把工程思維滲入《升旗的方法》實驗教學

〔摘 要〕 在工程教育中，科學實驗教學是一個非常重要的環節，它能夠激發學生的學習興趣，使他們的探索精神和思維能力得到發展。本文以《升旗的方法》為例，提出將工程思維融入日常實驗教學的策略：根據學情確定實驗目標；利用工程思維進行實驗創新；聯系新舊知識掌握實驗原理；參照主要內容實施實驗步驟。

〔關鍵詞〕 小學科學；工程思維；實驗教學；教學策略

〔中圖分類號〕 G424 〔文獻標識碼〕 A 〔文章編號〕 1674-6317 （2024） 24 082-084

《無錫市關于推進中小學工程教育的指導意見》明確提出，中小學工程教育屬于基礎教育，是響應國家創新驅動發展戰略、培養創新型人才的一項重大措施，在小學階段，要將工程教育融到中小學的數學、信息技術、科學等學科中，并將其作為工程教育的一項重要內容?！读x務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱《課程標準》）也將其納入了基礎教育的主要內容。提高學生的動手能力，既能同時提高學生對科學知識的認識，又能推動他們的全面發展，培養他們的創新能力和實踐能力，為學生未來的發展奠定良好的基礎。科學實驗教學可以激發學生學習興趣，培養學生探究意識和思維能力。在日常的實驗教學中踐行工程思維，是科學教師需要關注的議題之一。本文以《升旗的方法》為例，探討具體的實施策略。

一、根據學情確定實驗目標

《升旗的方法》是蘇教版科學五年級下冊“簡單機械”的第三課，內容涉及《課程標準》中的“能的轉換和能量守恒”?！墩n程標準》提出了小學科學教育要從“以知識為中心”轉變為以“以人為中心”的教學方式，探索把知識轉換成學生能力的途徑。根據課標規定的課程內容“4.1”，學生已知基本機器（桿，滑輪，軸，斜面）和它們在生產和生活中的運用，本課對學生的要求是通過組裝定滑輪和動滑輪裝置，認識另一種簡單機械——滑輪的結構及作用。簡單機械是指人在改造自然中運用機械工具的智慧結晶。工具一般都是利用機械原理制造出來的，凡是能夠改變力的方向和大小的裝置就是簡單機械。

從學生的年齡結構和心理特征來看，五年級學生的求知欲很強，他們對任何事物都充滿了好奇心。對于這節課教學的滑輪，學生之前并沒有深入地觀察，但是對于滑輪帶給人們的便利，他們是真實地感受到了。本課通過活動的方式，從科學概念的角度告訴學生按滑輪中心軸的位置是否移動，可將滑輪分為“定滑輪”和“動滑輪”，重點指導學生組裝兩種不同的滑輪裝置，并在深入對比觀察中發現它們之間的不同特征，從而引導學生觀察和思考生活中簡單機械的應用及蘊含的科學原理，并據此確定了學生的學習目標。

科學觀念：了解皮帶輪的構造及功能，并能區別靜止皮帶輪與動態皮帶輪。

科學思維：通過對比活動滑輪和固定式滑輪的不同構造，舉例說明在日常生活中使用滑輪的情況。

探究實踐：通過裝配皮帶輪的試驗，研究兩種皮帶輪的工作特性。

態度責任：產生對機械的興趣，并喜歡生活中的一些小機械。

二、利用工程思維進行實驗創新

科學實驗教學能有今天這樣的發展并不是一蹴而就。在科學教學的漫長過程中，離不開一代代科學人的不懈堅持，一開始連基本的實驗材料都難以滿足，慢慢地能夠進行系統化的實驗操作，到現在更是能夠與時俱進，利用最新的科技輔助日常教學。那么，這是不是意味著我們的實驗教學已經沒有進步空間，只能畫上句號了呢，顯而易見，并非如此。學無止境，我們的實驗教學只有不斷進取，才能取得新的成就。而在當下小學階段的科學實驗教學中，存在教學模式僵化、實驗內容單一、學生參與率低等一系列問題，我們很多的實驗都是按部就班，照本宣科，這樣雖然方便了教師完成教學任務，卻忽視了科學實驗最重要的一環：創新。要想扭轉這一狀況，教師可以對實驗內容進行創新，設計出更多、更有創新性的實驗，以此激發學生的學習興趣和提高他們的實驗探索能力。同時，教師也要結合學校的實際狀況和學生的年齡特征，對實驗內容進行適當的調整，使之符合學生的興趣，設計出多元化、個性化的實驗。基于此，筆者進行了多方面的嘗試。

對支架的改進。將原有的支架換成展示板，并增加對比性的實驗展示，使實驗可視性增強。

對棉繩的改進。原有實驗在連接重物時是通過系環形扣的方式，在操作中容易脫落，我在設計時在原有棉線基礎上增加了掛鉤，避免了對實驗的干擾。

對實驗過程的補充。原有實驗僅僅是分別研究使用定滑輪和動滑輪拉重物的情況，卻缺少了直接拉重物的對照實驗，我在設計時補充了這一部分，從而能夠更直觀地研究定滑輪和動滑輪的作用。

三、聯系新舊知識掌握實驗原理

前有“溫故而知新”，后有大單元備課，“簡單機械”作為一個大單元，里面的知識相互之間是有聯系的。就本課而言，前面已經學習了杠桿，學生已知用力臂大于阻力臂為省力杠桿，用力臂等于阻力臂的為無功的杠桿，用力臂比阻力臂小的為費力杠桿。是否也可以用杠桿原理來說明，滑輪可以看作是一根旋轉的杠桿，固定滑輪圍繞著軸心旋轉，以軸為支點，而動力臂和阻力臂則為車輪的半徑，因此，定滑輪本質上是等臂杠桿，它不會省力，也不會費力。而當我們用動滑輪提起重物的時候，滑輪是圍繞著掛繩旋轉的，這樣，支點就在掛繩和車輪的邊上，并且支點也是不動地往上運動，重物掛在了滑輪的掛鉤上，阻力臂就是從輪軸到車輪的邊沿，也就是它的半徑，而用力臂就是車輪的另一邊到支點的這一邊，所以用力臂是阻力臂的兩倍，這樣就可以節省一半的力量。通過回顧舊知，從杠桿的角度向學生解釋為什么定滑輪只改變方向而不省力，動滑輪省力而不改變方向，也為后面輪軸斜面等一系列新的知識做好了鋪墊。

四、參照主要內容實施實驗步驟

《課程標準》要求我們在教學過程中要以學生活動為科學教學的基礎，讓學生在科學學習中經歷實踐的過程，從而掌握科學知識。本課的教學方法利用課件、視頻等創建實驗活動讓學生親身參與，由此來引導學生對問題產生思考，在實驗中發現滑輪的作用及應用，引領他們到生活中去學科學用科學。

（一）創設情境，導入新課

課堂導入是一節課最吸引人的環節。導入方式多種多樣，而對于科學實驗課而言，選擇合適的導入方式有助于吸引學生的注意力，從而呈現一個生機勃勃的課堂。因此，我們要創設生動的情境，將需要引入的內容集中于仿真的情境氛圍，為提高學生在科學實驗教學中的實踐能力提供多種途徑。仿真情境能讓學生更好地了解知識，為學生提供貼近生活的、生動的場景和故事，激發學生的學習興趣，調動他們的學習熱情，進而提升他們的科學素養。在教學過程中，將仿真情境與實驗相結合，使學生能夠在仿真的環境中開展實踐活動，同時在實驗中，對所學知識與技能進行實際運用并不斷提高，還能掌握恰當的操作方式和技巧，從而增強學生的實踐能力和實際操作能力。

本課由生活情境出發，由升國旗聯想到旗桿上有這么一個帶槽的輪子，能繞著中心旋轉，從而引出本課的課題——滑輪。筆者用實物引導學生在小組內部進行觀察，并對滑輪的構造進行描述，使其形象直觀、易于記憶。接著，根據教師創設的生活情境，讓學生自己思考如何通過滑輪提重物。學生樂于動腦，很容易想到可以利用升旗的方法來提起重物，而使用動滑輪的方法則需要教師來引導。通過改變滑輪的位置，可以讓滑輪和重物一起向上移動?？偨Y兩種方法區別時提醒學生注意用力方向，從而加深了對兩組滑輪概念的理解，對兩種不同滑輪拉重物有初步感受，也為下面實驗探究做好準備?？偠灾?，情境仿真與實際操作，能夠使學生的專業素質與實際操作能力得到提升，而恰當的實驗設計，能夠激發學生的學習興趣，幫助他們更好地發揮自己的思維與創意，并在實踐中獲得更多的知識與技巧。

（二）實驗探究，生成新知

科學課，尤其是實驗課，最核心的部分無疑是學生的實驗操作。從布置實驗任務、介紹實驗要求、提醒學生注意事項到輔導學生完成實驗并分析討論實驗數據，這一系列的過程考驗的是教師的綜合能力。因此，在小學的科學實驗教學中，將重點放在實驗教學上，提升學生的參與程度，組織學生親自參與實驗，對實驗現象進行研究，能有效提高他們的動手能力和探索精神。實驗教學能使學生在實踐中對科學知識有一定的了解，使抽象的知識得到具體的、形象的表達。要實現這個目標，就必須在《課程標準》的指導下，并非完全按照教材一成不變地進行教學，而是可以設計與學生生活實際相關的實驗內容。一方面，可以就地取材，降低實驗難度；另一方面，從身邊的具體事物入手，更容易讓學生接受，從而激發學生的學習興趣。

學生在上一環節對定滑輪、動滑輪已經有了初步感知，能大概猜測出定滑輪和動滑輪工作原理的不同。在此基礎上，通過對比性實驗來研究滑輪是否省力，很快學生會發現：用定滑輪，用力的方向和重物運動的方向相反，方便提升重物，但不省力；用動滑輪則用力方向和重物提升的方向相反，能省一半的力。這個實驗僅憑單個學生完成難度較大，此時可以借助小組合作的方式來完成。在小學科學實驗教學中，既要重視對學生動手能力的培養，又要重視開展小組合作、協同學習。在課堂教學中，教師可以通過小組活動來提高學生之間的協作與互動。

（三）學以致用，遷移拓展

沒有一門學科是與生活相分離的，實驗教學與我們的生活密切相關，它服務于我們的現實生活。因此，教師要將注意力集中在現實生活上，進行應用教育，幫助學生在科學實驗活動中提高自己的實踐能力。教師可以用真實的生活例子和案例進行分析，讓學生充分認識到，在現實世界中，所學知識的運用及其重要性，以增強學生的學科意識，激發學生的學習動力，讓他們主動地參與到實驗中來，對實驗活動保持濃厚的興趣和激情，只有這樣，才能更好地促進他們在實驗活動中，提高觀察能力與分析能力。教師還應引導學生在現實生活中觀察、分析身邊的事物，提高他們對問題的認識與解決能力。

本課的最后部分，先提出問題，讓學生思考，再通過視頻初步認識滑輪組，知道把定滑輪和動滑輪結合起來，就組成了滑輪組，既改變了力的方向又可以省力，從而了解生活中滑輪的運用。這樣，一方面拓寬了學生的知識視野，增加了生活常識；另一方面，也在學生心中播下工程思維的種子，知道科學知識在生活中的妙用。

綜上所述，目前的實驗教學應基于工程學的思想，與現實相結合，采取相應的教學策略，確立實驗目的、理解實驗原理、實施實驗步驟、進行實驗創新。作為學生學習的引導者，教師在實驗教學過程中應該創造適當的實驗場景，為學生提供大量的實驗操作和參與的機會，對學生的實踐運用能力進行培養，只有這樣，才能使學生的實踐能力持續得到提升，也才能讓學生適應新的教學模式。此外，不應忽視先進科技的力量，課堂的時間總是有限的，教師要善于利用多媒體技術來提高課堂效率，只有多種方式齊頭并進，緊密配合，才能更好地上好每一節科學課，推動科學教育事業的發展。

【本文系2024年度宜興市教育科學規劃專項課題：“基于工程思維的小學科學實驗教學創新設計研究”研究成果（YX-jsgr/2024/116）】

參考文獻

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