新課標下小學科學課工程教學實踐研究

錢偉鋼 上海市松江區泗涇第五小學

一、小學科學課工程教學面臨的挑戰

在小學階段開展工程教育，有助于提高學生關注實際生活中的真實問題，有助于學生積累解決真實問題的經驗，提高學生解決真實問題的能力，增強他們工程思維和工程實踐的能力。2017 年版小學科學課程標準頒布以后，關于學生工程思維培養、科學課工程教學的研究偶爾可在雜志、網絡上看到，但整體而言，工程教育的資源比較稀缺，在一定程度上使得相關教師對小學生工程教育的重視度不夠，實施效果不太理想。《義務教育科學課程標準（2022 年版）》（以下簡稱“新課標”）將“工程與設計”領域的三個主要概念單列出來，將工程教育的重要性提到了新的高度。我國基礎教育階段的工程教育尚處于起步階段，沒有成熟的課程設置與師資配備，也缺乏相對權威可靠的課程資源。盡管教師在教學過程中可能會指導學生進行技術方面內容的學習與應用，但顯然沒有達到新課標中“技術與工程實踐能力”所明確規定的要求，因此對于絕大部分小學科學課教師而言，工程教學內容依然是相對陌生的，這對他們將是一次全新的挑戰。

二、小學科學課工程教學流程的設計

（一）小學科學課工程設計過程

小學科學課中的學生工程實踐，并不是以要求學生完成工程產品的量為目的，更多的是讓學生經歷設計到解決方案的多個路徑，包括決策、評估、修改、測試和重新測試，也就是要學生經歷工程設計的過程。工程設計是運用工程原理和知識去滿足一種實際需要的活動，它需要在有明確結果要求的情況下，在尋求解決問題方案的過程中遵循系統的方法，工程設計過程也是工程思維最好的體現與實踐。新課標也明確要求學生具有初步的技術與工程實踐能力，“知道工程需要經歷明確問題、設計方案、實施計劃、檢驗作品、改進完善、發布成果等過程”，這六個要素是工程設計活動的主要階段，是對工程設計過程的高度概括。根據新課標中關于工程設計活動的要求，制定了小學科學課工程設計過程引導表（見文后表1）。

其中，“學生工程實踐具體流程”對應新課標活動要素細化了學生工程設計活動過程，“工程學習目標”根據新課標中課程目標、核心素養學段特征、課程內容、學業質量等關于工程實踐過程的具體描述確定，“教師指導建議”則主要根據新課標課程實施教學建議的要求確定。工程設計過程引導表的設計有助于教師了解學生在經歷某一工程過程時的具體活動目標，其中工程學習目標是針對小學六年級學生工程實踐的最高標準。

（二）學生工程實踐流程設計

學生工程實踐流程的確定，可以幫助教師引導學生在具體工程實踐中遵循結構合理的設計過程，因為它為形成可能的最佳解決方案提供了框架結構，遵守設計過程的行動本身幫助學生建立了解決問題的能力和邏輯。根據新課標中學生工程實踐能力目標，結合小學科學課工程設計過程，參考建構主義以及教學模型等相關理論，以螺旋進階理念，設計了小學科學課學生工程實踐流程圖（見圖1）。流程以新課標工程設計活動要素作為工程活動階段的劃分依據，細化了學生工程實踐的具體活動步驟。

圖1 學生工程實踐流程

熟悉學生工程實踐流程，便于教師開展基于教材或自選內容的工程教學設計，并能夠基于真實的問題情境，面向全體學生，運用跨學科知識去解決問題，教師能夠關注到學生在各階段中的工程表現，通過表現與作品進行多角度多維度評價。同時，借助學生工程實踐流程，教師也能夠引導學生在工程實踐活動中參與團隊合作，不斷提升發現問題、解決問題的探究實踐能力，重復設計、迭代制作的工程思維能力也能得到鍛煉與加強，符合新課標核心素養的具體要求。

三、“有效的隔音墻”教學實例

“有效的隔音墻”一課屬于上海遠東版教材第五冊第五單元《無處不在的聲音》中教師自主設計的工程教學內容。該內容是在學生已經初步構建了有關聲音的知識體系的基礎上開展的，即學生已經通過探究理解了物體振動與物體發聲之間的聯系，認識了聲音的產生與傳播、聲音的變化和噪聲等簡單聲學現象，了解了基本工程設計的一般過程并經歷過簡單的工程實踐。

學生工程實踐的主要過程如下：

（一）明確問題 討論調研

教師創設真實情境，即學校附近的高速公路跨線橋高峰時汽車通行產生的噪聲污染對周圍居民產生了一定的困擾，希望能夠找到解決問題的方法，從而引發工程需求。學生在組建工程團隊以后開展討論，確定需要解決的是居民的噪聲問題。解決的方法很多，如居民在高峰時期帶上耳罩、居民樓墻內外加裝隔音層等。通過匯總討論，發現最為合理可行的方案是在高架橋兩側安裝隔音效果更好的隔音墻。同時，教師也在這個階段提供工程活動過程量表，幫助學生明確需要進行的過程性評價以及相應的評定等級。

（二）確定標準 明確約束

教師引導學生思考設計制造“有效的隔音墻”裝置會受到的限制，怎樣的隔音墻才能達到預期的效果，如何檢測，是否能達成設計意圖。教師出示了高架橋模型，提供了可供選擇的制作材料，包括有機玻璃板、厚紙板、木片、脫脂棉、薄泡沫板等，對這些材料標示了經過測試所得到的隔絕噪聲的效率，并對不同材料根據大小、材質、隔音效果等因素確定了各自的“價格”，同時教師還明確工程造價的最高限額。教師在確定材料與價格前進行過適當的計算與調整，避免“絕對優勢”材料的出現，從而產生需要學生在總價范圍內對材料減噪效果與價格進行權衡再選擇的效果。學生工程團隊根據之前學習的噪音檢測的方法，通過討論和教師共同確定了檢驗工程作品優劣的標準，這些條件包含了減少噪音的量、工程總價格、工程“建造”難度、隔音墻的美觀程度等。

（三）選擇方案 創建設計

學生工程團隊展開頭腦風暴，在組內研討過程中各自提出各自認為可行的隔音墻的制作方案，有的參考現有的模式在高架橋兩邊制作弧形有機玻璃板，有的想把整個高架橋面全部包裹起來，有的則考慮參照劇院內墻的設計利用“吸音”材料來進行制作，有的嘗試通過草圖的方式解釋全新的“建造”方案……教師鼓勵學生在工程團隊內部借助表格、草圖、示意圖等各種方式說明、介紹各自的設計思路，并引導學生根據工程問題的限制條件等比較多種可能的解決方案，初步判斷其合理性，通過團隊內部投票表決等形式確定最終的設計方案，并對方案進行修改與完善。設計方案中要求列出使用的材料，畫出圖示并用文字進行簡單說明。同時，要求在設計圖上簡單標記每個組員貢獻的想法，或者沒有被采納的意見，所有組員的名字必須出現在設計圖上。

（四）實施計劃 建立模型

學生根據已經確定了的工程設計方案進行隔音墻的制作，這需要考驗學生的動手能力、計算能力以及邏輯能力。學生嚴格按照所選定的方案開展活動，分工合作，在規定時間內根據方案中所選定的材料，選擇合適的工具，利用已經掌握的技術方法按照既定步驟實施工程計劃。學生在制作過程中需要通過計算并記錄所耗費的材料的大致價格，以控制制作成本。同時，學生還需要根據教師提供的記錄單，利用之前已經掌握使用方法的聲級計測量并記錄模擬發聲裝置工作時“高架橋兩側居民區”的初始分貝值，為下一環節測試與檢測提供初始數據。計劃實施過程中，工程團隊的組長需要調控制作時間，每一個團隊成員都要求貢獻自己的力量。

（五）測試檢驗 構建數據

工程團隊根據第二階段確定的工程核驗標準，利用教師提供的工程活動記錄單，使用聲級計按照實驗的操作要求團隊合作開展工程作品——隔音墻的測試工作，通過多次測試并記錄下測試分貝值，通過計算得出所減少的分貝值并計算平均值，從而初步判斷自己工程作品的工作效果。教師需要保證活動場所本身的噪聲控制，并鼓勵學生進行多次測試，以確保數據的準確性。

（六）分析證據 優化設計

工程團隊集體整理真實記錄的隔音墻噪聲減少的相關測試數據，分析隔音墻的隔音效果。根據分析結果判斷設計方案中材料選擇和制造方式的正確性，討論價格限制范圍內更好的制作方案以及隔音墻制作工藝等方面可能存在的問題。總結工程團隊作品存在的缺陷，并能夠寬容地對待作品存在的缺陷。教師引導學生分析檢測所發現的作品問題，根據這些證據對作品進行有針對性的改進。例如，離成本邊際還比較遠的情況下，引導學生增加隔音材料以提升隔音效果；在高架橋制作條件許可的情況下，改變隔音墻的設計樣式等。同時鼓勵學生根據作品缺陷開展第二次設計，為迭代制作做準備。當然，部分團隊的作品經過分析，改進的余地很小或者近乎完美，則可以直接進入最后的成果展示階段。

（七）迭代制作 測試論證

在條件許可且有必要的情況下，引導工程團隊根據需求從原初的工程問題出發，修改隔音墻的設計圖紙，重新設計方案并根據新圖紙再次制作或改進隔音墻，并對新的工程作品進行測試檢驗，再次分析數據，幫助學生養成“問題—改進—新問題—再改進”的習慣，并在限定的時間內最終完成工程方案與工程作品。可以要求工程團隊在不影響工程作品性能的前提下適當美化自己的工程作品。

（八）成果發布 交流展示

在所有工程團隊完成工程作品后，教師組織召開發布會或展覽會，引導各個工程團隊通過現場介紹的方式發布并展示各自團隊制作完成的隔音墻，介紹自己隔音墻所能減少的噪聲數據以及耗材的價格，介紹團隊成員在活動中的主要貢獻以及工程活動過程中的心得和趣事。教師引導各個團隊公正客觀地根據工程約束條件等對其他團隊的作品進行公開評價，并進行現場投票和評選，教師表彰優秀團隊和優秀的“有效的隔音墻”作品。

新課標的頒布與實施，進一步凸顯小學科學課開展工程教育的重要性。依據新課標中關于工程活動各要素制定了工程教學設計過程，厘清了學生工程學習的活動流程，明確了教師工程教學各個階段的活動并提供了具體的指導建議，希望可以為教師工程教學設計提供借鑒，為工程教學實施提供指引。

表1 小學科學課工程設計過程引導表