聚焦關鍵要素，培養學生工程實踐能力

工程實踐活動的有效實施能夠增強學生的工程實踐能力、培養學生的科學品質，更能促進學生核心素養的真正發展。科學課程標準將“工程設計與物化”的內容納入科學核心概念之中，并明確了工程實踐活動的一系列關鍵要素，包括明確問題、設計方案、實施計劃、檢驗作品、改進完善、展示成果等。蘇教版《科學》教材中專門設置了如小小工程師、項目化學習等專項學習內容，這些內容需要用到工程實踐活動的學習方式。在“立體小菜園”項目教學中，為了能更好地開展工程實踐活動，我們逐步形成以明確工程問題、設計實踐方案、制作和完善模型、物化和展示成果這四個關鍵環節為基礎的教學流程（如圖1）。

一、明確工程問題

1.結合生活需求

在開展工程實踐活動之前，教師要引導學生明確工程問題。首先，了解需求，這里的需求可以是學生個人的需求、也可以是社會共同的需求；然后，結合以上需求明確要解決的工程問題，并且將工程問題轉變為工程實踐活動任務。[1]例如，在野外生活中，電源是人們共同的需求，由此明確“如何在野外擁有電源”的問題，提出制作水力發電機的任務。

2.創設主題情境

教師在教學中可以創設一個真實的主題情境，如故事情境、實驗情境、生活情境、問題情境、科學史情境和討論情境等，讓學生在情境中明確工程問題，提出將要實踐的工程任務。這可以激發學生的興趣，也可以激發他們的學習動機。

在“立體小菜園”項目的導入環節，教師提供“人口多、耕地少”的閱讀資料或視頻資料，讓學生了解到解決糧食短缺的社會需求，并以圖片的形式出示“立體農場”的概念。在了解“立體農場”優缺點的同時，學生知道了蔬菜、水果等農作物可以在高層建筑中種植，從而思考如何將“立體農場”遷移到每個家庭的陽臺，并將其轉化成工程實踐任務：在陽臺建造一個“立體小菜園”。這樣一來，學生將要實踐的工程任務不是教師直接給出的，而是來源于根據社會需求提出的工程問題。

二、設計實踐方案

設計實踐方案是工程實踐活動的靈魂，是工程物化的前提條件，指引著工程實踐的方向。工程設計不同于科學探究設計，它不僅要考慮科學因素，而且要考慮技術因素、環境因素、經濟因素和文化因素等（如圖2）。除此之外，教師要培養學生運用設計圖紙、材料選擇、經費核算等外顯的表達形式，促進他們工程設計能力的提升。[2]

1.分析任務，做好前期研究

工程問題往往較為復雜，需要使用一種或者多種資源，包括諸多為了解決該問題所需要完成的相互獨立、相互依賴、相互聯系的活動，通常具有系統性、多元性和開放性等特征。如果直接讓學生設計方案，會有較大難度，讓他們無從下手。因此，教師在教學中要培養學生采用系統、多元和開放的思維方式去考慮各種因素。在設計實踐活動方案之前，教師先引導學生分析工程任務，思考可能會遇到什么問題，需要知道哪些信息，再根據實際情況將工程問題分解為諸多的小任務，鼓勵他們明確分工、人人參與，圍繞一個小任務進行大量的前期研究，并在小組中分享交流各自的前期研究，集思廣益，共同商討可行方法，為后續設計實踐方案做好鋪墊。

在“立體小菜園”項目任務分析環節，教師引出問題“在陽臺制作一個立體小菜園可能會遇到什么問題，需要考慮哪些方面的內容？”，并鼓勵學生結合前期研究學習單（如圖3）盡可能多地列出需要前期研究的內容，進行分工合作。通過資料的收集、小組交流討論等活動對每個方面的內容進行研究，如“選擇適合在陽臺種植的蔬菜”“選擇適合陽臺種植的容器和土壤”“陽臺種植技術有哪些”“如何實現立體化種植”等，讓學生在小組初步統一意見，商討出可行方法。值得注意的是，在收集“立體小菜園”的各方面信息時，教師要引導學生盡可能多地收集，充分發揮思維的開放性，發展他們的創造性思維。

2.集思廣益，設計方案和圖紙

基于前期研究，小組內集思廣益、商討方法，初步形成一些可行方法，設計具體制作方案。當然，工程任務的完成是要有一定標準的，在設計方案之前學生要明確怎樣的設計才算是成功的，如產品效果、質量牢固、節約材料等。同時，為了方便學生設計制作方案，教師可以為他們提供“超市化”的材料清單，鼓勵他們從中選擇合適的材料，并采用圖文結合的方式展示。在畫示意圖時，教師要引導學生標注使用到的科學知識、各部分的結構、主要功能和科學原理等。在這個環節中，學生的工程設計思維能力得到了發展，具體表現為科學知識應用、圖紙設計、材料選擇、成本計算等。無論哪一方面都是工程設計思維的體現，但學生在這些方面的基礎比較薄弱，所以教師在教學中要循序漸進，幫助他們提升工程設計思維。[3]

在“立體小菜園”項目設計環節，學生根據在陽臺建造一個立體小菜園的任務，提出了眾多需要前期研究的小任務，如選擇適合在陽臺種植的蔬菜、選擇適合陽臺種植的容器和土壤、陽臺種植技術有哪些、如何實現立體化種植等。教師提供大量的文字、圖片和視頻等閱讀資料，學生結合前期研究學習單，將收集到的信息匯總，并與小組成員分享交流，從而商討出在陽臺建造立體小菜園的可行方法。如在解決“如何實現立體化種植”這個小任務時，學生通過查閱資料、借鑒已有經驗等方式，明確需要制作一個能放在陽臺的立體種植架。教師先引導學生獨立畫出立體種植架的設計圖，然后在小組中交流討論，形成小組共同認可的方案，并畫出小組設計圖（如圖4）。這里的設計圖不僅要有立體種植架的外觀設計，還要細化到具體的材料、大小、高度、長度等信息，使其具有可操作性。在這個過程中，學生逐步養成用設計圖紙表達設計思路的品質。同時，對于制作材料的選擇、成本的計算等問題，教師要進行針對性地指導，循序漸進地發展學生工程設計的思維能力。

三、制作和完善模型

制作和完善模型是實施工程實踐方案的重要手段之一。該環節中，學生要嚴格按照設計方案制作模型，再結合評價標準檢驗模型，最后改進完善模型，為物化和展示成果打下堅實的基礎。

1.依據設計方案，制作模型

模型制作的過程是檢驗設計方案可行性的重要環節，是設計方案與物化成果之間的重要中間環節。制作模型時，學生要嚴格遵照設計方案，這有助于他們熟悉制作方法和流程、熟練工具的使用，而且有助于他們發現設計方案中可能存在的不合理之處。在修改方案的過程中，教師要重點讓學生解釋修改的原因，為接下來實際工程物化的過程做好充分準備，并初步發展學生的工程物化能力。

制作“立體小菜園”模型時，針對“如何實現立體化種植”這一任務，教師為學生提供了“超市化”材料，要求他們根據具體情況填寫“模型制作材料使用情況記錄表”（見表1），樹立節約成本的意識。當學生在制作過程中發現工程設計的不足之處時，教師引導他們及時修改，并說明修改理由。例如，有的小組設計的立體種植架是垂直的四層型，在制作過程中他們發現垂直結構不利于植物的生長，遂將其修改為“樓梯狀”的四層型，并標注修改的原因。

2.設計評價標準，檢驗模型

檢驗模型并改進完善是工程實踐活動的關鍵環節，它可以促使實踐方案和模型不斷迭代，發展學生的創新思維能力。為了幫助學生有目的地檢驗模型，教師要幫助學生設計評價標準，如產品效果、牢固穩定、節約材料、分工合作、后期維護計劃等，同時采取形式多樣的評價手段。當學生檢驗成果之后，發現小組制作的模型存在可以改進的方面，教師及時引導學生進行設計方案和模型的改進，為接下來完善模型提供理論基礎。

在“立體小菜園”項目的評價環節，學生結合檢驗評價表（見表2）開展自評和互評活動。在這個過程中，學生能發現小組的模型可以改進的方面：

首先，選擇適合種植的植物，需要考慮植物的生長習性與陽臺和種植盆中的環境是否適應，這體現出對科學要素的考慮；

其次，設計“立體小菜園”的立體化形式，無論是制作種植架，還是與陽臺構造相結合進行立體化設計，均需要考慮到技術要素；

再次，在選擇搭建材料時，無論是金屬材料，還是木質材料，甚至是PV水管等，除了要考慮材料的結實程度之外，還要考慮材料是否經濟實惠等要素；

最后，教師要鼓勵學生對設計的立體小菜園進行裝扮，使它變得更加美觀。如有小組的立體種植架選擇的是PV水管，他們通過檢驗發現這種材料制作的立體種植架在“牢固穩定”方面只打了兩顆星，而其他小組選擇的金屬材料雖然在“牢固穩定”方面打了三顆星，但是“節約成本”方面卻只有一顆星。經過交流、討論，學生決定將立體種植架的制作材料改為木質材料，木制的立體種植架不僅牢固、穩定，而且成本較低。

3.發展創新思維，不斷改進完善模型

創新思維是學生必備的關鍵能力之一。首先，在工程設計環節教師要注重引導學生討論方案，鼓勵他們盡可能提出更多的方案，或是與別人不同的想法，使他們的設計思維具有跳躍性和求異性，觸發思維的碰撞，產生創新的火花；然后，當學生發現模型存在各方面的不足或需要改進的地方時，教師要鼓勵他們自主改進設計方案，或借鑒其他小組的成功經驗。在此過程中學生可能會發現更多新問題，教師要引導他們學會反思，尋找原因，改進完善，使整個工程實踐成果不斷迭代更新，從而不斷培養他們的創新思維。[4]在不斷經歷設計、制作、改進、再設計、再制作的過程后，學生的工程實踐能力會得到有效發展。

在設計“立體小菜園”的階段，無論是植物、種植盆的選擇，還是立體小菜園的模型設計，教師都要讓學生在收集大量資料的基礎上，在小組中充分進行“頭腦風暴”，不斷優化。教師設計模型評價方案（見表3）幫助學生對小組制作的模型進行自評和互評，取長補短，促使模型不斷改進和完善，從而逐步發展創新思維。如有學生提出可以種植黃豆，因為黃豆種植難度低；有學生提出黃豆雖然易于種植，可是由于陽臺的空間限制，黃豆的產量將會很低；有學生提出可以種植小青菜或葡萄……學生針對一個方面充分討論，不斷優化想法。

四、物化和展示成果

1.結合模型，物化成果

工程實踐能力的核心內容是工程物化能力的發展，只有讓學生真正參與工程實踐活動，才能逐步發展他們的工程物化能力。當成果的物化過程很難在課堂教學中完成時，教師可以在學校科技社團活動時帶領學生完成，或是鼓勵他們利用課余時間進行工程實踐。在學生物化成果的過程中教師要給予充足的支持和幫助，如提供工程物化過程中需要的材料和工具等，同時，鼓勵他們人人參與、相互合作，最終制作出與模型相符的成果。

在建造“立體小菜園”的過程中，教師引導學生經歷了從工程問題到物化成果的整個實踐過程，認識了工程實踐的一般流程。特別是在物化成果的環節，教師提供了大量的制作材料和工具，如木料、釘子、花盆、各種類型的土壤、各種蔬菜水果的種子和幼苗、錘子、螺絲刀等。教師可以結合學校科技社團活動，讓學生有充足的時間和空間制作。該環節的建造不同于之前的模型制作，不僅需要建造“立體種植架”，還要選擇適合種植在陽臺的植物種子或幼苗，以及種植的容器和土壤等。教師可以在科學實驗室或者社團教室開辟出一塊類似陽臺環境的位置，方便學生放置建造好的“立體小菜園”，方便督促他們后期對“立體小菜園”進行維護、照料種植的蔬菜、水果等，使工程實踐活動得到延續。在這個過程中，小組成員要分工明確、人人參與。

2.充分展示交流，回顧工程實踐

教師要開展形式多樣的活動讓學生展示、交流物化成果。通過展示交流，學生可以取長補短，使自己的設計和物化過程更加優化，而這樣的活動往往會被教師忽視。因此，教師要重視開展形式多樣的展示交流活動，如成果發布會、展示櫥窗、舞臺表演等。在展示交流活動中，學生要通過產品說明書、演講詞、劇本、圖片、視頻等多種方式來推介自己的成果。同時，教師也可以組織學生對其他小組作品的設計、物化的質量以及推介的表現等通過投票來評優或表彰，充分調動學生的積極性。[5]

當每個小組都完成“立體小菜園”的制作之后，教師設計了一場“成果發布會”（如圖5），讓學生將“立體小菜園”的設計方案和物化過程以及過程中的感受展示出來。有的小組精心設計了“成果說明書”，有的小組制作了PPT，詳細介紹了“立體小菜園”各方面的情況，還有一個小組設計了“相聲表演”的節目來介紹“立體小菜園”。針對學生的創意展示，教師及時組織學生現場投票，分別評選出“最佳成果獎”和“最佳展示獎”。同時，學生在展示交流中也發現了自己小組的物化成果還有更多可以改進的地方，使新作品的迭代有了更多的可能，發揮了他們的主觀能動性。

參考文獻

[1]狄倩倩.巧用工程思維優化探究性教學——以三年級《做個小茶包》為例[J].科教導刊，2021（06）.

[2]孟王芳.以有效設計助推工程思維提升[J].啟迪與智慧，2018（11）.

[3]芮春花.科學教學中“逆向工程”教學模式的建構[J].教育與管理，2022（20）.

[4]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）.

[5]張軍霞.把握技術與工程領域的教學[J].科教導刊，2021（24）.