“四維”推進：工程實踐活動的序列進階

科學課程標準首次明確了科學思維作為核心素養的重要內涵，同時新增了“工程設計與物化”這一核心概念。工程是一種人工造物活動，是人類社會賴以生存和發展的基石，是直接而實際的生產力體現。在小學科學教學中對學生進行工程思維啟蒙和鍛煉，課程標準對其實踐能力和思維素養提升的要求，可以幫助他們更好地理解和探索世界，培養他們改造環境的傾向和解決實際問題的能力。[1]工程思維是在參與工程實踐活動中逐漸形成與發展的一種高階思維，是一種面向實際問題解決的思維方式。工程思維主要包括工程決策思維、工程設計思維、工程實施思維、工程評價思維。

學生科學探究的過程既是動手實踐的過程，也是科學思維運用的過程，但傳統科學探究與工程實踐活動的過程及最終導向存在一些差異，導致教師運用傳統科學探究的教學方法進行工程實踐活動教學時，往往難以取得良好的教學效果。科學教師亟須更新教學理念，采取適宜的教學策略，在工程思維的驅動下開展工程實踐活動。

一、工程決策思維：真實情境下的問題驅動

在工程實踐活動的初始階段，如果未激起學生解決驅動問題的需求，只是為了做而做，缺乏主觀意愿，他們就不清楚實踐結果的最終指向，更不用談如何將想法變成現實，創造有價值的產品。工程實踐中應用工程決策思維，將問題驅動模式與真實情境理念相結合，可以激發學生興趣與動機，從而促進教學目標的達成和科學素養的發展。

1.真實情境，引發決策意愿

在工程實踐活動之前，教師要優先從學生遇到的真實情境中提出驅動性工程問題，也可以結合生活實際創設形象生動的情境，從而激發他們主動參與的熱情，提高他們解決問題的積極性，引發他們的工程決策意愿。

教材中關于“設計我們的小船”系列活動的驅動，僅僅是平鋪直敘的任務：依據所學的知識和提供的一些材料，發揮想象，自己設計并制作一艘小船。對于這樣的任務，學生只是知道“要這么做”，卻不知道“為什么做”，導致一些學生不感興趣，以致工程實踐活動難以開展。

教師結合學校開展的“探秘珍珠世界”項目（如圖1），提出驅動性問題：“同學們打撈珍珠蚌時乘坐的浮筏比較小，還有安全隱患，你能設計一個成本低、安全系數高、載重量大、有自己動力的小船嗎？”學生的積極性很高，尤其是之前參與過打撈珍珠蚌的學生，更是表現出濃厚的興趣。

2.身份認同，強化自主驅動

參與工程實踐活動，有助于學生發現自己成為一名工程師的潛能，提升解決實際問題的能力。教師可以在上課時展示工程對社會的積極影響以及著名工程師的故事，引發學生的認同與效仿，發揮榜樣的力量，強化他們參與工程實踐活動的自主性。

例如，在課前觀看了中國航母工程的視頻后，學生無不感嘆國家的強盛，同時對航母工程師這一身份有了認同和向往。在設計與造船活動前，教師給每個小組都分發了一本工程日志，讓他們給自己的工程隊起名，并設置不同的工程角色，如工程決策師、工程設計師、工程建造師、工程測試員、工程采購員、工程考察員等，讓他們深入體驗工程師的職業，激發他們內在的學習動機，提高創新能力。

3.工程量規，明確約束條件

教師需要在工程過程的“明確問題”環節就規定好評測指標，主要包括產品是否超出限制的條件、是否可以解決問題、完成任務的效率等內容。只有將測試標準前置，學生在工程實施階段才會有方向、有目的地開展制作，才能讓評價量規在整個工程實踐活動中發揮診斷和促進作用。

例如，學生已經知道了約束的條件“成本低、安全系數高、載重量大、有自己動力的小船”，但這些條件還是比較寬泛，教師可以將評價量規前置并進一步細化為增加航行距離、堅固程度、安全系數、美觀程度等評價項目（見表1）。

二、工程設計思維：創意搭建下的方案細化

課程標準提出了工程的關鍵是設計、工程是設計方案物化的結果這兩個主要概念。但是在很多工程實踐活動中，由于缺乏工程設計思維，有些學生往往只能模仿教師的步驟跟著做，并沒有發揮很大的自主性。有些學生即便有了很有創意的設想，但缺乏圖紙化的技能，難以將想法轉化成翔實完備的設計方案。設計方案的過程也是工程設計思維運用的過程，教師要引導學生掌握一定的設計方法，并盡可能多地提出解決思路。[2]

1.開放性視野，探索多元方向

實際的工程項目通常不會只有唯一的解決方案。因此，教師開展工程實踐活動時要讓學生從多元方向進行設計，避免將他們束縛于某個標準答案之內，出現千篇一律的情況。

教師可要求學生在確保達到基本設計要求的基礎上，積極思考如何對小船進行創新改進。例如，有的小組側重于提升小船的美觀程度，有的小組想讓小船行駛更加穩定，還有的小組傾向于增強其堅固程度。這樣開放性的問題解決方式，更有利于學生進行創造性的思考，發散他們的思維。

2.創新式技法，發散設計思路

在工程設計中，教師可以引導學生采取多種創新技法，如頭腦風暴法、列舉法、組合法以及“創意十二訣”等。這一過程中，學生的靈感得到激發，在思維的碰撞中，進一步豐富解決問題的思路。例如，在設計小船前，教師讓各小組開展了充分的頭腦風暴活動，讓他們就小船的設計展開深入討論，共同完善自己小組的設計方案。

3.圖形化支架，完成工程構想

思維導圖能夠將抽象的思維形象地展現出來。教師在學生設計的過程中，可以引導他們運用氣泡圖、樹狀圖、維恩圖、魚骨圖以及輻射圖等多種類型的思維導圖，將原本零散無序的思考整合成為一個結構清晰的整體。在這個歸納梳理的過程中，學生還能隨時補充新的想法，進一步豐富和完善設計方案。例如，教師在學生的頭腦風暴環節提供了思維導圖支架（如圖2），幫助他們一邊討論，一邊整理思路，并推導優化。

工程產品的制作過程實質上是由局部到整體構建的過程，因此，在設計圖紙階段就必須充分考慮各個局部的細節。設計圖的詳細程度與學生按圖索驥的制作難度息息相關，詳細的設計圖也更容易促進小組成員的協同合作，提升工程產品的制作效率。

例如，在設計過程中，教師引導學生不僅要畫出小船的外觀，而且要圖文并茂，標注出各部分具體使用的材料，船體各結構的尺寸等。如果有特殊的地方，還要配上簡單的文字說明。同時，教師要求學生從俯視圖和側視圖兩個角度進行設計圖的繪制，鼓勵畫出細微處。為簡化設計難度，教師提供帶格子的設計紙，一小格代表1厘米。圖3為活動中小組的初始設計圖。

三、工程實施思維：縝密迭代下的閉環推進

工程實踐活動的本質是創造人工實體。學生除了有良好的科學知識儲備、創意的工程設計外，更需要掌握實踐技能。工程實施思維是指將想法、方案轉化為有形物品的思維，實施步驟縝密、環節細化是工程建造的關鍵。

1.豐富材料選擇，強化實施保障

合理的材料是工程實施的基礎。教師在給學生準備材料時要做到材料豐富且具有結構性，盡量提供他們熟悉的、易于加工制作和成本低的材料，并以“材料自選區”的形式讓他們選擇。同時，工程的實施需要考慮成本，不能任由學生選擇和使用材料，需要給予一定的限制，讓他們體會更符合現實工程建造時的情境：在限定條件下進行設計，并找到最優的解決方案。

例如，教師為每組提供了120個造船幣，制訂了材料清單（見表2），讓學生在設計的同時有意識地進行成本核算，并在選擇材料的過程中加以思考與取舍，鍛煉工程思維。

2.活用“三化”策略，增強工程實效

不同小組的方案設計和對動手能力的要求不盡相同，教師在指導學生制作的過程中，要根據他們具體的實施情況，合理采取“三化”策略，即優化、轉化和變化。

優化。對于沒有頭緒的學生，教師可以給他們提供最基本的范例，讓他們在工程實施過程中有章可循，并在范例的基礎上進行優化。例如，教師給不會制作的小組提供其他班級的小船示例，讓他們參考其他小組選擇的材料，并思考材料之間是如何連接的。

轉化。對于在實施過程中卡殼的學生，教師可以進行點撥，提示他們換一個角度和思路繼續完成工程建造。例如，教師在巡視時發現有一個小組的船身縫隙很大、容易漏水，于是指導該小組用錫紙對船的底部進行包裹，解決漏水問題。

變化。對于已經提前完成工程建造的學生，教師可以適當提高要求，增強挑戰性，促使他們繼續改進自己的產品。例如，有一個小組的設計非常簡單，只用了很短的時間就完成了制作。教師針對性地提問：“如果有人坐在你們的小船上，如何保證他們不掉下去呢？”在新的要求下，學生很快就進行了改進設計，在船的周邊增加了護欄。

3.落實分工合作，提升合作能力

合作能力是工程領域必備的核心素養之一，在工程探究中教師應注重培養學生的組內合作以及組間協同習慣。例如，教師為各個小組設置了六個角色，并分別給予對應的任務（如圖4）。這不僅在小組內部有效實現了細化分工與高效合作，還通過工程考察員實現各小組間的互動交流與評價，巧妙地搭建了全班范圍內的合作機制，有力地推動了整體的合作進程。

四、工程評價思維：量規評價下的反饋擴容

工程評價思維指向的是工程實踐中每個環節的反思與測評，以便對工程成果進行針對性優化。在工程實踐的檢驗成果環節實施評價，可以促進學生對作品進行改進完善；在發布成果的環節實施交流展示評價，可以讓學生體驗到工程實踐活動帶來的成就感；活動結束后的反思評價，有助于學生生成發展工程思維的內驅動力。

1.成果檢驗，促進工程改進

學生在檢驗作品階段發現成果與設計的差別，以及一些不足之處，會探究改進策略。教師可以通過評價的方式引導學生進行迭代改進。

一是促發迭代意愿。學生的想法和創意各不相同，在工程實踐活動的每一個重要環節，教師均可開展組內、組間的互相交流與評價，增強他們的思維碰撞。在交流分享中，教師要求學生及時收集與成果相關的數據與建議，并分析判斷自己成果的哪些地方需要改進。例如，活動時，教師讓每個小組都派出一位工程考察員，在不打擾其他小組活動的情況下參觀考察，找到值得自己小組借鑒的地方，也可以對其他小組進行適當的交流和評價，并及時記錄，最終促成小組的迭代意愿。

二是引導迭代方向。實際的工程產品設計還要考慮到方方面面，達到解決問題的目標只是基本要求，教師要在成果的測試后引導學生反思不足，從而進行針對性的改進。例如，在小船的制作活動中，學生充分利用前置的評價量規，從堅固程度、安全系數和美觀程度多方面去改進完善自己的小船模型。同時，教師提供調試記錄表，幫助學生快速聚焦迭代的方向，讓他們通過持續不斷的改進與迭代，更加深入地體驗真實的工程實踐項目，進而提升工程思維能力。

三是激發迭代精神。工程設計是一個循環遞進的過程，失敗是不可避免的。設計中的失敗可以提供改進和完善的重要契機，其價值不可忽視。教師需要引導學生認識到不害怕失敗，專注于從每一次失敗的嘗試中汲取寶貴的經驗，培養他們堅韌不拔的品質。例如，其中一個小組的小船僅能載重不足100克重，教師逐步引導學生總結失敗經驗，進行針對性的改進。兩次迭代完善后，該小組的小船載重成功提升至300多克重。學生從失敗中學習并最終走向成功，可以極大地激發成就感，促進迭代精神的養成。

第一次迭代

生：老師，我們的小船最多能放8顆螺母（如圖5-a，1顆螺母約為10克重），怎么辦？

師：你們一開始是怎么設計的？

生：我們把兩片泡沫疊起來，可以增加小船的浮力。

師：實際測試時發現了什么問題？

生：小船很不穩，再增加重物就會側翻，對稱放置也沒用。

師：你們覺得是什么原因造成的？準備怎么改進？

生：可能是底部太小了，不穩定，我覺得可以想辦法增加底部的面積。

第二次迭代

生：老師，我們在原來的船底加了一層小竹竿，這一次承載了110克重（如圖5-b）。

師：這一次是如何改進的？

生：我們設想增加竹竿之后可以增加穩定性和載重量，螺母可以放在竹竿上。

師：出現了什么問題？

生：加了竹竿之后，雖然穩定了，但是竹竿都浸到了水中，不能在上面放置重物，導致我們的螺母沒地方放了。

師：那你們準備怎么改進這個問題？

生：我知道了，可以把這兩個泡沫分開，并排放置，這樣就有放重物的地方了。

（學生再次迭代優化，最終小船能承載380克重，如圖5-c。）

2.平臺展示，進行交流評價

教師可以通過在班內展示、校內媒體、各類投票平臺等將學生的優秀成果進行展示。學生具有愛模仿的心理特點，發揮優秀作品的榜樣引領作用，能促使他們保持對工程實踐的持續熱情。

例如，本次活動的最后階段，教師在班級里召開了優秀成果展示交流會，請每個小組介紹自己的小船，其他學生可以提出疑問，開展答辯式交流評價。最后充分挖掘每個小船的優點進行評選，如載重大王、最美觀小船、最佳設計獎、航行冠軍、材料節約獎等，讓每個人都體會到成功的喜悅，增強他們參與工程實踐活動的內驅動力。

3.活動反思，開展項目總結

一項工程實踐活動結束后，并不意味著工程思維和工程能力提升的結束。在這個階段，教師可以引導學生回頭看，看成果是否可以解決一開始明確的問題。后續，教師要引導學生將成果運用于實際生活中。在這個過程中，仍需要不斷地迭代改進。這樣，學生才會真正思考和體驗到工程的重要意義，才會有持之以恒不斷進行工程實踐的興趣與動力。

小結

在教學中啟蒙和發展學生的工程思維，是小學科學課程發展的必然趨勢。[3]思維驅動下的工程實踐課堂，有利于促進科學課堂“探究實踐”與“科學思維”目標的并行推進，也有利于促進教學“素養導向”與“評價伴隨”理念的共同實現。在工程實踐活動中，科學教師要以培養學生的工程實踐能力為主要教學目標，逐步引導他們掌握并內化工程思維，為培養適應未來社會需求的全面發展的工程型科技人才奠定堅實基礎。

（作者單位：浙江省溫嶺市百丈小學）

參考文獻

[1]克里斯蒂娜·M.坎寧安.基于項目的小學工程教育[M].李峰，譯.上海：上海科技教育出版社，2021.

[2]李靜.工程設計理念在小學科學教學中的應用實踐[D].重慶：重慶大學，2020.

[3]李婧.基于工程思維培養的小學科學教學策略研究[J].中學生作文指導，2021（36）.