科學教學中“逆向工程”教學模式的建構

摘要 以工程師反向產品分析方法建構適合學生的“玩→猜→拆→研→創”逆向工程教學模式，可以潛移默化地培養學生的工程思維，并在適合學生年齡特點的逆向工程實踐中鼓勵學生積極參與工具和材料的使用、靈活掌握工程方法，持續保持工程品質，提升學生工程素養。

關? 鍵? 詞 科學教學 逆向工程 工程素養 教學模式

引用格式 芮春花.科學教學中“逆向工程”教學模式的建構[J].教學與管理，2022（20）：62-64.

《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱新課標）強調，科學課程旨在培養學生的核心素養，包括科學觀念、科學思維、探究實踐、態度責任四個方面。其中，探究實踐主要指在了解和探索自然、獲得科學知識、解決科學問題，以及在技術與工程實踐過程中，形成的科學探究能力、技術與工程實踐能力和自主學習能力[1]。技術與工程實踐能力中特別強調了解技術與工程實踐的一般過程與方法。技術與工程部分的學習要基于學生已有知識經驗和認知水平，綜合利用學科核心概念和跨學科概念，通過跨學科綜合實踐，解決真實情境中的技術與工程問題，而且要關注技術與工程問題的規范性，讓學生養成通過“動手做”解決問題的習慣，培養學生的探究實踐能力。[2]常見技術與工程類型的課上教師常常強調針對實際需求明確問題，設計并制作一個產品。然而，在提出這個需求之前，教師常常忘記考慮學生是否具有工程實踐相關前經驗，是否靈活掌握工程實踐過程與方法？是否熟悉工具和材料的使用，是否具備相應工程實踐品質？那么，如何在工程項目開始之前有效提升學生工程實踐能力，規范其工程與實踐方法，培養其工程實踐素養？筆者認為學生分析一個較為復雜的真實產品的過程恰好彌補了這一空白，即逆向工程。

如果把傳統的按照“明確問題—前期研究—設計方案—制作模型—測試評估—展示交流”的產品形成過程稱為正向工程，那么“獲得產品—分析拆解—學習原理—改進設計”的流程就可以稱為反向分析產品的過程，即逆向工程。

那么，如何將工程師的反向產品分析過程轉變為適合提高學生工程素養的逆向工程學習流程，筆者結合課堂教學實踐，嘗試建構適合學生的“玩→猜→拆→研→創”逆向工程教學模式（如圖1）。以下將以筆者設計的“八音盒”一課為例具體說明。

一、玩——在觀察與歸納中實現情境帶入

八音盒悠揚的樂聲經常勾起人們對美好往事的回憶，使人們墜入對時光歲月的追憶中。八音盒是一種深受學生喜愛的機械發音樂器，其工作原理蘊含了學生熟知的關于聲音、傳動等方面的相關科學概念。

課的開始，教師搖動手搖八音盒，通過聽悠揚且熟悉的八音盒樂曲，激發其探究興趣。此時，引出探究問題：與其他樂器相比，八音盒發出的聲音以及其發音的方式與其他樂器相比，有什么特點？課件中出現一些常見樂器的圖片，幫助學生回憶常見樂器的特點，學生自然而然將思維聚焦到八音盒獨特的特征與構造上。帶著這一問題，學生兩人一組玩一個不透明的八音盒，在玩的過程中仔細觀察八音盒，獲得其外部信息，為猜測內部構造做好準備。

處于小學階段的學生不喜歡枯燥無味的說教式被動學習，更喜歡通過生活化、學生化的方式展開主動學習。只有將學生帶入到真實的情境中，他們才會切身體會到學習的意義，每個學生都是一個個體，對問題都有自己個性化的解決方式，對工程產品也有自己的分析之道。建構主義學習觀認為學習不僅是大腦在活動，也是大腦與身體、環境的聯合。所以在工程設計活動中教師要通過真實的任務或者產品刺激學生的感官，產生情感的共鳴，讓真實的工程任務或產品增加學生學習的趣味性，激發其探究的熱情。

在玩八音盒的過程中，學生已經被帶入工程師的真實工作情境中，且這一真實情境對學生而言是富有意義的，因為這是他們切身想去了解的一件不熟悉且較為復雜的產品，他們需要綜合調動各種感官，仔細捕捉產品的外部特征，具身其中。這樣真實的情境能迅速激起學生的求知欲，促進其深度思考。在真實的情境中明確一個對學生有意義的工程任務，且讓其浸潤其中，是提升學生工程素養的基礎。

二、猜——在思考與推測中發展工程思維

在觀察之后，師生、生生之間交流八音盒發音和發音方式上的特點。在交流的時候有些學生更關注發音的特點，如一個循環播放的、聲音清脆的樂曲片段;有些學生更關注發音方式上的特點，如金屬與金屬間的敲擊、多個簧片被彈撥等。教師在學生交流時充當記錄員，有意識地將他們對這兩個問題的思考按外部信息和對內部結構的推測兩個方面分類板書。

在“猜”這一環節，教師有意識地將學生的回答通過板書分類處理（從上而下板書學生觀察到的外部信息，從下往上板書學生猜測的內部情況），讓學生明白他們的想法一部分來自于外部信息的捕捉，另一部分其實來自于根據外部信息對內部結構的推測。但是學生自己并沒有意識到他們已經從觀察自發地走向了猜測，而板書是一種可視化的教學語言，教師可以通過板書的處理將學生的思維顯性化，讓學生的隱性思維變得顯性且有邏輯。

通過顯性化的思維過程，讓學生明白工程師在分析一件產品的時候也是從“外”到“內”，由“靜”的狀態轉向“動”的機制。工程思維的形成是一個漫長的、需要逐步培養的過程。如果教師能適當地在工程原理方面或者在學生表露出對問題的想法時給予他們一些指導和整理，那么將對他們的工程思維產生極大的促進作用。

三、拆——在拆解與分析中鍛煉工程能力

學生交流自己的猜想與推測后，教師指著板書拋出問題：這些都是你們的想法，里面是不是這樣呢？怎么才能知道？學生回答——拆開看看。“拆”是逆向工程中重要的一步，與其灌輸式告訴學生如何去拆，不如一句“工程師也常常用拆的方法分析產品，那你為什么要拆？”讓學生明確自己拆的目的是為了將先前的推測與拆開之后的情況進行對比，置身其中，沉浸于此項工程之中。

工程活動中的拆不是破壞，因為學生要拆自己手中的八音盒，所以他會思考如何拆，即有序細致、分門別類。有序細致是工程師的品質，分門別類是逆向工程中分析零件結構的重要方法。隨后，學生動手拆解八音盒，拆解的過程中學生由外及內關注各零件間的結構，并參與小組間的交流。

工程素養包括以工程與技術為本體的工程知識，更包括畫圖、工具使用等通識性技能的工程能力。工具是物化的技術，而只有在真實且具體的任務中，技術才能顯示出其特有的意義，八音盒的拆解與分析就是具體的任務。使用工具是學生對已有技術體驗與感知最為直接和有效的途徑[3]。教師應根據不同年齡段學生實踐能力的特點，為其設計合適的有關工具使用的工程任務，讓學生在真實的工程任務中逐步掌握一定的技術知識，并鍛煉其使用工具的能力。教師只有給予學生充分的實踐機會，他們才能對習得的技術反復練習、靈活運用，從而提升工程能力。

四、研——在解析與探究中鐫刻工程方法

學生對八音盒內部零件有了清晰的認識，發現這樣小巧的空間內部包括傳動部分和發聲部分后，他們急于表達，怎樣的表達更有利于學生從工程知識走向工程思維、工程方法，實現其工程素養的提升？這是需要教師思考的，于是本課設計了以下的工程活動。

布置任務：各部件之間是怎樣聯系起來一起工作的。用圖文結合的方式記錄、整理、表述自己的分析。一方面，用任務引領學生從關注“靜態”零件及組合走向對各部件間“動態”運轉機制的分析，從而引導學生學會綜合運用所學知識初步分析一個較為復雜的產品;另一方面，畫產品結構圖是工程素養中不可缺少的一環，學生在畫圖的過程中或用不同角度的視圖（正視圖、俯視圖、右視圖等），或用分解圖，或用組裝圖表達各零件組合起來的樣子以及各部件之間是如何配合的。經過畫圖這一靜態過程的沉淀，在接下來的借助圖紙的動態交流過程中，學生的思路更加清晰，表達的邏輯更加嚴密。在全班的交流解析中，學生對八音盒的工作原理有了整體的認知。這其實是工程活動中的系統分析，即一種整體性思維方式，把認識對象當做系統來看待，在系統與要素、要素與要素、系統和環境的相互聯系、相互作用中分析問題、解決問題。

至此，學生的研究還不夠，教師在學生研究基礎上拋出兩個研究問題：八音盒發出的旋律能不能倒著播放？小小八音盒能發出不同的音調，形成一段旋律，是怎么實現的？在開放問題的引領下深入研究，學生關注到工程師在運用概念的同時還必須有精妙的設計，在問題的驅動下學生進行細致的觀察與分析，找到復雜產品的核心設計。

如果用圖文結合的方式表達八音盒零件間的有效配合是解析內部結構的“淺研”，那么，對上述兩個問題的深入研究，就是探明核心技術的“深研”。由“淺”入“深”，既有利于學生發現八音盒的核心技術，更是對逆向工程中重要分析方法的學習，即由整體到核心。

五、創——在設計與創新中拓寬學習維度

在學生拆解和研究之后，教師提出挑戰任務：設計并制作一個可以播放指定樂曲的八音盒。跟常見的STEM教學中工程設計階段的開放式任務不同，這是一個半開放式的挑戰任務。逆向工程的本質是模仿創新，模仿創新有兩條路徑：一是掌握核心技術并應用于他物;二是受到原產品的啟發，形成根本性創新設計。在完全創新之前這樣的仿創是必要的，既能夠讓學生保持持續研究的興趣，又能給學生提供創造的空間。學生完全掌握八音盒的核心技術后，創新對他們來說將不再是難事。

本課教學不僅是讓學生仿創八音盒，更重要的是借助八音盒的分析教會學生一種分析較為復雜產品的方法，希望學生可以運用這種方法分析生活中更多的物品，運用逆向工程思維找到工程產品的核心技術，完成產品的根本性創新，從而拓寬學習的寬度與廣度。

適合學生的逆向工程教學的根本目的是提升學生工程素養。如果說對八音盒的系統分析是明線，那“玩→猜→拆→研→創”這樣符合學生心理的逆向工程教學就是本課的暗線。雙線并進既在對八音盒的系統分析中潛移默化地培養學生的工程思維，又在適合學生年齡特點的逆向工程實踐中鼓勵學生積極參與工具和材料的使用，靈活掌握工程方法，提升學生的工程素養。

我們常常覺得一節課或者幾節課下來學生需要做出某個物品或者理解某個科學概念，但在這個過程中學生思維方面的獲得更重要。但是任何一個項目的實施都是需要時間的，對教師、對學生都是一個挑戰。“玩→猜→拆→研→創”這一逆向工程教學模式突破短周期工程設計的難點，為更多工程實踐課程的實施提供了可參考的模式，也為學生認識復雜產品提供了一個較為成熟的方法。郝京華教授指出，我們對工程實踐課堂的研究與世界平齊，只要我們勇于對傳統課堂發起挑戰，那么工程實踐教育將不斷產生新的飛躍。

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）[S].北京：北京師范大學出版社，2022.

[2] 胡衛平.在探究實踐中培育科學素養——義務教育科學課程標準（2022年版）解讀[J].基礎教育課程，2022（10）：39-45.

[3] 邵鋒星. 小學階段如何培養學生的技術素養與工程思維[J]. 人民教育，2021（Z3）：99-102.

*該文為南京市“十四五”重點規劃課題“小學教師研究型文化建設的實踐研究”（LZD/2021/03）、“主動聯結：兒童科學學習新范式的區域研究”（LZD/2021/68）的研究成果