例談在技術與工程實踐中發展學生科學思維

科學課程標準四大科學素養中的“探究實踐”要求學生通過技術與工程實踐，體會科學原理在技術與工程中的應用，促進對學科概念的理解，形成物質與能量、結構與功能、系統與模型、穩定與變化等跨學科概念。技術與工程實踐不是簡單的操作技能訓練，而是著眼深化對科學核心概念的理解，建構跨學科概念，籌劃性解決實際問題，基于問題和條件設計解決方案，基于證據或邏輯進行迭代優化，進而發展科學思維。科學教師要加強研究技術與工程實踐的特點，探索相應的教學策略，發展學生的科學思維。

一、創設基于挑戰性的任務情境，激活學生思維動機

腦科學研究表明，當教師使學習情境適應于孩子的技能水平且使其稍高于該技能水平時，學習會達到最佳。[1]創設基于學生的挑戰性任務情境，可更好地激活學生思維動機，促進他們深度參與技術與工程實踐。基于學生是指任務情境與學生的生活經驗、科學認知聯系緊密；挑戰性是指問題略高于學生的認知水平，能有效激發他們的想象、重組、推理、分析等高階思維，有利于形成良好的價值體驗。

例如，四年級《電路中的開關》一課，教材內容是認識電路中開關的結構，學習用開關控制電路的通與斷。以往教學中，學生學習了開關的知識卻仍然不能基于真實生活中控制電路的需求設計開關。為了在科學知識與實踐應用之間搭上一座“橋”，教師創設了“設計紅綠燈”這一貼近學生實際、學生感興趣卻有一定挑戰性的工程問題，讓他們用回形針、大頭針等控制電路，達到紅綠燈相繼而不同時亮的效果。這一工程任務的設計、安裝，引發了學生分析、決策、創新、質疑等高階思維，他們不僅理解了用開關控制電路的原理，還學習在實際生活中應該怎樣根據需要在電路中設計開關，把知識學習與實踐應用融為一體，促進科學知識向科學素養的轉化。

二、基于UbD理論設計學習活動，培養學生系統思維

UbD理論強調把學習目標及學習結果的評估同時優先考慮，把原本用來檢測教學效果的評價任務前置，一般分為明確預期的學習結果、確定可評估的證據、規劃相應的學習過程三個階段，[2]這和技術與工程實踐非常契合。在教學時，教師首先分析任務情境，明確最終要完成一個什么樣的技術與工程產品；接著，要對產品設計要求、條件限制等進行討論、界定，形成評價標準；最后，基于標準系統思考、合理分工，畫設計圖、討論并優化設計圖、制作、測試、基于證據迭代改進、作品發布等。基于UbD理論設計學習活動，有利于學生整體思考挑戰性任務的解決辦法，培養他們籌劃性的系統思維，避免教師牽一步學生走一步的低效學習。

例如，《我們的過山車》一課，教師首先讓學生觀看過山車視頻，明確任務“用泡沫管和鐵架臺設計過山車”。然后，把單元學習內容（直線運動和曲線運動、物體在斜面上的運動、運動與位置等相關知識）的綜合應用轉化為過山車的設計要求：過山車跑完全程不脫軌；過山車軌道既有直線軌道，又有曲線軌道；過山車軌道要有坡度的變化。學生明確要求后開展設計、制作、測試、迭代設計等活動，發展系統思維。

三、在迭代設計中發展學生設計思維、反思性思維

技術與工程實踐是一個不斷迭代優化的過程，及時記錄可為后續的反思性學習、互動交流提供第一手材料。技術與工程實踐中的記錄通常包括畫設計圖、問題梳理記錄等，有時也需要對實踐過程的一些關鍵素材進行拍照、錄像等，以滿足反思性學習與互動交流的需要。畫設計圖時，教師要充分考慮學生的年齡特點和認知水平，力求簡潔性、科學性。

例如，《我們的過山車》一課，教師根據三年級學生首次進行工程實踐過程規范學習這一實際，降低了畫設計圖的要求，用單線畫出軌道，并用文字表示起點、終點、上坡、下坡等圖示不容易表示的部分。這樣既弱化了軌道各部分長度的精確設計，符合學生認知水平，又突出軌道的路徑（直、曲）和坡度，緊扣教學重點。學生完成設計圖后進行互評，根據相關科學知識分析預測現有設計圖是否能達到過山車跑完全程不脫軌等相關設計要求。在這一過程中，學生會發現問題，對設計圖進行修改，那怎樣簡便地呈現這一過程呢？

如果另畫一稿既耽誤時間，也不容易看出哪里發生了改變。教師讓學生用另一種顏色的筆在原圖上進行修改，就能很清楚地看出設計圖的優化過程，體現了思維留痕（如圖1上）。在基本確定設計圖后，學生根據設計圖進行制作和測試，在此過程中又會發現問題，需要進行優化設計。此時，教師出示記錄單，讓學生梳理問題和解決辦法，整理思維（如圖1下）。對于過山車的設計效果，教師讓學生用平板電腦錄制下來，這樣他們在交流的時候就能方便地展示最終的結果。

該案例中，多色設計圖、測試優化過程的記錄單等是學生反思性學習的重要成果，設計圖、記錄單、視頻為生生之間、師生之間的互動交流提供了必要、豐富的素材，促成了分析、綜合、質疑、創新等深度學習的發生。

四、合作與交流中發展學生創新思維、批判性思維

技術與工程實踐的特點決定了合作與交流的重要性，合作、交流是技術與工程素養的重要內容。以《設計紅綠燈》一課為例，怎樣讓學生從日常的紅綠燈生活場景中提取出紅綠燈設計的基本要求呢？

首先，教師讓學生觀看人們在紅綠燈指揮下通過斑馬線的視頻后，組織他們討論：紅綠燈是怎樣讓行人有序通過的？這樣，引導學生聚焦紅綠燈在不同的時間段亮，從而進一步明確該課設計紅綠燈的要求：紅綠燈相繼亮而不同時亮。這一階段，需要學生對復雜的情境、繁雜的信息進行梳理，抓住關鍵，更具體地界定設計紅綠燈這個挑戰性任務，為接下來的工程實踐確定方向。

接下來是基于紅綠燈的設計需求畫設計圖。在各小組完成紅綠燈的設計圖后，教師不是直接讓學生組裝，而是讓他們對設計圖進行展示、交流并互評，利用所學過的電路知識預測設計圖是否能達到紅綠燈相繼亮而不同時亮的效果。對有問題的設計圖，其他學生指出問題、提出修改意見，這很好地體現了科學知識在技術與工程實踐中的應用，發展了學生的批判性思維和發散性思維。

之后小組合作進行紅綠燈組裝測試。教師再一次組織學生交流，討論幾種成功的紅綠燈設計哪一種更優。學生不僅從科學性還從節省材料、操作方便等角度進行了綜合評價，這一過程很好地培養他們綜合分析的能力，發展了他們的系統思維。基于討論，教師從節省材料和操作便捷的角度提出更高的改進要求，讓學生只用一個開關控制紅綠燈不同時亮，這推動學生設計出更優的紅綠燈裝置。這一環節合作、交流貫穿整個過程，很好地培養了學生的創新思維、批判性思維和合作與交流的能力，提升了學生的思維品質。

五、跨學科融合開展技術與工程實踐，發展學生模型思維

技術與工程實踐要與科學探究融合，還要充分利用數學分析、模型建構與表達的優勢，在畫設計圖、數據分析、模型建構等方面融合數學思想方法，發展學生的模型思維。例如，《增加船的載重量》一課，在完成“用同樣大的正方形錫箔紙設計制作載重量盡可能大的船”這一挑戰性任務的過程中，學生不斷嘗試改進，做出了不同載重量的小船。怎樣對這些信息進行分析呢？教師讓每個小組把幾次制作的小船按載重量從小到大排列，再把全班各個小組的數據匯總。通過分析數據，有的學生發現底面積越大的船載重量更大，有的學生發現船舷越高的船載重量更大。那到底怎樣設計使船的載重量更大呢？

學生為此展開討論，有的認為要增加船的底面積，有的認為要增加船舷的高。但同樣的錫箔紙，增加底面積就意味著降低船舷的高，增加高就意味著減小底面積，該怎么辦呢？有學生提出底面積和高不能太大，也不能太小，要綜合起來看，要適宜。怎樣才算適宜呢？在分析全班二十幾組數據仍然得不出統一結論時，有的學生認為要繼續嘗試，以得到更多的數據，有學生提到實驗次數的多少沒有太大的影響，需要得出一個相對的結論。

教師順勢提問：“如果你是造船廠的負責人，你們是否愿意造船工程師把這些鋼材拿來一遍遍嘗試？”這讓學生進一步感受到建構模型的重要性。教師再一次引導學生思考，底面積和高的變化會引起什么的變化，從而讓他們關注船的容積，并通過數學中的列舉法，假設船的底面積和高算出容積，找出理論上容積最大的船的相關數據。學生根據理論數據制作并測試載重量，驚喜地發現，船的載重量果然變大了很多。

在這一案例中，教師把科學實驗與工程實踐相融合，很好地利用數學分析和建模的工具，幫助學生建構了設計更大載重量的船的理論模型，突破了工程實踐中的技術瓶頸，讓造出更大載重量的船這一挑戰性工程問題得以圓滿解決，發展了學生的模型思維。

小結

技術與工程實踐是科學知識與應用實踐的橋梁，是科學知識向科學素養轉化的有效載體。在技術與工程實踐中開展思維型探究教學，促進科學探究和技術與工程實踐的深度融合，是技術與工程實踐課堂改革的有效嘗試，它在提升學生探究實踐能力的同時，更有效地幫助學生深度理解科學核心概念和跨學科概念，真正發展解決真實情境中復雜科學問題的能力，切實發展科學素養。

[課題：重慶市教育科學規劃2023年度課題“素養導向的小學科學表現性評價任務設計與實施研究”，編號：K23ZG1140145]

（作者單位：顧仙宇，重慶市江津區四牌坊小學校；楊雨黛，重慶市兩江新區童心小學校）

參考文獻

[1]張俊列，韋利仿.深度學習的腦科學基礎與課堂教學策略[J].教育理論與實踐，2020（28）.

[2]格蘭特·威金斯，杰伊·麥克泰格.追求理解的教學設計[M].閆寒冰，譯.上海：華東師范大學出版社，2017.