在實驗教學中培養學生工程思維能力

◇陳寶桂（福建：德化縣實驗小學）

隨著我國新課程改革的全面推進，在小學科學教學活動中，教師更加注重培養學生工程思維，這也成為當前教學中新的風向標。小學科學教師在課堂上，加強學生對知識的摸索、發現、探究、推理等方面能力的培養，不是淺層地探究，而是更深層次地領會知識，引導學生在科學知識的海洋中探索發現，培養和鍛煉工程思維。在科學課堂上，教師要脫離以往傳統教學的理念、方式，要對課堂教學重新調整，引入全新的多元教學模式，注入新鮮元素，要充分調動學生在課堂上的積極性和行動力，引導學生積極探究，鼓勵學生腦、手、眼協調，要給予學生充足的實踐時間，加強對學生工程思維的培養。

一、工程思維的內涵及特征

工程思維，從字面理解，具有較強的邏輯性、規范性、程序性等特點。工程的理論知識—設計—創新—動手—驗證等一系列操作，需要學生具備較高的綜合素質。總體來說，工程思維主要根據特定的目標，參照一定的標準和規范來開展設計創新，再投入生產或建設，最后制造出產品，投入應用。在此期間，我們要讓學生了解工程的來龍去脈以及相關的流程，幫助學生搭建完整的知識構架，并參與實踐。工程思維具有以下特征。

（一）現實性

工程思維注重前期的籌劃，要深入分析其可行性，并要具備一定的預見性，能夠把握潛在可能性、現實可行性，找準轉化契機，處理工程預想與現實狀況之間的矛盾。工程思維能將客體對象轉化為與主體價值相符合，且明確主體價值的意圖，其現實性特征，充分表明工程建構這一活動，能真正考驗一個人是否有真才實學和能力。

（二）創新性

可以說，工程思維中的創新性與以往的創新思維有一定的差異。工程思維中的創新性有方向、有目標、有空間感，更注重標準性和操作性；而創新思維需要豐富的想象力，更有跳躍性、求異性等顯著特點。

（三）綜合性

工程思維具有系統性、復雜性的特點，與理性思維截然不同。理性思維求實、注重實證。而人們在開展工程活動時，應當結合即將建造或建構的對象，制定明確清晰的目標，將活動本身與自然、社會、經濟等多方面元素糅合起來，把工程系統擴大化。也就是說，工程思維是一種從應該做到如何做的思維活動，非常真實、具體、理性，需要具備較強的推理能力、判斷能力、選擇能力。

二、學生工程思維能力培養的意義

當下的小學科學教學活動，基本上還是以“理論+實踐”的方式呈現在學生面前，而多半是一些科學小實驗，以幫助學生鞏固理論知識，引導學生專注學習。但學生的思維能力并沒有得到充分發揮，在課堂上缺乏探究意識，疏于培養工程思維。筆者發現，科學這門課程在小學階段的學科地位一直處在邊緣化，甚至有的學校開展科學活動就是為學生播放一些動畫視頻的實驗，有的還會被其他學科所擠占，實驗操作活動少之又少，為了理論而學習，為了實驗而操作，學生學習起來缺少認知、缺少激情，這不利于小學生綜合素養的提升和發展。如果在小學科學教學活動中，能夠引入工程思維，課堂教學質量就能得到極大的優化與提升。為此，教師要對每節課程進行多元設計，結合學生自身特點以及實際學情，通過工程思維來搭建學生與科學知識間的橋梁，讓學生在科學知識的海洋中探索、深思，探尋科學的奧秘，感受科學的樂趣。這樣，在教師的引導下，就能充分調動學生在課堂上的主觀能動性，真正讓學生體會到“玩中學”“學中探”“探中思”。教師要采用科學的方式組織學生參與實驗項目的學習，幫助學生構建工程框架，鞏固科學知識，探索科學原理，提升學生工程設計、動手操作技能，培養學生思維推理、建模能力。除此之外，科學教師還可以引入生活中一些工程案例，將實際問題引入課堂教學之中，從理論延伸至實踐，跨越到真實的工程案例中，讓學生邊動手、邊探究。因此，在小學科學教學中，教師要注重對學生工程思維的培養，引入科學、工程、技術等方面的內容，打造一個全新的教學模式，促進學生工程思維能力得到全面發展。

三、學生工程思維能力培養的方法

工程思維是在工程設計過程中形成的一種獨特的思維方式，主要用以解決實際問題，具有明確的方向和目標，并融入創新性、實踐性、推理性思維。通過鞏固知識、材料搜集、統籌安排、權衡利弊，引導學生從不同角度分析問題，學生的思維空間得到拓展，學生綜合思維能力得到提升。

（一）教學解讀——在實驗中探索

在小學科學教學中，教師可以采用課題任務設置的方式，引導學生通過所學知識來自主設計任務，理論與實際緊密聯系，通過實踐操作強化學生手腦協調能力，并在實踐操作中來培養學生工程思維。這樣，不僅能夠營造良好的課堂環境，幫助學生降低學習難度，還能將學生的學習興趣充分激發出來。學習的目的并不僅僅是能夠取得優異的分數，而是將所學知識內化于心，并能通過掌握的知識來解決實際問題，提高解決問題的能力。小學科學任務設計，能不斷挖掘學生潛在能力，培養學生動手操作能力，用學習任務來調動學生主觀能動性，從而實現學以致用的教學目標。在各行各業，工程思維的運用十分廣泛，將其體現在整個課堂教學中，培養學生從小就具有工程思維，將對學生未來的成長、學習、工作有極大的幫助。因此，學習科學不能停留在了解層面，同樣一個科學實驗，不同的思維、不同認知會產生不同的結果，教師要引導學生，跳出“知道”“了解”這層舒適區，對科學學科進行全面解讀，把所學每一個知識、做過的每一個實驗都要嚼碎、揉爛，將其拆解成一個個細小的零部件。就好比拆卸一臺手機，可能會很快地將手機全部拆卸，但再把手機重新組裝回去，不是僅靠簡單地了解就能完成的，而是需要親自嘗試、實驗、摸索，一遍又一遍地總結經驗，在實驗中探索。

小學生具有較強的好奇心和探索欲，組織學生開展合作學習任務的設計，能激發學生的學習興趣和熱情，讓學生在課堂上暢所欲言、盡情發揮，相互之間交流溝通、交換思維，每個人敢于質疑，發表自己的看法，在課堂上擦出思維之火，在實踐中見證科學奇跡。

例如，在開展小學科學實驗活動中，組織學生參與“制作凈水器”這一實驗，在教師引導下，讓學生通過合作學習的方式來設計制作凈水器的方案，為了推導出凈水器的原理，每一個環節、每一步驟都需要設計出相應的圖形。在實驗活動中，學生相互交流、相互探究，完成設計方案后，梳理流程，需要一步步去驗證、修復，通過探究思考、實踐驗證，反復操作，最終在合作努力下完成實驗制作，從而實現培養學生工程思維的目的。與此同時，實驗成功后，邀請組內學生結合實驗方案、實驗操作，詳細地講述制作凈水器的過程，相互分享各自的心得體會，并在交流過程中彌補自身不足，相互促進。這樣，就在有效提升課堂教學效率的同時，提升了學生工程思維水平。

（二）教學優化——在實驗中升華

在科學教學活動中，教師可以為學生提供相應的原材料，引導學生運用原材料來自主搭建工程模型，使學生的思維更加活躍、靈敏，在實驗操作過程中學有所獲。由于小學生年齡尚小，理解能力欠佳，在小學科學教學中，有很多知識學習起來比較抽象，小學生知其然不知其所以然，很多知識只是停留于表面，不能完全理解。教師采用自制教具的方法，讓學生能夠親自體驗和感受，從而降低了學生學習難度，由被動學習轉變為主動學習，保持了高漲的學習熱情。自制教具的過程，能夠培養學生腦、手、口、眼協調性，學生之間共同交流溝通，自主探究、深入思考，發現科學實驗的奧秘，用自己的方式解決實際問題。在制作教具的過程中，學生能不斷鞏固舊知識，接受新知識，激發創新思維，結合自身認知，通過多種渠道自主搜集不同材料，在教師的科學指導下，學生能將所學知識靈活運用到實際中。教師要鼓勵學生大膽猜想和創新，相互交流、交換思想，將科學知識更完整地呈現出來，有效提高小學科學教學的有效性。在科學實驗中，學生手腦并用，有助于提高探究力、實踐力、學習力，建立正確的科學觀，與此同時，還極大地優化了課堂教學，豐富了教學內容，提高了學生工程思維能力。

例如，在教學“船的研究”這一單元時，該單元的第六課《設計我們的小船》由三大部分構成：第一，明確任務；第二，制訂方案；第三，相互交流。旨在讓學生結合所學知識來按照基本流程、步驟制作一艘小船，在設計上融入自身的想法和創意，以設計圖、模型等方式呈現出來。在小船的搭建過程中，學生需要綜合運用所學知識，提高解決問題的能力，并能多角度地分析問題，確保小船的質量。在制作過程中，我們要求學生充分體會設計對工程的重要性，并能虛心聽取他人意見、采納更好的想法來進行設計上的修改。同時，在本節課程安排中，教師鼓勵學生自主搜集材料，如：泡沫板、鋁箔、小電動機、風扇、導線、開關等一系列相關材料和用具。要想制作一艘質量高、顏值高的船，就應當先從設計入手，這就需要教師在課上加強引導，讓學生結合所學知識和學習經驗進行設計，并繪制出草圖，在課堂上進行交流與探究，培養學生的邏輯思維能力和知識應用能力，有效提高課堂教學質量。

綜上所述，在小學科學教學中，學生工程思維能力的提高，能夠為學生帶來更好的學習環境、學習體驗、學習效率，讓學生在學習過程中獲取更多的知識，學會自主探究、深入思考、交流討論。教師要堅持科學嚴謹的教學態度，運用現代教學觀念，注重對學生實踐動手能力和工程思維能力的培養，推動現代科學課程教學活動開創新的格局。