基于工程思維教學(xué)“船的研究”

工程思維是科學(xué)教育的一個重要目標，每一冊教材中都有單元將工程學(xué)習(xí)列入單元學(xué)習(xí)的最終目標。但當(dāng)下科學(xué)教材中的實驗大多仍是驗證性實驗，這種實驗方式只能讓學(xué)生以固有的思維去證明實驗的結(jié)論，難以發(fā)揮他們的主觀能動性，激發(fā)他們的學(xué)習(xí)積極性。在“船的研究”單元教學(xué)中，我們嘗試在實驗教學(xué)中滲透對學(xué)生工程思維的培養(yǎng)，扭轉(zhuǎn)理論和實踐脫離、操作和創(chuàng)新分離、技術(shù)與科學(xué)背離等傾向。

一、把握工程思維特點，培養(yǎng)學(xué)生實踐能力

工程是既要基于科學(xué)和技術(shù)解決實際問題，又要考慮省時、省材、合理、可靠、美觀等多方面要求的復(fù)雜過程。它的操作過程是先指定某個目標，再按照工程的一般規(guī)范和設(shè)計準則投入生產(chǎn)和制造，最后以產(chǎn)品的形式作為工程的結(jié)果進行生產(chǎn)和建設(shè)。工程思維具有系統(tǒng)性、設(shè)計性、實踐性、跨學(xué)科性等特點，科學(xué)教師要牢牢地把握這些特點，培養(yǎng)學(xué)生的實踐能力。

1.系統(tǒng)性——培養(yǎng)分析權(quán)衡的能力

工程設(shè)計的一般步驟是先讓學(xué)生對某一具體情境或某一環(huán)節(jié)中的技術(shù)問題進行具體分析，得出解決問題的辦法，再利用模型建構(gòu)等方式開展設(shè)計活動。在工程整體設(shè)計中，學(xué)生既要考慮各個因素之間相互制約的關(guān)系，也要明確各項因素權(quán)衡的側(cè)重點。

在本單元中，學(xué)生需要系統(tǒng)性地考慮各種問題或限制，例如，船體多大比較合適？船型如何設(shè)計可以減少阻力？船體用什么材料？如何提高載重量和穩(wěn)定性？選擇什么作為動力？等等。在設(shè)計時，學(xué)生會發(fā)現(xiàn)這些問題之間是相互關(guān)聯(lián)制約的，需要綜合考量、系統(tǒng)分析。例如，如何在不改變大小的情況下提高載重量？安裝了動力系統(tǒng)后是否需要考慮它本身的重量？改變船的形狀是否會影響船的穩(wěn)定性？等等。

通過思考這些問題，學(xué)生鍛煉了系統(tǒng)分析能力和工程思維中的權(quán)衡能力，這不僅有助于提升他們的學(xué)習(xí)能力，而且提高了他們解決實際問題的能力。

2.設(shè)計性——培養(yǎng)迭代優(yōu)化的能力

工程的關(guān)鍵是設(shè)計。設(shè)計決定了工程能否順利實施，包括工程的目標、工程的流程、工程中所遇到的問題、工程的細節(jié)等，充分體現(xiàn)了學(xué)生的思維能力和創(chuàng)造能力。在工程實踐中，學(xué)生會不斷地發(fā)現(xiàn)問題、改進設(shè)計、解決問題，體會設(shè)計的重要性。

例如，在《設(shè)計我們的小船》一課中，學(xué)生在初期的設(shè)計往往是簡單的，而經(jīng)過多輪頭腦風(fēng)暴后，他們發(fā)現(xiàn)這樣的設(shè)計完全不能用于實踐。因此，學(xué)生改進設(shè)計，將船的動力系統(tǒng)、船的尺寸、船的裝飾等一步一步地增加到設(shè)計圖中（如圖1），最終完成設(shè)計。

在“再設(shè)計”的過程中，學(xué)生需要聚焦關(guān)鍵問題，看到自身的不足，針對問題能夠進行反思。只有經(jīng)過一次一次的迭代，學(xué)生才能設(shè)計出更精良的小船。

3.實踐性——培養(yǎng)動手動腦的能力

離開了實踐，設(shè)計就是紙上談兵。工程思維的培養(yǎng)要基于工程實踐，而實踐是檢驗工程設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。在課堂上，學(xué)生可以通過制作產(chǎn)品來實現(xiàn)自己的設(shè)計，這也是工程實踐的最終目標。

例如，本單元最后一課《制作與測試我們的小船》就是一節(jié)實踐課，課上學(xué)生將前面所學(xué)的知識運用到實踐中，為單元的學(xué)習(xí)畫上完美的句號。學(xué)生通過對照設(shè)計圖制作自己的小船（如圖2），體會到了工程實踐帶來的樂趣和成就感。

在這個過程中，學(xué)生深刻地體會到了技術(shù)對工程實施的重要性，也感受到了完成工程后的喜悅。在解決具體問題的過程中，他們絞盡腦汁，將自己的創(chuàng)新能力發(fā)揮到了極致，通過不斷地完善讓作品更加優(yōu)秀。

4.跨學(xué)科性——培養(yǎng)知識融合的能力

以工程思維的形成來描述技術(shù)與工程類實驗課的目標是最合理的，它啟示我們技術(shù)與工程類實驗不能只局限于運用科學(xué)知識和設(shè)計能力，而要更多地結(jié)合STEM教育，整合多學(xué)科知識，實現(xiàn)跨學(xué)科的融合。

例如，在設(shè)計小船的過程中，學(xué)生不僅需要知道如何使小船浮起來、如何增加船的載重量、使用什么樣的材料最合適、用什么形狀能減少阻力等知識，還需要結(jié)合美術(shù)知識，讓設(shè)計圖看上去更美觀，更需要融入數(shù)學(xué)知識，在比例格內(nèi)按尺寸畫出小船的大小，計算出小船的面積、體積與載重量。通過運用多學(xué)科知識，學(xué)生能更好地將工程思維與探究性實驗結(jié)合，將各科知識與生活實踐結(jié)合，使科學(xué)探究具有實踐意義。

工程思維的滲透要立足于真實的問題、學(xué)生的需求、感性的認識、思維的喚醒。只有讓學(xué)生切實解決生活中的問題，產(chǎn)生探究的欲望，在感受中尋找到樂趣，將自己的思維活力激發(fā)出來，基于工程思維的小學(xué)科學(xué)探究性實驗才有味道。

二、直擊工程素養(yǎng)目標，塑造特色實驗課堂

1.調(diào)整目標，以核心素養(yǎng)引領(lǐng)工程活動

核心素養(yǎng)是對科學(xué)素養(yǎng)的進一步深化，凸顯科學(xué)學(xué)科的本質(zhì)和育人價值。教師要立足課程標準要求、教學(xué)目的和學(xué)生的實際情況，預(yù)設(shè)工程實踐活動。在每個任務(wù)環(huán)節(jié)，學(xué)生的具體目標都應(yīng)體現(xiàn)一定的工程素養(yǎng)，最后才能進一步整合成指向工程素養(yǎng)的教學(xué)目標（見表1）。

單元學(xué)習(xí)以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)為主體，不斷展開，不斷深入挖掘，直到完成目標。例如，本單元的學(xué)習(xí)目標非常明確——制作小船。學(xué)生在探究的過程中一旦明確了評價要求，就會按照評價目標設(shè)計自己的小船。評價要求推動了學(xué)生的思維發(fā)展，要求他們通過合作，細心地設(shè)計、完善方案。學(xué)生在達成科學(xué)素養(yǎng)目標的過程中發(fā)展了工程思維。

教師要著眼學(xué)生的長期發(fā)展，培養(yǎng)他們解決復(fù)雜問題的工程思維，切實引導(dǎo)他們積極參與多維的設(shè)計活動，從而提升他們的工程思維能力。通過參加融合工程思維的科學(xué)實踐活動，學(xué)生了解了工程思維形成的過程，在以后的學(xué)習(xí)生活中更敢于嘗試解決問題，通過協(xié)同合作理性地分析問題，尋找最適合的解決方案。

2.轉(zhuǎn)換認知，以任務(wù)重構(gòu)科學(xué)概念

基于工程思維培養(yǎng)的教學(xué)是一個以任務(wù)重構(gòu)科學(xué)概念的過程。在舊教材中，教師以研究物體在水中的沉浮為起點，讓學(xué)生在已有概念的支撐下，以“造一艘船”的活動匆忙結(jié)束。而在新教材中，教師更多地以活動為主體，用活動架構(gòu)整個單元的內(nèi)容。

例如，學(xué)生從具體材料（木頭、橡皮泥、鐵制品等）和限制條件（載重量、小船行駛方向、小船的穩(wěn)定性等）等方面解決制作小船的困難。在工程建造的過程中，教師可以看出學(xué)生整個認知過程的變化，其思維是動態(tài)進階的。學(xué)生通過再設(shè)計和再制作，不斷修正自己的概念，從而構(gòu)建正確的科學(xué)概念（如圖3）。

3.優(yōu)化路徑，以立體研討實現(xiàn)課程架構(gòu)

在以往“技術(shù)與工程”的教學(xué)中，師生通常在40分鐘內(nèi)完成整個工程環(huán)節(jié)。而新教材把“制作小船”當(dāng)成一個單元框架，優(yōu)化設(shè)計制作活動的路徑，對技術(shù)與工程領(lǐng)域進行整體構(gòu)建，形成有層次、有聯(lián)系的單元活動體系（如圖4）。

在課堂上，只靠單個小組難以完成工程任務(wù)，學(xué)生需要交流互動、分享經(jīng)驗、交換觀點，對探究實踐過程中的各種信息進行深度加工處理。從組內(nèi)制訂目標到組內(nèi)交流設(shè)計圖，從向全班學(xué)生展示模型到小組間商討存在的問題，學(xué)生在展示交流的過程中評價和反思。在生生互動、師生互動的過程中，學(xué)生經(jīng)歷了“頭腦風(fēng)暴—自我反思—聽取建議”的研討過程，逐步架構(gòu)知識框架。

在思維碰撞的過程中，教師會沿著“討論、設(shè)計、制作、再討論、再設(shè)計、再制作”的路徑，實現(xiàn)課程化的內(nèi)容架構(gòu)，把課程內(nèi)容當(dāng)成一個小項目、小工程，從而有充足的時間在科學(xué)課堂上將工程思維滲透給學(xué)生。

三、運用工程思維方法，融入科學(xué)實驗課堂

本單元是典型的工程單元，它將制作小船時所涉及的知識貫穿在整個大單元框架中，將工程思維與核心素養(yǎng)要求滲透在每一課的教學(xué)中，在潛移默化、循序漸進中實現(xiàn)對學(xué)生工程思維的培養(yǎng)。

依據(jù)造船的要求展開研究，學(xué)生需要根據(jù)成本預(yù)算設(shè)計圖紙，并參照圖紙建模、再設(shè)計、再測試，在真實的情境中運用工程思維、新工具和新技術(shù)來完成實踐任務(wù)。通過層層遞進、不斷深入的活動，學(xué)生的工程思維逐步形成，培養(yǎng)了核心素養(yǎng)。

1.巧妙引導(dǎo)，啟發(fā)思維

工程活動起于思考，要點包括理念、要素、設(shè)計與結(jié)構(gòu)。每一個工程的開展都離不開它的核心理念，而核心理念直接決定了工程實施的方向。工程基于理念創(chuàng)設(shè)真實的情境，將會事半功倍。

（1）問題驅(qū)動，明確任務(wù)

在本單元的起始課上，學(xué)生已經(jīng)了解、認識了船的歷史。教師提出“船的發(fā)展過程中有什么變化？”“怎樣讓獨木舟保持穩(wěn)定？”“怎樣減小船的阻力？”這三個問題，將科學(xué)和工程問題有效結(jié)合在一起，讓學(xué)生將零碎的知識變成聯(lián)系實際的實踐操作。教師要以發(fā)展學(xué)生工程思維為出發(fā)點，使活動契合他們的認知起點、學(xué)習(xí)興趣、科學(xué)思維困惑、科學(xué)發(fā)展空間。

（2）合理引導(dǎo)，自主探究

學(xué)生遇到棘手問題時，自我處理能力相對較弱，教師應(yīng)當(dāng)合理引導(dǎo)，為他們創(chuàng)造一個敢于思考、易于思考、自主思考的學(xué)習(xí)空間。在引導(dǎo)過程中，教師應(yīng)結(jié)合本單元所學(xué)知識和學(xué)生的已有認知來開展活動。如在《設(shè)計我們的小船》一課中，教師可以通過3種引導(dǎo)方式讓學(xué)生設(shè)計小船（見表2）。

從表2中可以看出，引導(dǎo)方式1和引導(dǎo)方式2是簡單的指導(dǎo)性過渡，大大限制了學(xué)生的思維。引導(dǎo)方式3中，教師在學(xué)生開始設(shè)計前就梳理了整個實踐活動中的注意點，讓他們圍繞材料、載重量、穩(wěn)定性、動力系統(tǒng)等角度開展自主探究，尋找解決問題的辦法。相對而言，引導(dǎo)方式3更有利于學(xué)生的自我發(fā)展，培養(yǎng)他們的自主思考能力。

（3）適時設(shè)問，思維介入

課程標準指出，科學(xué)探究是科學(xué)學(xué)習(xí)的主要方式。五年級學(xué)生已有了一定的思維能力，能運用簡單的方式記錄實驗的過程。但工程設(shè)計圖不只是感性認知層面的繪畫，更多的是將理性層面的數(shù)據(jù)和圖示等內(nèi)容體現(xiàn)出來，它需要學(xué)生把握工程思維的特點，讓工程項目更具籌劃性、系統(tǒng)性、可靠性、科學(xué)性和實踐性（見表3）。

在教學(xué)實踐中我們發(fā)現(xiàn)，學(xué)生的設(shè)計過程會更多地考慮載重量，但如何讓動力系統(tǒng)與穩(wěn)定性和諧統(tǒng)一才是一個難點。此時，教師需要及時提問（如何安裝小船的動力系統(tǒng)、安裝在哪里才能保證小船的穩(wěn)定性、動力朝向哪個方向才能使小船穩(wěn)定前行等），促進學(xué)生去考慮動力安裝的位置和角度等。

2.結(jié)構(gòu)設(shè)計，進階思維

工程技術(shù)有一個過程：從問題到方案設(shè)計，初次測試，修改完善，再測試，最后形成成品。可以說，工程技術(shù)的核心是自我完善的過程。

例如，在各組初步完成小船的制作后，學(xué)生對載重量進行測試。根據(jù)評價要求，載重量要大于200克才算達標，但許多小組在設(shè)計時無法體會到載重量的標準，腦海中無法形成具象的概念。對此，教師要引導(dǎo)學(xué)生對問題進行梳理后開展二次設(shè)計，甚至多次設(shè)計。如此反復(fù)操作，學(xué)生對如何設(shè)計小船使其承重量大于200克有了一定的意識，能針對性地改進小船的設(shè)計。

工程建設(shè)向來需要經(jīng)歷一個較長的過程，而再設(shè)計為技術(shù)與工程領(lǐng)域的教學(xué)打開了一扇窗。教師要基于學(xué)生再設(shè)計的起點和終點，為他們搭建了有效的“腳手架”，從而促進他們工程思維的發(fā)展。

3.落實評價，實踐優(yōu)化

工程評價的主要目的是讓學(xué)生能更好地、更有目的地學(xué)習(xí)和實踐。當(dāng)學(xué)生的思維中出現(xiàn)新事物時，教師要及時采用生生互評、教師評價等方式來將工程思維完善和深入。這樣，學(xué)生就會對自己的作品進行簡單的評估，設(shè)想這件作品在使用的過程中可能遇到的問題；再經(jīng)過小組討論等方式改進作品，完善作品；最后制作出達到預(yù)期的成果，發(fā)展自身的工程思維能力和實踐能力。

實踐中，大多數(shù)小組制作的小船都能達到標準，但不可避免地會出現(xiàn)一些瑕疵：有的小船承重量大，但成本較高；有的小船使用的動力較經(jīng)濟，但行駛距離較短；等等。完成作品后，學(xué)生根據(jù)課前的小船測評標準，給其他小組的作品評分。之后，教師根據(jù)每個小組在整個項目中的表現(xiàn)，分別給各小組評分并適時提出針對性的建議，及時幫助他們積累經(jīng)驗。

測試記錄單（見表4）讓學(xué)生可以將自己小組作品的不足全面地記錄下來，幫助他們優(yōu)化模型。學(xué)生在交流中對比不同小組的模型，取長補短，優(yōu)化自己的方案。

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