基礎。

工程思維體現了從認知到實踐的思維飛躍，其思維成果改變著人們的生存方式，建構新的生活樣態，是改變世界的思維。科學教師從工程思維角度去考慮教學是不可或缺的。在低年段科學教學中重視培養學生的工程意識，在教學活動中借助圖式理論，逐步滲透工程思維的教育，為學生核心學習力的發展奠定基礎，夯實底層思維建筑，推動學生科學素養的長足發展。

浙江省溫州市龍灣區嶼田實驗小學

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