基于工程思維的小學科學FCRCTP教學模型建構

達佳敏

【摘要】核心素養教育改革背景下，在科學教育中培養工程思維已經成為基礎科學教育轉型優化的新態勢。工程思維的培養需要以工程實踐活動為載體，工程設計流程為解決創新性的工程問題提供了方法，將工程設計流程融入教學實踐是在小學科學教學中培養學生工程思維的有效途徑。文章以工程設計流程為媒介建構了包含聚焦情境、明確問題、研究設計、構建模型、測試優化和展示評價等六個步驟的小學科學FCRCTP教學模型，并以“我們的過山車”為例闡述驗證了該教學模型的可行性和有效性。

【關鍵詞】小學科學；工程思維；工程設計；教學模型

【中圖分類號】G623.6【文獻標志碼】A【文章編號】1004—0463（2024）11—0104—05

隨著人類社會的發展，世界各國經濟轉型，21世紀對人才培養的訴求更加注重思維及能力的提升。發展核心素養成為人們回應當前和未來技術變革和全球化挑戰的舉措。工程思維是一種以比較權衡和系統分析為核心的籌劃性思維[1]，工程思維對分析與綜合、實踐與應用、創新與優化、跨學科思考及團隊合作等方面多維能力的培養具有整體要求，有助于達成培養學生核心素養這一整體性目標。工程的關鍵是設計，工程設計是工程實踐的錨點，工程設計流程成為組織科學與工程實踐活動的結構性辦法。于是，以工程設計流程為媒介建構滲透工程思維的小學科學教學模型成為科學與工程教育實踐中值得研究的一個問題。

一、FCRCTP教學模式設計的理論基礎

（一）工程思維的內涵及特點

人們在工程實踐過程中形成的思維方式便是工程思維。工程思維表現出跨學科性、系統性、創造性與迭代性等特征，需要跨學科及多學科協同研究才能獲得更全面的解決方案。工程思維解決工程問題，倡導將問題拆解為子問題。工程思維體現了人們根據意愿改變物質世界的創造性思想，工程思維通常采用迭代的方式來解決問題。基礎教育階段培養學生的工程思維是讓學生面對工程過程時，學習解決工程問題所需的系統性方法并逐步形成具有系統性、創造性、工程性等特點的解決問題的思維方式，使學生獲得面對挑戰的能力。

（二）小學科學教育中的工程思維培養

科學鏈接著人類與自然，科學為人類提供認識世界、解釋世界的途徑和方法。工程是以人類需求為出發點，集科學知識、各項技術及生產經驗于一體，綜合考慮各種約束條件和原則，創造人工產物的社會建構活動。工程和科學具有重疊的概念和過程，工程的開展需要以科學理論為指導和原則，科學的發展推動著工程的發展，而工程實施過程中產生的新問題、新挑戰助推著科學的進步。工程教育活動以科學認知為基礎，以創新發明活動為載體，讓學生在實踐過程中運用科學知識、使用技術工具來解決現實問題，該過程注重讓學生經歷產品的設計制作過程，培養他們創造性解決問題與制造產品的能力。科學教育為工程教育中科學認知體系的建立提供支持，工程教育又為科學教育中探究原理提供情境。

據了解，工程思維的培養及工程教育的發展最早在高等教育階段開展，美國是在基礎教育階段開設工程教育課程的領跑者。美國于2009年發布《K-12教育中的工程：理解現狀和提升未來》[2]，于2011年頒布《K-12科學教育框架：實踐、跨學科概念和核心概念》[3]并以此為基礎于次年頒布《新一代科學教育標準》[4]，這些方針政策的出臺促進了基礎教育階段工程教育的發展。我國也緊隨國際科學教育研究的步伐，在基礎教育階段注重培養學生的工程思維。《小學科學課程標準（2017年版）》首次融入“技術與工程”領域內容，并倡導跨學科學習方式[5]。《義務教育科學課程標準（2022年版）》重視技術與工程實踐的素養導向，強調基于核心概念、跨學科概念和學生思維水平開展技術與工程實踐[6]。我國研究者們就工程思維培養開展了教學模式、教學設計、教學案例等一系列研究，工程思維的培養也成為我國小學科學教育研究中的重要導向。在我國當前基礎教育變革的背景下，小學科學課程教學中滲透工程思維不失為一種兩全其美的措施。

（三）工程設計流程

工程設計關注如何用設計來實現人們的需求。工程設計流程為解決創新性的復雜問題提供了組織性方法，工程設計流程成為培養工程思維的有效媒介。《馬薩諸塞州K-12“技術/工程”課程標準》[6]將工程設計流程分為確定需求或問題、研究、設計、原型、測試評估、提供反饋、溝通解釋等八個步驟。《義務教育科學課程標準（2022年版）》將工程過程分為明確問題、設計方案、實施計劃、檢驗作品、改進完善、發布成果等六個步驟[7]。我國學術界也普遍認為確定問題、設計方案、制作原型及迭代優化是工程設計流程中不可或缺的環節。

二、滲透工程思維的小學科學FCRCTP教學模型建構

本文在總結工程思維的內涵特點、研究工程思維在小學科學教學的培養現狀基礎上，分析了不同版本的工程設計流程，構建了如圖1所示的滲透工程思維的小學科學FCRCTP教學模型。

（一）聚焦情境（Focus situation）

情境是認知的生長點，工程情境的創設為學習者提供真實可控的學習環境，這種特定的環境能夠使學習者產生強烈的情感共鳴從而促進其主動學習。在情境中學習往往需要參與者采取分工與合作的方式開展，這使得學習者在獨立思考判斷的同時提高了團隊協作效能。教師要從學生的生活經驗中挖掘有助于建構的、適用于教學實踐的真實情境，引導學生從情境中獲得真實有效的體驗。

（二）明確需求（Clarify Requirement）

面對一項工程項目，實施者必須明確本次實踐的需求及需要解決什么問題，還需要界定設計問題的限制條件從而劃定學生的設計范圍以確保設計的可實施性。在明確問題的過程中要識別并提出關鍵問題，關鍵問題的回答是解決整個工程問題的核心，避免在次要問題上浪費時間和資源。

（三）研究設計（Research and Design）

研究設計是解決工程問題和實現項目目標的關鍵步驟。在明確需求的基礎上，學生搜集資料開展研究，運用頭腦風暴、思維導圖、逆向思考等創造性思維技巧生成多種可能的問題解決方案并繪制相應的模型圖。之后組內成員共同討論比較各方案的優缺點，根據預先設定的評價標準評估并篩選最具潛力和最符合需求的問題解決方案。

（四）構建模型（Construct Model）

構建模型是將設計概念轉化為設計實體的重要步驟。可根據設計需求和目標確定所需的模型類型，再根據模型類型和具體的設計需求選擇適當的工具、材料以及相應的設計文件來構建模型。需要注意的是，設計者必須按照設計方案構建模型，以確保模型能夠代表設計概念和實現設計目標。

（五）測試優化（Test and Optimize）

測試優化是確保模型符合需求和滿足預期的重要步驟，這一環節的關鍵是持續的監測和多次的迭代改進。根據約束條件及設計目標對原型進行測試評估，識別潛在的問題，明確改進空間，找出設計的弱點和瓶頸。根據數據反饋的信息再次設計并改進模型實現作品的迭代優化，直到達到設計目標。

（六）展示評價（Presentation and Evaluate）

有效的評價能幫助學生實現預期的目標和效果，作品完成后，教師搭建平臺指導學生有序展示分享，師生在匯報項目完成情況的同時使用評價量規開展組內自評、組間互評及教師評價。展示者在演示或演講時要簡明扼要、條理清晰地分析本組方案的可行性，在展示過程中還要積極接受觀眾的反饋并針對性地回應觀眾的提問，這有助于改進設計方案。在學生開展工程實踐的過程中，教師要適時提供所需資源，從而輔助學生開展實踐，規范學生的學習活動，幫助學生糾正錯誤。

三、FCRCTP教學模型的應用——以“我們的過山車”為例

（一）教學目標

教學目標是列舉并描述生活中常見物體的直線運動、曲線運動等運動方式，了解工程設計的基本流程；參與工程決策、工程設計、工程實施及工程評價等工程實踐環節；針對設計要求，使用已有的材料和特定的工具，按照工程設計流程完成任務；了解工程項目的完成需要考慮的多種因素，融合多學科的知識，提升跨學科的能力。

（二）重難點呈現

本項目實踐的重點是能夠在多次迭代中設計并搭建一座過山車模型。為使學生按照工程要求搭建，教師需提前發放評價量規。另外，為調動全體成員的參與度，教師需要引導學生做好小組分工，各位“工程師們”在設計搭建過程中既各司其職又協同配合，共同完成本組的作品。

對于授課對象而言，完全按照工程設計圖開展軌道鋪設是比較困難的，必須確保工程實施的科學性和嚴謹性，故不可在搭建過程中為提高工程完成度而舍棄設計圖來隨意搭建。教師需要引導學生加強組內交流，在“施工員”與“設計師”的實時配合下調整設計圖，并根據設計圖搭建模型。

（三）教學過程

1.教師借助紅藍3D過山車視頻激發學生對過山車的探究興趣，學生佩戴自制紅藍3D眼鏡體驗乘坐過山車的虛擬情境，調動自身對過山車的認知。教師創設征集“設計并建造過山車”方案的工程情境，讓學生以工程師的身份開展工程學習，在提升其身份認同感的同時觸發學習內驅力。

2.在實施工程項目時學生需要理解工程情境，明確本次實踐中需要解決的工程需求是“設計并搭建一座以重力為驅動力的過山車模型”。教師出示塑料積木及小球等，確定以塑料積木作為搭建過山車模型的基本材料，以塑料小球模擬車廂。

3.在明確需求的基礎上，教師引導學生研究“過山車的結構特征、圖紙設計方法、過山車建造要點、軌道長度測試方法”等問題。學生在查閱資料和收集信息的基礎上討論并確定設計及搭建要點。各團隊在研究的基礎上“頭腦風暴”制訂并選擇設計方案，之后分工實施方案。組長負責統籌規劃，“設計員”根據工程要求及研究結果繪制圖紙，同時“施工員”熟悉材料并用積木搭建直線軌道和曲線軌道，“測試員”應熟悉軌道長度的測量方法。

4.學生根據既定的方案，依據設計圖紙搭建過山車模型。在組長的協調下，“施工員”依據圖紙來搭建，其他成員協同建造，搭建過程中要及時向“設計員”反饋出現的問題。“施工員”的操作要嚴謹規范，所搭建的模型必須與圖紙相匹配，不可隨意更改設計圖。

5.過山車搭建完成后，組內成員根據項目要求開展模型測試，并檢查過山車整體的穩固性、軌道的適應性、軌道長度的匹配性等，嘗試用小球檢測。測試完成后，學生需根據檢測結果和搭建過程中反饋的問題改進設計圖，再由設計圖完善模型并再次測試，經過多次迭代得到最優的過山車設計圖及模型。

6.完成最終作品后，教師組織各組分享成果。各組展示設計圖，從起點釋放小球展示其運行情況并匯報軌道長度。在學生匯報的過程中，師生使用包括作品本身成效和過程性表現等多維度的評價量規同步開展組內自評、組間互評及教師評價。之后，教師協助學生統計制作評分匯總表并評選出最優設計作品。經過本次展示評價，各組“工程師”可根據評價反饋的信息繼續迭代調整本組的作品。項目結束后，教師引導學生復盤整個項目的實踐過程，反思在學習實踐中的不足，強化對實踐中操作的系統認知。

（四）教學成效

在該教學模型指導下的教學實踐給學生充分的自主探索空間，本案例中學生以工程師的身份在工程情境中找出搭建過山車的具體需求，在開展相關研究的基礎上篩選設計方案并據此搭建過山車模型，再采用測試與多次迭代的方法得到最終作品，最后展示分享評選出最佳設計作品。學生在解決該工程問題的過程中，掌握了知識技能，發展了工程思維，提升了核心素養。

四、滲透工程思維的小學科學教學策略

從教學模型的設計和案例的實踐可看出，滲透工程思維的小學科學教學過程的重點在于，學生可在教師的指導下參與工程實踐活動，不僅發展了工程思維，也培養了解決問題的能力。故而，教師應當在教學中運用聚焦于問題解決的教學策略。

（一）創設符合學生認知發展水平的真實工程情境

情境是認知活動的基礎，創設情境是重要的課堂教學策略。在教學中創設工程情境可以讓學生更好地融入課堂氛圍以達成學習目標，也使得學生的工程思維在潛移默化中得以發展。在創設工程情境時，教師要注意情境與學生的認知發展水平相匹配，可從學生的生活環境、知識經驗背景及其熟知的自然和社會現象中篩選出符合學情的情境。

（二）設計學生參與度高的工程實踐活動

學生的工程思維發展及工程實踐能力提升可在高參與度的實踐活動中逐步實現，因此學生必須親身經歷統籌、設計、實施、檢驗及迭代等工程實踐活動過程，教師對學生的薄弱處給予針對性指導。另外。教師要在學生實踐的過程中提供足夠的材料與足夠的時間，以確保每個學生都能有機會參與到工程實踐的環節中來。

（三）提倡合作與競爭學習

在實踐活動中，相互合作更容易碰撞出思維的火花，使得學生的認知結構得以交疊和互補，從而各自建構出更完整的工程認知框架，拓展工程思維。因此教師要有意識地引導學生開展小組合作學習，讓他們為實現共同的目標而努力。教師也可組織學生開展組間競爭學習，用組間競爭促進組內成員的合作。

在中小學不具備另設工程類課程的背景下，義務教育階段的科學教育滲透工程思維是滿足當前科學與工程整合教育需求的實踐途徑，將工程設計流程融入科學教學實踐是在小學科學教學中培養學生工程思維的有效途徑。本文在簡要回顧工程思維培養歷程及分析工程思維特點的基礎上，以工程設計流程為載體構建了包含聚焦情境、明確問題、研究設計、構建模型、測試優化和展示評價等六個步驟的教學模型，并以“我們的過山車”為例在教學實踐層面闡述并驗證了該教學模型具有的可行性和有效性。在實踐過程中，教師應創設真實的工程情境，讓學生在合作與交流中了解工程設計流程，掌握知識技能，解決實際問題，發展核心素養。

參考文獻

[1]中華人民共和國教育部.普通高中通用技術課程標準（2017年版2020年修訂）[M].北京：人民教育出版社，2020.

[2]National Research Council. Engineering in K-12 Education： Understanding the Status and Improving the Prospects[M]. Wash？ ington，DC：National Academies Press，2009.

[3]National Research Council. A framework for K-12 science education：Practices，crosscutting concepts，and core ideas[M]. Washington，DC：National Academies Press，2011.

[4]美國科學教育標準制定委員會著；葉兆寧，楊元魁，周建中，譯.新一代科學教育標準[M].北京：中國科學技術出版社，2019.

[5]中華人民共和國教育部.義務教育小學科學課程標準[M].北京：北京師范大學出版社，2017.

[6]2016 Massachusetts Department of Education. Massachusetts Science & Technology/Engineering Curriculum Framework [EB/ OL].（2017-01-18）. http：//www.doe.mass.edu/frameworks/scitech/2016-04.pdf.

[7]中華人民共和國教育部.義務教育科學課程標準（2022年版）[M].北京：北京師范大學出版社，2022.

編輯：宋春宇