指向工程思維培養的小學科學教學策略

【摘"" 要】工程思維是人們在解決真實工程問題的過程中逐漸形成的一種具有前瞻性、統籌性的思維習慣，指導人們共性地解決工程問題。小學科學教學旨在引領學生“像工程師一樣思考”，初步培養學生的工程思維。在具體的教學中，教師應通過“設計生活情境，引出工程問題；設計探究活動，滲透科學原理；提供結構化支架，助力問題解決；反思改進不足，優化產品迭代；拓展延伸課堂，實現創新運用”等策略，讓學生體驗解決問題的過程，獲得工程思維的發展。

【關鍵詞】小學科學；工程思維；核心素養；教學策略

思維層面的方法不同于認知層面的知識，指的是某個行業在長久發展過程中自發形成的特定的解決問題的行動范式，即以何種思考路徑，按照哪些特定步驟共性地解決問題。［1］《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課程標準》）指出，人類在與自然界打交道的過程中，為了適應自然、改善生產條件而產生了技術。人類對已有的物質材料和生活環境加以系統的開發、生產、加工、建造，以滿足人們的需求，就產生了工程。早期的技術、工程和科學相對比較獨立，而現代技術、工程和科學相互影響與相互促進，越來越密不可分，共同推進了社會的進步。［2］ 工程思維是人們在解決真實工程問題的過程中逐漸形成的一種具有前瞻性、統籌性的思維習慣，指導人們共性地解決工程問題。小學科學教學旨在引領學生“像工程師一樣思考”，初步培養學生的工程思維。

工具是人們工作時所需用的器具，為人們的生產生活提供了便利。它的發明和創造過程蘊含著豐富的科學原理和工程思維，是不同結構系統組合的技術產物，體現著科學發明史的迭代。測量工具是工具的一種。開展與測量工具相關的教學，有利于學生理解測量儀器標準化的重要性、科學原理的統一性、物化產品的多樣性，培養學生的工程思維和問題解決能力，促進學生科學核心素養的發展。在傳統的測量工具教學中，教師通常是讓學生先認識測量工具的各部分結構，再學習使用方法，導致學生不了解測量工具的設計原理、各部分結構的作用，只會機械地操練，甚至在操練后仍不會規范使用工具。一些教師嘗試從項目化學習的角度著手，帶領學生動手設計制作測量工具，但由于沒有原理的支撐和實驗材料的支持，學生設計的工具無法解決實際問題。如何解決這些問題值得教師思考。

以教科版《科學》四年級上冊第三單元第4課《彈簧測力計》為例，教師帶領學生經歷“產生問題—發現原理—解決問題—優化迭代—創新運用”的過程，培養學生的工程思維。學生深入體會一項科技發明的生產與改進過程，分析標準化儀器的設計環節，體驗工程師解決問題的思維和方法，獲得工程思維的發展。

一、設計生活情境，引出工程問題

工程問題源于人們在生活中遇到的困境。教學伊始，教師創設貼近學生生活的情境，引出各類問題，促使學生調取有關知識，開啟工程問題的探索。本課教學中，教師設計了問題鏈，如圖1所示。

教學中，教師把生活問題和課堂聯系起來，讓課堂知識變得生動具體。教師引導學生從經驗出發，將生活中的問題轉化為科學領域中的工程問題，讓學生明白技術與工程產生于人類的生活需求。

二、設計探究活動，滲透科學原理

科學原理是人們理解世界的基石，隱藏在客觀現象的背后。學生參與科學探究活動的過程也是了解測量工具多樣性與科學原理一致性的過程。教師要引領學生制訂計劃，搜集、分析證據并得出科學原理，而后進行評價反思。學生全程參與探究過程，逐漸得出科學結論，建構自身的知識和認知體系。［3］

彈簧測力計的工作原理是“彈簧發生彈性形變時，彈力的大小跟彈簧伸長（或縮短）的長度成正比”。課堂上，教師引導學生制訂探究計劃，讓學生利用具有標準重量的鉤碼進行實驗。探究時，教師將實驗材料有步驟地呈現給學生，讓學生依次增加鉤碼數量（如圖2），并在實驗記錄單上記錄數據。對比小組數據的折線圖與標準數據的折線圖（如圖3）后，學生發現實驗存在誤差。教師鼓勵他們以此為契機，反思實驗操作的規范性，在后續的實驗中提高操作的準確性。教學中，教師要讓學生根據各個小組得到的一致性實驗結論，得出統一認識。［4］

三、提供結構化支架，助力問題解決

工程思維的核心是解決實際問題。教學支架能夠引導學生關注問題的各個方面，從整體出發，抓住問題的關鍵細節。在教學支架的幫助下，學生通過獨立探索和協作學習，鍛煉問題解決能力，形成系統思維。

（一）搭建引導性支架，促進思維進階

彈簧測力計的設計是一個系統、復雜的實踐性過程。為了降低學習難度，教師遵循由易到難、循序漸進的進階原則搭建了引導性支架。這種學習支架可以幫助學生展開自主學習，建立學習自信心，獲得學習成就感。本課中，教師拆開彈簧測力計，將彈簧掛在鐵架臺上，用卡紙標記彈簧下端的起始位置（即0刻度），讓學生利用彈簧比較兩個大小不同的蘋果之間的重量差異。為了便于測量，學生提出將彈簧拿下來，但由于彈簧掛在鐵架臺上，測量伸長長度的起點（0刻度）固定在鐵架臺上。當學生把彈簧拿下來測量時，發現0刻度還固定在鐵架臺上，無法測量彈簧的伸長量。對此，教師提出將0刻度固定在彈簧上的方法，并出示彈簧測力計的刻度和安裝方法（如圖4），使學生知道彈簧測力計上刻度的功能和0刻度的作用。接著，教師繼續出示新的實驗材料——較輕的臂章和較重的可樂。學生發現太輕或太重的物品都無法用現有的彈簧測力計進行測量，進而提出設計其他量程的彈簧測力計的想法。

整節課中，教師呈現了由易到難、由簡到繁的實驗材料，引導學生經歷從“能測量到能便利測量”、從“測量一個物體到測量多個物體”的進階過程。學生在逐步解決問題的過程中實現了工程思維的發展。

（二）優化提示性支架，助力原理提煉

科學原理是在邏輯推理和實驗驗證的基礎上得出的，為科學學習提供了理論基礎。在教學過程中，教師可設計提示性學習支架，采用提示性內容啟發學生思考。傳統教學中，彈簧伸長長度需要用現有長度減去原來長度得出。本課教學中，教師設計了實驗記錄單（如表1），要求學生從0刻度位置開始，直接記錄彈簧伸長長度。這樣的實驗記錄單減少了計算過程，縮短了實驗時間，符合學生的認知水平，便于學生分析數據，得出科學原理。

四、反思改進不足，優化產品迭代

反思是推動創新和持續發展的重要手段，在科學學習中具有重要作用。通過反思，工程師可以識別工程設計中存在的問題并及時糾正，并在總結經驗教訓的基礎上提升工程的整體質量。在教學過程中，一方面，教師應該及時捕捉課堂生成，引導學生總結成功經驗，反思不足之處，實現產品的迭代升級。另一方面，教師要設計開放性問題，引領學生思考，發展學生的創造性思維。

（一）立足問題解決程度，優化解決方案

教學中，教師時刻關注學生解決工程問題的程度，帶領學生反思實施方案的合理性、可行性。教師提醒學生時刻關注“大蘋果比小蘋果重多少”這一問題。學生發現，利用彈簧可以比較重力的大小，但無法精確測量重力的差異。于是學生嘗試優化方案，探究彈簧伸長長度和重力之間的關系。此時學生已經解決了大小不同的蘋果的重力差異問題，想繼續探究“如何便捷地比較大蘋果比小蘋果重多少”這一問題。于是進一步提出了制作彈簧測力計的設想。

（二）捕捉課堂生成，引導產品迭代

課堂是一個動態的過程，每個學生都是獨立的個體，教師在教學過程中要及時關注學生的動態，捕捉課堂生成。本課中，增加彈簧測力計的讀數、理解0刻度的作用、設計更大量程的彈簧測力計……這些內容都是學生的課堂生成。教師有效地引導學生反思，促進產品的改進和迭代升級。學生嘗試將學習內容與生產實踐相結合，不斷思考、改進彈簧測力計，其發現、分析和解決問題的能力都獲得了較大的提升。

五、拓展延伸課堂，實現創新運用

創新設計可以提高產品的合理性，使產品更符合用戶需求，具有更好的性能和更長的使用壽命。教學中，教師可以扮演客戶的角色，提出產品需求，引導學生明確工程問題，嘗試用工程思維解決問題。

（一）設計彈簧測力計，解決生活問題

在課堂拓展環節，教師進一步提出問題：如何測量書包重量？請設計一款可以為書包稱重的彈簧測力計。學生嘗試利用彈簧測力計的基本原理解決這一工程問題，關注彈簧測力計適用的便捷性，實現多樣化的功能，滿足多元化的需求，實現了彈簧測力計的創新設計。學生從常規的概念學習延伸到工程設計與物化的層面，體會到工程設計能夠提升生活品質。

（二）設計其他測量工具，滿足生活需求

教師可以提出更多的工程問題，如：如何測量自己的體重？如何測量一根頭發的重量？野外工作的地質學家如何測量礦石的體積、重量、硬度？在啟發性問題的引領下，學生嘗試設計更多的測量工具，如大量程的彈簧測力計、高精度的彈簧測力計。或整合多個科學原理，設計制作能夠測量長度、體積、重量等多個要素的工具。可見，學生已經學會利用工程思維解決更多的生活問題，或能自己提出工程問題，在實踐中加以解決。

工程思維對學生的發展具有極其重要的作用。教學中，教師應充分使用真實的科學問題培養學生的工程思維，激發學生主動探索的欲望，提升學生發現、分析和解決問題的能力。在這樣的學習中，學生將獲得豐富的學習體驗，形成深刻的學習感悟，進而實現綜合能力的發展。

參考文獻：

［1］郭永春.新工科課程體系中的工程設計思維［J］.高等工程教育研究， 2021， 69（1）：39-43，55.

［2］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，2022：90.

［3］孟今紅，石新妹.科學探究在小學科學教學中的運用［J］.北京教育學院學報（自然科學版），2015，10（4）：60-64.

［4］葉寶生.小學科學教學觀察實驗設計的依據和方法［J］.課程·教材·教法，2013，33（12）：68-72.

（杭州師范大學東城小學）